CN113271262A - 交叉式确定性数据传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及交叉式确定性数据传输方法和装置，属于数据的确定性传输技术领域，该方法包括：获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；根据周期持续时间和跳数计算确定性数据帧的延迟，其中，周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为流传输测量区间的整数倍；将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换不同流量类的门禁状态，其中，该流量调度周期为正在使用的多个流传输测量区间的公共倍数。能够降低配置难度，可以为时间敏感的流量提供确定性的、易于计算的延迟，并能有效的解决数据传输的队列浪费的问题。

Description

交叉式确定性数据传输方法和装置

技术领域

本申请涉及数据的确定性传输技术领域，尤其是工业互联网的确定性数据可靠性传输的应用，特别是涉及交叉式确定性数据传输方法和装置。

背景技术

工业互联网作为未来网络发展的重要组成部分，其概念自提出以来，在全球范围内迅速得到认可，并成为工业企业特别是制造企业进行新一代科技变革和业务创新的重要利器。随着工业互联网的发展速度越来越快，促使其对通信网络提出了全新要求，此时革新的制造工艺、逐渐完善的控制流程都需要提出一个可以快速、及时通信的网络作为保障，传统以太网已无法满足当前工业发展需求。

确定性网络技术作为新时代发展提出的重要内容，是当前工业互联网实现预期发展目标的关键。确定性网络通过集成多项关键技术，对传统以太网协议进行适当修改，保证时间敏感数据传输的同时，实现对非时间敏感数据传输的兼容。这些技术涉及时间同步、流量控制、路径控制、管理机制等多个方面，保证了数据在网络中传输的确定性。从技术上讲，工业互联网在确定性方面是对传统以太网的改进。而事实上，对一些时间因素特别敏感的应用来说，确定性意味着整个系统的可行与可控，也决定了系统的安全可靠。尤其是在工业环境中，数据的延迟或丢失可能会导致灾难性的后果，因此，增强的确定性网络是推动未来工业互联网发展的重要因素。

目前的确定性数据传输主要是各个厂商的私有化实时性传输协议，未形成统一的确定性传输协议，导致各个厂商设备之间的解耦，设备之间的互联互通成为最大的问题。

随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议已成为必然要求。工业以太网的应用主要体现在应用层的实时通信，用于系统组态的对象，以及工程模型的应用协议。

确定性数据传输技术的发展，能够有效的解决未来的业互联网IT数据与OT数据的融合问题，这将使得IT和OT层之间，以及OT的不同模块之间通信需要进行大量低效的协议转换，在数据确定性传输的过程中每一种重要的处理方法就是整形器，针对不同的数据传输应用场景，选择不同的整形器，在OT层的周期性数据传输过程中，采用传统的基于信用值的整形器可以将单跳的延迟限制在250us，但是增加了网络的平均延时；时间整形器可以提供更加精确的确定性延时，但是数据传输的队列容易浪费，配置相对复杂。

发明内容

本申请实施例提供了一种交叉式确定性数据传输方法和装置，能够降低配置难度，并可以为时间敏感的流量提供确定性的、易于计算的延迟。

第一方面，本申请实施例提供了一种交叉式确定性数据传输方法，包括：

获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；

根据周期持续时间和跳数计算所述确定性数据帧的延迟，其中，所述周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为所述流传输测量区间的整数倍；

将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV（internalpriority value）交替标记数据帧，得到不同流量类；

门禁控制在流量调度周期下切换所述不同流量类的门禁状态，其中，所述流量调度周期为正在使用的多个所述流传输测量区间的公共倍数。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

在网络中的桥设备之间对齐所述周期持续时间，并限定所述周期内第一次传输数据帧和最后一次传输数据帧的抖动参数。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

将确定性数据流的第一个帧赋给所述周期，从该确定性数据流的第一个帧传输时间到最后字节或帧传输编码符号的第一个帧传输时间为所述周期持续时间。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

下游桥设备计算数据帧被接收时所容纳的误差，包括该下游桥设备的时间同步误差和该下游桥设备的抖动。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

上游桥设备计算数据帧被传输时所容纳的误差，包括该上游桥设备的时间同步误差、该上游桥设备传输的最大偏差、该上游桥设备传输数据从应用层到介质层的时间和传输时间中的介质长度。

在其中一些实施例中，所述方法还包括：

对于周期已经过期但仍在队列中的数据流进行丢弃，或者进行标记并产生告警，或者更改优先级。

第二方面，本申请实施例提供一种交叉式确定性数据传输装置，包括：

获取模块，用于获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；

延迟计算模块，用于根据周期持续时间和跳数计算所述确定性数据帧的延迟，其中，所述周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为所述流传输测量区间的整数倍；

控制模块，用于将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换所述不同流量类的门禁状态，其中，所述流量调度周期为正在使用的多个所述流传输测量区间的公共倍数。

在其中一些实施例中，该装置包括：

对齐模块，用于在网络中的桥设备之间对齐所述周期持续时间，并限定所述周期内第一次传输数据帧和最后一次传输数据帧的抖动参数。

在其中一些实施例中，该装置包括：

赋值模块，用于将确定性数据流的第一个帧赋给所述周期，从该确定性数据流的第一个帧传输时间到最后字节或帧传输编码符号的第一个帧传输时间为所述周期持续时间。

在其中一些实施例中，该装置包括：

误差计算模块，用于下游桥设备计算数据帧被接收时所容纳的误差，包括该下游桥设备的时间同步误差和该下游桥设备的抖动。

基于以上内容，本申请实施例通过用户对网络中的桥设备配置流传输的周期和周期持续时间，从而，确定性数据帧在网络中传输时所引入的延迟完全可以由周期持续时间和跳数来描述，极大的降低了配置的复杂性，而且可以为时间敏感的流量提供确定性的、易于计算的延迟；另外，将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换不同流量类的门禁状态，其中，流量调度周期为正在使用的多个流传输测量区间的公共倍数，实现了交叉式传输，有效的解决了数据传输的队列浪费的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的交叉式确定性数据传输方法的流程图；

图2是根据本申请实施例的PSFP（Per-Stream Filtering and Policing）流量配置示意图；

图3是根据本申请实施例的流量队列调度示意图；

图4是根据本申请实施例的交叉式确定性数据传输装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

实施例1

本申请实施例提供的一种交叉式确定性数据传输方法为一种流量整形方法，可以为时间敏感的流量提供确定性的、易于计算的延迟，图1是根据本申请实施例的交叉式确定性数据传输方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S101:获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；

S102:根据周期持续时间和跳数计算确定性数据帧的延迟，其中，周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为流传输测量区间的整数倍；

S103:将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；

S104:门禁控制在流量调度周期下切换不同流量类的门禁状态，其中，流量调度周期为正在使用的多个流传输测量区间的公共倍数。

基于以上内容，本申请实施例通过用户对网络中的桥设备配置流传输的周期和周期持续时间，从而，确定性数据帧在网络中传输时所引入的延迟完全可以由周期持续时间和跳数来描述，极大的降低了配置的复杂性，而且可以为时间敏感的流量提供确定性的、易于计算的延迟；另外，将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换不同流量类的门禁状态，实现了交叉式传输，有效的解决了数据传输的队列浪费的问题。

为了更清楚的对本申请实施例进行说明，以下示例做出详细的阐述。

本申请实施例提供的交叉式确定性数据传输方法，其基本原理是流传输，并以循环的方式沿着网络路径排队传输。例如，一网络中包含桥设备A、与该桥设备A连接的桥设备B、以及与该桥设备B连接的桥设备C，流传输方向是从桥设备A到桥设备C，因此，桥设备A相对于桥设备B而言是上游桥设备，桥设备B相对于桥设备A而言是下游桥设备；桥设备B相对于桥设备C而言是上游桥设备，桥设备C相对于桥设备B而言是下游桥设备。

假设在周期i（i是大于0的整数），桥设备A向桥设备B传输数据帧；在周期i+1，桥设备B向桥设备C传输数据帧，那么在有若干桥设备的网络中具有周期i, i+1, i+2，…i+n，其中，n是大于0的整数，且每个周期持续时间为T。

根据上文，桥设备A在周期i传输的数据帧由桥设备B在周期i+1传输，所以确定性数据帧可能经历的最大延迟是从周期i开始到周期i+1结束，即持续时间为2个周期持续时间T；确定性数据帧可能经历的最小延迟是从周期i结束到周期i+1开始，即持续时间为零。

对于工业PLC的周期性数据传输类别而言，所有桥设备和连接到给定桥设备的终端设备可以对周期i和周期持续时间T配置固定值（按照终端设备已知的精度）。所以确定性数据帧所经历的最大延迟为(h+1) T，确定性数据帧所经历的最小延迟为(h-1) T，其中h是指网络中交换设备的跳数。

因此，确定性数据帧在网络中传输时所引入的延迟可以完全由周期持续时间和跳数来描述，并且不受任何其他拓扑考虑因素的影响，包括其他非时间敏感流量的干扰。

需要说明的是，本申请实施例的方案适用于数据帧保持在其分配的周期内的情况。为了确保达到预期的延迟范围，需要仔细选择周期持续时间，因此，优选的，在网络中的桥设备之间对齐周期持续时间，并限定在一个周期内第一次传输数据帧和最后一次传输数据帧的抖动参数。所以，只要桥设备的性能不影响帧对周期持续时间的正确分配，通过特定中间中继（例如数据交换设备）的任何延迟都不会影响端到端的延迟。

在处理时间敏感流时，目标是零帧丢失，所以需要合理的规划数据传输路径和传输时延以及数据整形方式；并需要将合理的周期持续时间分配在传输系统上，如果分配的周期持续时间不正确，即使可以接收到数据，但该数据帧不应该被发送。

优选的，桥设备可以选择何时开始接收相对于周期持续时间T的赋值，例如，假设该桥设备将确定性数据流的第一个帧赋给周期i，那么从该确定性数据流的第一个帧传输时间到最后字节或帧传输编码符号的第一个帧传输时间定义为周期持续时间T，从而可以将任何已知的与实现相关的延迟都置于桥设备的控制之下。

优选的，经过周期持续时间T，由周期i - 1变成周期i，在该过程中，合理计算数据帧在接收和/或传输中容纳的误差。

作为一个示例，当下游的桥设备B试图在周期i开始接收数据帧时，需要考虑到内部延迟因素，实际的开始接收时间取决于：①桥设备B的时间同步误差；②桥设备B的最大偏差（抖动）；③桥设备B没有考虑到的其他延迟，例如选择用于周期i的输出队列的延迟。

上游的桥设备A必须在周期持续时间T之前停止周期i - 1的数据帧传输，传输误差不仅包括上述①-③，还包括：④桥设备A的时间同步误差；⑤桥设备A传输的最大偏差(抖动)；⑥桥设备A数据传输从应用层到介质层的时间；⑦传输时间中的介质长度。即，最后一个数据帧从离开桥设备A到达桥设备B的时间，包括传输过程中被考虑到的所有干扰帧的影响。

优选的，对于周期已经过期但仍在队列中的数据流进行丢弃，或者进行标记并产生告警，或者更改优先级。

需要说明的是，本申请实施例的周期持续时间T应该足够大，以容纳在有关流的流量调度周期内可以接收的流数据，加上至少一个最大干扰帧或帧片段。也就是说，如果一个流或一组流在一段时间内被观察到，那么该流或该组流的保留数据速率在任何观察时间段都不会超出与这些流相关的流传输测量区间。有效地为周期持续时间T设置了一个下界，它不应该小于流传输测量区间，并且对周期持续时间T的较大值设置了限制，即流传输测量区间的整数倍。并且，如果处理的流与多个不同观察时间相关联，则流量调度周期为正在使用的多个周期持续时间的公共倍数，以使各周期正确匹配周期持续时间。

基于以上内容，将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换不同流量类的门禁状态。

举例而言，如果处理的流与两个不同的观察时间相关联，例如带有Class（即优先级） A和Class B的流通过桥，与两个不同的观察时间相关联，那么流量调度周期是正在使用的两个流传输测量区间的公共倍数，以便使传输的周期能够正确匹配所选择的两个周期持续时间T。

图2是根据本申请实施例的PSFP流量配置示意图，如图2所示，在优先级3和优先级2激活的情况下，带有优先级3的传入帧使用门（Gate）1处理，流门控制列表的周期持续时间是优先级3类流传输测量区间（125μs）的两倍，即2 * 125μs；门1用IPV7或IPV6交替标记这些帧。带有优先级2的传入帧使用门 2处理，流门控制列表的周期持续时间是优先级2类流传输测量区间（250μs）的2倍，即2 * 250μs；门2用IPV5或IPV4交替标记这些帧。流量调度基于两个不同优先级的流传输测量区间中较小的125μs，但现在有4个登记的流量，给出一个总的流量调度周期为500μs。根据门禁控制列表，每125μs切换流量类7和6的门禁状态，每250μs切换流量类5和4的门禁状态。基于以上内容，实现了交叉式数据传输，不会使每个队列的数据流因长期排队而过期，有效的解决的了数据传输队列浪费的问题。

需要说明的是，被调度的流量队列具体按照何种算法传输可以根据实际情况来选择，例如，图3是根据本申请实施例的流量队列调度示意图，如图3所示，有流量队列0至队列7，根据门控列表每125μs切换门控的开或关，其中传输选择算法可以根据用户需求来设置，包括但不限于基于信用值的算法、严格优先级算法、抢占算法。

实施例2

本申请实施例提供一种交叉式确定性数据传输装置，队列图4是根据本申请实施例的交叉式确定性数据传输装置的结构框图，如图4所示，该装置包括：

获取模块1，用于获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；

延迟计算模块2，用于根据周期持续时间和跳数计算所述确定性数据帧的延迟，其中，所述周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为所述流传输测量区间的整数倍；

控制模块3，用于将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换所述不同流量类的门禁状态，其中，所述流量调度周期为正在使用的多个所述流传输测量区间的公共倍数。

可选的，上述装置还可以包括对齐模块，用于在网络中的桥设备之间对齐周期持续时间，并限定周期内第一次传输数据帧和最后一次传输数据帧的抖动参数。

可选的，上述装置还可以包括赋值模块，用于将确定性数据流的第一个帧赋给周期，从该确定性数据流的第一个帧传输时间到最后字节或帧传输编码符号的第一个帧传输时间为周期持续时间。

可选的，上述装置还可以包括误差计算模块，用于下游桥设备计算数据帧被接收时所容纳的误差，包括该下游桥设备的时间同步误差和该下游桥设备的抖动，还可以用于上游桥设备计算数据帧被传输时所容纳的误差，包括该上游桥设备的时间同步误差、该上游桥设备传输的最大偏差、该上游桥设备传输数据从应用层到介质层的时间和传输时间中的介质长度。

上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种交叉式确定性数据传输方法，其特征在于，包括：

获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；

根据周期持续时间和跳数计算所述确定性数据帧的延迟，其中，所述周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为所述流传输测量区间的整数倍；

将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；

门禁控制在流量调度周期下切换所述不同流量类的门禁状态，其中，所述流量调度周期为正在使用的多个所述流传输测量区间的公共倍数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在网络中的桥设备之间对齐所述周期持续时间，并限定所述周期内第一次传输数据帧和最后一次传输数据帧的抖动参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将确定性数据流的第一个帧赋给所述周期，从该确定性数据流的第一个帧传输时间到最后字节或帧传输编码符号的第一个帧传输时间为所述周期持续时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

下游桥设备计算数据帧被接收时所容纳的误差，包括该下游桥设备的时间同步误差和该下游桥设备的抖动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

上游桥设备计算数据帧被传输时所容纳的误差，包括该上游桥设备的时间同步误差、该上游桥设备传输的最大偏差、该上游桥设备传输数据从应用层到介质层的时间和传输时间中的介质长度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对于周期已经过期但仍在队列中的数据流进行丢弃，或者进行标记并产生告警，或者更改优先级。

7.一种交叉式确定性数据传输装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取由上游桥设备向下游桥设备传输确定性数据流的周期；

延迟计算模块，用于根据周期持续时间和跳数计算所述确定性数据帧的延迟，其中，所述周期持续时间的最小值为流传输测量区间，最大值为所述流传输测量区间的整数倍；

控制模块，用于将带有不同优先级的数据帧使用不同的门处理，且各个门用不同的IPV交替标记数据帧，得到不同流量类；门禁控制在流量调度周期下切换所述不同流量类的门禁状态，其中，所述流量调度周期为正在使用的多个所述流传输测量区间的公共倍数。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，包括：

对齐模块，用于在网络中的桥设备之间对齐所述周期持续时间，并限定所述周期内第一次传输数据帧和最后一次传输数据帧的抖动参数。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，包括：

赋值模块，用于将确定性数据流的第一个帧赋给所述周期，从该确定性数据流的第一个帧传输时间到最后字节或帧传输编码符号的第一个帧传输时间为所述周期持续时间。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，包括：

误差计算模块，用于下游桥设备计算数据帧被接收时所容纳的误差，包括该下游桥设备的时间同步误差和该下游桥设备的抖动。

Images