CN114025261B - 一种工业pon网络带宽自动分配方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业PON网络带宽自动分配方法和装置。其方法部分主要包括：OLT为ONU分配用于承载周期性实时数据的第二分配标识；OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息；OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2。本发明可以通过PON网络对周期性、实时性的工业数据报文进行侦听和计算，准确地为此类数据报文分配带宽时隙，用于承载Profinet IO工业以太网环境的各类实时、非实时数据业务，满足Profinet IO工业网络的业务质量要求。

Description

一种工业PON网络带宽自动分配方法和装置
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，特别是涉及一种工业PON网络带宽自动分配方法和装置。
背景技术
PON网络(Passive Optical Network，无源光网络)是一种低成本、高容量的新型光纤接入网技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，相对于传统的交换机网络，具备低成本、高带宽、低能耗、抗干扰能力强等诸多优点，非常适用于应用在工业网络环境。
在生产制造、电力自动化等工业PON应用场景中，工业控制器与各类工业设备之间需要保持实时的数据交互和连接，比如电机转速控制参数和传感器状态等数据。这类数据交互需要保障很高的实时性，对网络的时延、抖动等性能参数提出了较高要求。ProfinetIO组网技术作为一种广泛使用的工业组网标准，其控制器与工业设备之间采用“提供者”和“消费者”模型，周期性地交互此类实时数据报文，以达到实时性传输此类IO数据的目的。
在使用PON网络承载Profinet IO网络的场景中，一个控制器需要同时连接多台工业设备，可采用高效的星型连接组网，OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)部署在控制器侧，ONU(Optical Network Unit，光网络单元)作为工业网关部署在各工业设备侧，OLT和多个ONU之间通过无源ODN(Optical Distribution Network，光分配网络)连接。传统的PON技术在上行方向(ONU到OLT方向)采用动态带宽分配的方式来共享上行信道，在OLT为每个ONU分配时隙时，采用ONU的DBRu动态报告作为参考。但ONU报告的值只能反映对应Alloc-ID(分配标识)在当前时刻需要传输的数据，无法体现业务的周期性，因此会出现DBA(Dynamic Bandwidth Allocation，动态带宽分配)调度与数据流周期不匹配的情况。当周期发送的实时性数据到达ONU时，可能会因为不能及时获得调度时隙而被缓存，造成较大的时延和抖动，影响工业IO数据的交互和生产运作。
鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷，解决Profinet IO工业网络实时性业务承载的需求问题，是本技术领域待解决的难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种工业PON网络带宽自动分配方法和装置，通过PON网络对周期性、实时性的工业数据报文进行侦听和计算，准确地为此类数据报文分配带宽时隙，用于承载Profinet IO工业以太网环境的各类实时、非实时数据业务，满足Profinet IO工业网络的业务质量要求。
本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种工业PON网络带宽自动分配方法，包括：
OLT为ONU分配用于承载周期性实时数据的第二分配标识；
OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息；
OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2。
进一步的，所述OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息具体包括：
OLT侦听工业控制器与工业设备之间进行初始化配置所采用的PNIO-CM报文，以获取工业控制器与工业设备之间协商的参数信息；其中，所述初始化配置包括设备发现、应用关系和连接关系的建立以及参数信息的协商，协商的参数信息具体包括从所述PNIO-CM报文中获取的工业设备的MAC地址、工业设备发送周期性实时报文的时钟周期C、时钟缩小比R、周期阶段Phase、数据长度D以及报文时戳T。
进一步的，OLT还需判断工业控制器与工业设备之间初始化连接和配置的状态，若状态为正常，则将侦听的参数信息保存在参数表中，否则丢弃侦听到的参数信息。
进一步的，所述OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2具体包括：
计算带宽授权分配周期Cycle，Cycle＝C*R*U，其中，C为周期性实时报文的时钟周期、R为时钟缩小比、U为工业网络周期单位；
OLT根据报文时戳T、周期阶段Phase、带宽授权分配周期Cycle和数据长度D，推算ONU的第二分配标识在每个数据周期内的第二带宽授权G2。
进一步的，所述第二带宽授权G2为周期性的授权序列，G2＝{G21，G22，……G2n}；对于周期i，G2i包括授权开始时间Si和授权长度Li，G2i＝<Si,Li>；其中，授权开始时间Si为：Si＝T+Phase*U+i*Cycle；授权长度Li为：Li＝D+O；其中，O为PNIO-RT报文的开销，包括报文头部开销和其他控制字段的长度。
进一步的，还包括：
OLT为ONU分配用于承载普通数据的第一分配标识；
OLT对ONU的第一分配标识采用基于状态报告的方式计算并分配第一带宽授权G1。
进一步的，还包括：OLT根据所有ONU的第一带宽授权G1和第二带宽授权G2，计算在每个上行帧内的带宽位图并封装在BWMap消息中发送给ONU，具体的：
所有ONU的第二带宽授权G2的分配优先级均高于第一带宽授权G1的分配优先级，且在每个上行帧内，第二带宽授权G2相对于第一带宽授权G1在BWMap消息中的位置固定；
对于一个上行帧，若某个ONU的第二带宽授权G2中，存在一个或多个授权G2i的开始时间Si在该上行帧的时间窗口内，则OLT将该一个或多个授权G2i分配到该上行帧对应的BWMap中。
进一步的，在一个上行帧内，OLT按照每个ONU对应的设备参数信息中的报文时戳T从小到大的顺序，依次为所有ONU分配第二带宽授权G2，若不同ONU的第二带宽授权G2范围有重叠，则后分配的ONU第二带宽授权G2的开始时间被依次延迟，直到重叠被消除为止。
进一步的，OLT在先分配完所有ONU的第二带宽授权G2之后，再在空余的时间窗口内分配各ONU的第一带宽授权G1。
另一方面，本发明提供了一种工业PON网络带宽自动分配装置，具体为：包括至少一个处理器和存储器，至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，存储器存储能被至少一个处理器执行的指令，指令在被处理器执行后，用于完成第一方面中的工业PON网络带宽自动分配方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过对工业网络中各设备参数的侦听，OLT自动推算出工业设备向工业控制器发送的周期性实时报文的带宽要求，使用预先计算的带宽调度方式为此类业务精确分配带宽，保证周期性业务能够及时被网络调度，降低了业务的时延和抖动，满足工业场景对网络的苛刻要求。同时，把周期性实时业务与普通业务相区分，在支持对高优先级实时业务优先调度的前提下也可以同时承载低优先级的普通业务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种工业PON网络带宽自动分配方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的步骤3扩展流程图；
图3为本发明实施例2提供的工业PON网络组网示意图；
图4为本发明实施例2提供的工业PON网络带宽自动分配流程图；
图5为本发明实施例2提供的一种BWMap消息格式示意图；
图6为本发明实施例3提供的光线路终端OLT结构示意图；
图7为本发明实施例3提供的光网络单元ONU结构示意图；
图8为本发明实施例4提供的一种工业PON网络带宽自动分配装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
实施例1：
本发明实施例提供一种工业PON网络带宽自动分配方法，其中涉及的工业PON网络包括OLT和ONU，工业控制器与OLT的上联端口连接，OLT通过ODN连接至少一个ONU和至少一个工业设备。
如图1所示，本实施例提供的一种工业PON网络带宽自动分配方法包括如下步骤。
步骤1：OLT为ONU分配用于承载周期性实时数据的第二分配标识。该步骤中的第二分配标识Alloc-ID2用于承载工业控制器与工业设备之间收发的周期性实时数据，在本实施例中，工业控制器与工业设备之间在建立联系之后，通过PON网络开始数据交互，交互内容包括周期性实时报文(PNIO RT)和普通报文，该步骤分配的Alloc-ID2便是用来承载PNIORT报文的。
步骤2：OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息。该步骤中，工业控制器与工业设备利用Profinet PNIO-CM报文进行初始化配置，该初始化配置包括设备发现、应用关系(AR)和连接关系(CR)的建立以及协商各类相关参数，以完成Profinet连接建立的过程。OLT侦听所述连接建立的过程中，工业控制器与工业设备之间交互的PNIO-CM Connect Request和Control Response报文，根据报文内容获取工业设备的参数信息。
步骤3：OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2。
基于上述步骤，本实施例通过对工业网络中各设备参数的侦听，OLT自动推算出工业设备向工业控制器发送的周期性实时报文的带宽要求，使用预先计算的带宽调度方式为此类业务精确分配带宽，保证周期性业务能够及时被网络调度，降低了业务的时延和抖动，满足工业场景对网络的苛刻要求。
另外，除了上述步骤1-步骤3外，本实施例的带宽自动分配方法还包括如下步骤：
步骤4：OLT为ONU分配用于承载普通数据的第一分配标识。该步骤中第一分配标识Alloc-ID1用于承载的普通数据包括工业控制器与工业设备之间建立连接所需的数据，以及建立连接后的交互过程中其他非周期性实时报文的数据。
步骤5：OLT对ONU的第一分配标识采用基于状态报告的方式计算并分配第一带宽授权G1。基于状态报告的方式也即标准的SR(Status Report，状态报告)方式，由ONU向OLT上报缓存内的待转发数据大小，OLT根据ONU上报的数值进行带宽分配，该方式为现有的动态带宽分配技术，在此就不进行详细说明了。
基于上述步骤，本实施例还能把周期性实时业务与普通业务相区分，在支持对高优先级实时业务优先调度的前提下也可以同时承载低优先级的普通业务。
需说明的是，上述步骤1-步骤5并不限定先后顺序，只要逻辑允许的情况下，各个步骤的顺序可以自由调节。例如：可以先执行步骤1和步骤4，为ONU分配第一分配标识Alloc-ID1和第二分配标识Alloc-ID2，然后在工业控制器与工业设备建立连接过程中执行步骤2，侦听两者建立联系时的报文以获得参数信息，最后在工业控制器与工业设备正常建立联系后，执行步骤3和步骤5，分别对数据交互过程中承载周期性实时报文(PNIO RT)的第二分配标识Alloc-ID2和承载普通报文的第一分配标识Alloc-ID1进行第二带宽授权G2和第一带宽授权G1的分配。
具体的，对于本优选实施例的步骤2(OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息)，OLT侦听的参数信息具体包括从PNIO-CM报文中获取的工业设备的MAC地址、工业设备发送周期性实时报文的时钟周期C、时钟缩小比R、周期阶段Phase、数据长度D以及报文时戳T。其中，MAC地址是对应工业设备的唯一标识；时钟周期C、时钟缩小比R、周期阶段Phase分别是OLT从工业控制器发送给工业设备的PNIO-CM Connect Request报文的IOCRBlockReq:Input CR域中侦听的时钟周期(Clock)、缩小比(Reduction Ratio)和周期阶段(Phase)的值；数据长度D是OLT从工业控制器发送给工业设备的PNIO-CM Connect Request报文中侦听到的所有子模块数据长度(Submodule DataLength)字段值之和。
在本优选实施例中，OLT还需判断工业控制器与工业设备之间初始化连接和配置的状态，若状态为正常，则将侦听的参数信息保存在参数表中，否则丢弃侦听到的参数信息。具体的，OLT侦听建立连接过程中工业控制器发送给工业设备的PNIO-CM ControlResponse Application Response报文，如果状态为确认成功也即正常，则记录收到该报文的时戳(也即报文时戳T)，然后将该工业设备的参数信息保存在参数表中，否则，丢弃获取的参数信息。
在本优选实施例中，工业控制器与工业设备正常建立连接之后，便通过PON网络开始数据交互，交互的数据包括周期性实时报文(PNIO RT)和普通报文。与工业设备相对应的ONU会根据PNIO RT数据报文的特征，识别工业设备发送的报文是否是周期性实时报文。若ONU识别出PNIO RT报文，则将识别出的PNIO RT报文封装到第二分配标识Alloc-ID2中承载，将除PNIO RT外的其他普通报文封装到第一分配标识Alloc-ID1中承载。OLT对ONU的Alloc-ID1采用标准的SR方式(基于状态报告的方式)计算并分配第一带宽授权G1；对ONU的Alloc-ID2采用预先计算的方式来分配第二带宽授权G2。
如图2所示，本优选实施例的步骤3(OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2)具体可包括如下步骤。
步骤31：计算带宽授权分配周期Cycle，Cycle＝C*R*U，其中，C为周期性实时报文的时钟周期、R为时钟缩小比、U为工业网络周期单位。该步骤通过参数信息中的时钟周期C和时钟缩小比R，计算Alloc-ID2的带宽授权分配周期Cycle，其中的U为Profinet IO工业网络周期单位，默认为31.25us。
步骤32：OLT根据报文时戳T、周期阶段Phase、带宽授权分配周期Cycle和数据长度D，推算ONU的第二分配标识在每个数据周期内的第二带宽授权G2。具体的，本优选实施例中的第二带宽授权G2为周期性的授权序列，G2＝{G21，G22，……G2n}；对于周期i，G2i包括授权开始时间Si和授权长度Li，G2i＝<Si,Li>；其中，授权开始时间Si为：Si＝T+Phase*U+i*Cycle；授权长度Li为：Li＝D+O；其中，O为PNIO-RT报文的开销，包括报文头部开销和其他控制字段的长度。基于上述步骤31、步骤32，OLT可根据参数表中每个工业设备的参数信息，计算出所有ONU中Alloc-ID2的第二带宽授权G2。
基于上述所有步骤，本优选实施例中，OLT还根据所有ONU的第一带宽授权G1和第二带宽授权G2，计算在每个上行帧内的带宽位图并封装在BWMap消息中发送给ONU。本实施例以每个125us上行帧为单位进行发送。
在本优选实施例中，所有ONU的第二带宽授权G2的分配优先级均高于第一带宽授权G1的分配优先级，也即在每个上行帧内，OLT优先分配每个ONU的第二带宽授权G2，另外，第二带宽授权G2相对于第一带宽授权G1在各个上行帧的BWMap消息中的位置固定，固定带宽授权的位置可以减少抖动。
在本优选实施例中，对于一个上行帧，若所有ONU中的某个ONU的第二带宽授权G2中，存在一个或多个授权G2i的开始时间Si在该上行帧的时间窗口内，则OLT将该一个或多个授权G2i分配到该上行帧对应的BWMap中。
基于上述设计方案，在一种可能的设计中，当某个ONU的第二带宽授权G2内有多个数据周期G2i均落在同一个上行帧的时间窗口内，则OLT可以在此上行帧内为该ONU分配多次带宽授权。在一种可能的设计中，在一个上行帧内，OLT按照每个ONU对应的设备参数信息中的报文时戳T从小到大的顺序，依次为所有ONU分配第二带宽授权G2。在一种可能的设计中，若不同ONU的第二带宽授权G2范围有重叠，则后分配的ONU第二带宽授权G2的开始时间被依次延迟，直到重叠被消除为止。在一种可能的设计中，OLT在先分配完所有ONU的第二带宽授权G2之后，再在空余的时间窗口内分配各ONU的第一带宽授权G1，其授权开始时间和授权长度不固定，由各ONU上报的缓冲区数据状态决定。
综上所述，本优选实施例通过对工业网络中各设备参数的侦听，使OLT自动推算出工业设备向工业控制器发送的周期性实时报文的带宽要求，使用预先计算的带宽调度方式为此类业务精确分配带宽，保证周期性业务能够及时被网络调度，降低了业务的时延和抖动，满足工业场景对网络的苛刻要求。同时，把周期性实时业务与普通业务相区分，在支持对高优先级实时业务优先调度的前提下也可以同时承载低优先级的普通业务。
实施例2：
基于实施例1提供的工业PON网络带宽自动分配方法，本实施例2以一个具体例子为例对实施例1的方法进行详细说明。
如图3所示，为本实施例提供的工业PON网络组网示意图，本实施例的工业PON网络100包括光线路终端(OLT)120、多个(图中为4个，但不限于4个)光网络单元(ONU)140和光分配网络(ODN)130。所述光线路终端110通过上联以太网端口连接工业控制器(PLC)110；所述多个光网络单元(ONU)作为工业网关，通过用户侧以太网端口连接多个(图中为与ONU对应的4个)工业设备(Device)150。所述光线路终端120通过所述光分配网络130以点到多点的方式连接到所述多个光网络单元140。所述光网络终端120和所述光网络单元140之间采用时分复用(TDM)机制进行通信。从所述光线路终端120到所述光网络单元140的方向定义为下行方向；从所述光网络单元140到所述光线路终端120的方向为上行方向。
在下行方向，所述光线路终端120以每125us为一个数据帧的线路速率向所有光网络单元140发送数据，同时在每个数据帧中携带带宽位图BWMap信息，以指示上行方向所述多个光网络单元140可以发送数据的窗口时间和长度。
本实施例的工业PON网络100是无源光网络，在具体的实施例中，无源光网络系统可以为ITU-T G.984系列标准定义的吉比特无源光网络(GPON)系统或者下一代无源光网络系统(如ITU-T G.987系列标准定义的XGPON系统、ITU-T G.989系列标准定义的TWDM-PON系统和ITU-T G.9807系列标准定义的XGSPON系统)。本发明实施例对此不进行限定。
本实施例的工业控制器110与多个工业设备150之间通过Profinet协议的以太网报文来承载设备发现、配置和数据交互信息。工业PON网络100是工业控制器110与多个工业设备150之间的媒介，工业控制器110通过工业PON网络100的下行方向将数据报文发送给所述多个工业设备150；工业设备150通过工业PON网络100的上行方向将数据报文发送给工业控制器110。
基于上述工业PON网络组网，本实施例的工业PON网络带宽自动分配方法的流程如图4所示，具体包括如下步骤。
步骤201、ONU在OLT上注册。该步骤中，各ONU连接对应的工业设备，在OLT上完成注册，并通过状态报告(SR)请求OLT分配带宽。
步骤202、OLT为ONU分配承载普通数据的第一带宽授权，对应第一分配标识Alloc-ID1。该步骤中，普通数据指工业控制器与第一工业设备之间建立连接所需的数据，以及其他非周期性实时报文数据。Alloc-ID1对应的第一带宽授权G1由DBA动态计算，生成BWMap消息，所述BWMap消息包括第一分配标识Alloc-ID1，以及与Alloc-ID1对应的第一时间。
步骤203、OLT下发Alloc-ID1和对应的BWMap。该步骤中，OLT将Alloc-ID1下发给ONU，同时下发根据Alloc-ID1生成的带宽位图BWMap消息。该步骤中下发的授权可用于为ONU分配初始带宽，用来转发建立连接所需的初始的PNIO-CM报文。
步骤204、控制器与工业设备之间通过PNIO-CM报文建立连接并确定收发数据的参数。该步骤中，控制器与各工业设备之间通过PNIO-CM报文进行初始化配置，包括设备发现、应用关系(AR)和连接关系(CR)建立以及协商各类相关参数，完成Profinet连接建立的过程。
步骤205、OLT侦听控制器与工业设备之间的PNIO-CM报文，获取参数信息P。该步骤在连接建立过程中，OLT侦听所述PNIO-CM报文，获取到所述控制器与各工业设备之间协商的参数信息P。其中，参数信息P包括：从所述PNIO-CM报文中的Connect Request报文中获取各工业设备的MAC地址(M)、设备发送周期性报文的时钟周期(C)、时钟缩小比(R)、周期阶段(Phase)以及数据长度(D)。进一步的，参数信息P还包括：OLT收到PNIO-CM ControlResponse Application Response报文时的时戳信息(T)，精度为微秒级(us)。需要注意的是，OLT还需要判断控制器与各工业设备之间初始化连接和配置的状态，如果状态为正常，则将所述参数信息保存在参数表中，否则丢弃侦听到的参数信息。
步骤206、OLT根据参数信息P计算承载PNIO RT报文的第二带宽授权，对应第二分配标识Alloc-ID2。该步骤中，第二带宽授权的计算方式为：首先计算带宽授权分配周期Cycle：Cycle＝C*R*U，其中U为Profinet IO工业网络周期单位，默认为31.25us。在本实施例中，以各ONU中的第一ONU1为例，ONU1的报文时钟周期C为1，缩小比R为2，则ONU1的Cycle的值为62.5us。进一步的，计算带宽授权长度L：L＝D+O，其中O为PNIO-RT报文的开销，包括报文头部开销和其他控制字段的长度。在本实施例中，ONU1的数据长度为40字节，开销为24字节，则ONU1每周期的数据长度为64字节。进一步的，OLT根据参数信息P中的报文时戳T、周期阶段Phase、计算出的带宽分配周期Cycle和数据长度D，推算出ONU1中Alloc-ID2在每个数据周期的第二带宽授权G2。该第二带宽授权G2为周期性的授权序列，对于序列中的每个带宽授权G2i，包括开始时间Si和授权长度Li。
进一步的，OLT根据所述第一分配标识Alloc-ID1的动态带宽授权G1和所述第二分配标识Alloc-ID2的动态带宽授权G2，计算并更新BWMap消息，更新后的BWMap消息包括第一分配标识Alloc-ID1、与所述Alloc-ID1对应的第一时间、第二分配标识Alloc-ID2、与所述Alloc-ID2对应的第二时间。具体的BWMap带宽消息格式请见图5。
步骤207、OLT下发Alloc-ID1和Alloc-ID2和对应BWMap。该步骤中，OLT将Alloc-ID2下发给ONU1，同时下发根据Alloc-ID1和Alloc-ID2生成的带宽位图BWMap消息。需说明的是，本实施例中是以ONU1为例，对于除ONU1外的其他ONU，过程也均与ONU1的处理相同。
步骤208、ONU根据报文特征识别PNIO RT报文和普通报文。还是以ONU1为例，在一种可行的方案中，ONU1判断的报文特征为：源MAC地址为与ONU1对应的第一工业设备的MAC地址、以太网类型为0x8892的报文，满足这个条件的，ONU1将其识别为PNIO RT报文，否则为普通报文。
步骤209、工业设备发送普通报文到对应的ONU。
步骤210、ONU将普通报文封装到Alloc-ID1，依据BWMap的指示发送给OLT。该步骤中，ONU收到对应的工业设备发送的普通报文，将其封装到Alloc-ID1中，根据BWMap的指示将报文在Alloc-ID1对应的第一时间窗口内发送给OLT。
步骤211、工业设备发送PNIO RT报文到对应的ONU。
步骤212、ONU将PNIO RT报文封装到Alloc-ID2，依据BWMap的指示发送给OLT。该步骤中，ONU收到对应的工业设备发送的PNIO RT报文，将其封装到Alloc-ID2中，根据BWMap的指示将报文在Alloc-ID2对应的第二时间窗口内发送给OLT。
通过本实施例的上述步骤，OLT可以通过侦听各工业设备的初始化参数，为各工业设备的周期性实时报文精确分配带宽，指示ONU将报文分类并在指定的带宽时间窗口内发送给OLT。
参考图5，为本实施例基于上述方法流程提供的一种BWMap消息格式。该BWMap消息包括：分配标识Alloc-ID字段、开始时间Start Time字段、授权长度Grant Size字段，其中Alloc-ID字段用于标识分配给各ONU的传输容器(T-CONT)，所述T-CONT为传输数据的信道，所述Start Time字段用于表示T-CONT承载数据的起始字节对应的时间；所述Grant Size字段用于表示T-CONT承载数据的长度。需要注意的是，在图5中，数据采用XGPON技术承载，所述BWMapd的Start Time字段和Grant Size字段均是以字(word)作为单位，一个字为4个字节。本申请实施例也可以采用GPON技术承载，所述BWMap的字段和长度单位会与图5所示略有不同，相关字段的描述与ITU-T G.984.3和G.987.3的标准定义保持一致，这里不再赘述。
继续如图5所示，以第一工业设备和第二工业设备两个设备为例，在本实施例中，OLT为连接第一工业设备的第一ONU1和连接第二工业设备的第二ONU2生成了BWMap。所述ONU1和ONU2都分别承载周期性实时数据和普通数据。其中，Alloc-ID1用于标识ONU1的T-CONT1，用来承载第一工业设备的周期性实时数据，基于上述设计方案，通过所述OLT对第一工业设备参数的侦听，计算出周期性实时报文的带宽授权周期Cycle1为62.5us，带宽授权长度为64字节(即Grant Size为16个word)。具体的，该具体实施方式中Cycle1的计算方法与上述步骤206中的Cycle计算相同：Cycle1＝C*R*U，其中U为Profinet IO工业网络周期单位，默认为31.25us，在本实施例中，ONU1的报文时钟周期C为1，缩小比R为2，则ONU1的Cycle1的值为62.5us。另外，对于PNIO-RT报文，开销O的长度为24Byte。
进一步的，OLT可以根据每个授权周期的开始时间S，推算出在本次上行帧内，需要为第一工业设备分配2次带宽授权，为图中的授权1和授权6，其Start Time计算的具体方法是，根据授权1的开始时间S1和授权6的开始时间S6，分别计算S1、S6与上行帧开始时刻S0的差值，再换算成各自授权中Start Time字段的取值。按照G.987标准的定义，Start Time的值的单位是word(4个字节)。例如，在本优选实施例中，S1的值为(以时间戳表示，下同)821013100416，S6的值为821013162916，对应上行帧的开始时刻S0为821013098416，因此可计算出授权1和授权6的Start Time分别为：
授权1：
Figure BDA0003335488560000151
授权2：/>
Figure BDA0003335488560000152
其中，9720为XGPON上行帧可承载的word个数，125000的单位是纳秒，也即一个上行帧的长度：125微秒。如果本实施例采用的PON技术是GPON或XGS-PON，则上述计算方式可以相应修改。
类似的，Alloc-ID3用于标识T-CONT3，用来承载第二工业设备的周期性实时数据，基于上述设计方案，通过所述OLT对第二工业设备参数的侦听，计算出周期性实时报文的带宽授权周期Cycle2为31.25us，带宽授权长度为64字节(即Grant Size为16个word)。具体的，该具体实施方式中Cycle2的计算方法与上述步骤206中的Cycle计算相同：Cycle2＝C*R*U，其中U为Profinet IO工业网络周期单位，默认为31.25us，在本实施例中，ONU2的报文时钟周期C为1，缩小比R为1，则ONU2的Cycle2的值为31.25us。另外，对于PNIO-RT报文，开销O的长度为24Byte。
进一步的，OLT可以根据每个授权周期的开始时间S，推算出在本次上行帧内，需要为第二工业设备分配4次带宽授权，为图中的授权2、授权5、授权7和授权8，其Start Time分别为312、2742、5172和7602，具体的方法与授权1和授权6的计算方法相同，根据授权2、授权5、授权7和授权8对应的的开始时间S2、S5、S7和S8，分别计算S2、S5、S7和S8与上行帧开始时刻S0的差值，再换算成各自授权中Start Time的取值。具体计算公式与授权1和授权6一致，就不再赘述。
进一步的，Alloc-ID2用于标识ONU1的T-CONT2，用来承载第一工业设备的普通数据；Alloc-ID4用于标识T-CONT4，用来承载第二工业设备的普通数据。在此上行帧内，OLT先分配上述Alloc-ID1和Alloc-ID3，再使用现有动态带宽分配机制(DBA)为上述Alloc-ID2和Alloc-ID4分配授权，其授权开始时间不固定，授权长度由所述ONU1和所述ONU2上报的T-CONT2和T-CONT4对应的缓冲区数据状态决定。在图5中，T-CONT2对应授权3，其Start Time为500，Grant Size为200；T-CONT4对应授权4，其Start Time为900，Grant Size为150。
这样设计后，当ONU1的周期性实时数据到来时，可以在授权1和授权6的窗口中被及时传输；当ONU2的周期性实时数据到来时，可以在授权2、授权5、授权7和授权8的窗口中被及时传输，降低了传输时延，提高了网络的实时性。同时，OLT也支持为普通业务数据分配动态带宽授权，但优先级低于上述实时性带宽授权，在保证网络性能的同时，也保持了网络的可用性。
实施例3：
基于实施例1、实施例2提供的工业PON网络带宽自动分配方法，本实施例3提供一种工业PON网络带宽自动分配系统，适用于对Profinet IO工业以太网的承载。该系统包括光线路终端OLT和若干个光网络单元ONU。
如图6所示，本实施例中的光线路终端OLT包括：网络侧收发器400、处理器401以及用户侧收发器402。
其中，网络侧收发器400用于接收和发送工业控制器与各工业设备之间交互的控制报文和数据流。所述控制报文包括PNIO-CM Connect Request和Control Response报文。所述数据流包括PNIO RT实时数据流和其他普通数据流。进一步的，网络测收发器400还镜像所述控制报文到处理器401进行处理。
用户侧收发器402用于接收和发送工业控制器与各工业设备之间的控制报文和数据流。进一步的，用户侧收发器402还接收各ONU的带宽请求，发送处理器401生成的带宽位图BWMap消息给各ONU。
处理器401用于计算各ONU发送的普通数据流和周期性实时数据流的带宽，并生成BWMap消息，BWMap消息包括：普通数据流对应的第一分配标识Alloc-ID1，与所述Alloc-ID1对应的第一时间；周期性实时业务流对应的第二分配标识Alloc-ID2，与所述Alloc-ID2对应的第二时间。其中，所述第一时间根据各ONU上报的普通数据流的带宽请求计算得出；所述第二时间通过侦听工业控制器和各工业设备之间连接建立过程中的PNIO-CM报文，根据得到的各工业设备的参数信息计算得出。
上述OLT在工业PON网络架构中的位置请参见图3中所示的光线路终端(OLT)120。
如图7所示，本实施例中的光网络单元ONU包括：网络侧收发器500、处理器501以及用户侧收发器502。
其中，网络侧收发器500用于接收和发送工业控制器与各工业设备之间的交互控制报文和数据流，所述数据流包括周期性实时数据(第一数据)和普通数据(第二数据)。进一步的，网络测收发器500还用于接收所述光线路终端OLT发送带宽位图BWMap消息，包括普通数据流对应的第一分配标识Alloc-ID1、与所述Alloc-ID1对应的第一时间、周期性实时业务流对应的第二分配标识Alloc-ID2、与所述Alloc-ID2对应的第二时间。进一步的，网络侧收发器500还在处理器501的指示下，根据所述第一时间传输第一数据，以及根据所述第二时间传输第二数据。
用户侧收发器502用于接收和发送工业控制器与各工业设备之间交互的控制报文和数据流。在处理器501的配置下，对从各工业设备接收到的数据流进行分类。
处理器501用于根据PNIO RT流特征，将所述用户侧接收器502收到的工业设备发来的数据流区分为普通业务流对应的第一数据，以及周期性实时业务流对应的第二数据，指示用户侧收发器502进行业务流分类；处理器501还用于根据光线路终端OLT生成的带宽位图BWMap消息，获取所述第一数据对应的第一时间和第二数据对应的第二时间，指示网络测收发器500进行数据发送。
上述ONU在工业PON网络架构中的位置请参见图3中所示的光网络单元(ONU)140。
实施例4：
在上述实施例1、实施例2提供的工业PON网络带宽自动分配方法的基础上，本发明还提供了一种可用于实现上述方法及系统的工业PON网络带宽自动分配装置，如图8所示，是本发明实施例的装置架构示意图。本实施例的工业PON网络带宽自动分配装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图8中以一个处理器21为例。
处理器21和存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。
存储器22作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如实施例1、2中的工业PON网络带宽自动分配方法。处理器21通过运行存储在存储器22中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行工业PON网络带宽自动分配装置的各种功能应用以及数据处理，即实现实施例1、2的工业PON网络带宽自动分配方法。
存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器22可选包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器21。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
程序指令/模块存储在存储器22中，当被一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1、2中的工业PON网络带宽自动分配方法，例如，执行以上描述的图1、图4所示的各个步骤。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ReadOnlyMemory，简写为：ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，简写为：RAM)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，包括：
OLT为ONU分配用于承载周期性实时数据的第二分配标识；
OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息；
OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2。
2.根据权利要求1所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，所述OLT侦听工业控制器与工业设备之间的周期性实时报文信息以获取工业设备的参数信息具体包括：
OLT侦听工业控制器与工业设备之间进行初始化配置所采用的PNIO-CM报文，以获取工业控制器与工业设备之间协商的参数信息；其中，所述初始化配置包括设备发现、应用关系和连接关系的建立以及参数信息的协商，协商的参数信息具体包括从所述PNIO-CM报文中获取的工业设备的MAC地址、工业设备发送周期性实时报文的时钟周期C、时钟缩小比R、周期阶段Phase、数据长度D以及报文时戳T。
3.根据权利要求2所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，OLT还需判断工业控制器与工业设备之间初始化连接和配置的状态，若状态为正常，则将侦听的参数信息保存在参数表中，否则丢弃侦听到的参数信息。
4.根据权利要求2所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，所述OLT根据侦听的参数信息为ONU的第二分配标识计算并分配第二带宽授权G2具体包括：
计算带宽授权分配周期Cycle，Cycle＝C*R*U，其中，C为周期性实时报文的时钟周期、R为时钟缩小比、U为工业网络周期单位；
OLT根据报文时戳T、周期阶段Phase、带宽授权分配周期Cycle和数据长度D，推算ONU的第二分配标识在每个数据周期内的第二带宽授权G2。
5.根据权利要求4所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，所述第二带宽授权G2为周期性的授权序列，G2＝{G21，G22，……G2n}；对于周期i，G2i包括授权开始时间Si和授权长度Li，G2i＝<Si,Li>；其中，授权开始时间Si为：Si＝T+Phase*U+i*Cycle；授权长度Li为：Li＝D+O；其中，O为PNIO-RT报文的开销，包括报文头部开销和其他控制字段的长度。
6.根据权利要求1所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，还包括：
OLT为ONU分配用于承载普通数据的第一分配标识；
OLT对ONU的第一分配标识采用基于状态报告的方式计算并分配第一带宽授权G1。
7.根据权利要求6所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，还包括：OLT根据所有ONU的第一带宽授权G1和第二带宽授权G2，计算在每个上行帧内的带宽位图并封装在BWMap消息中发送给ONU，具体的：
所有ONU的第二带宽授权G2的分配优先级均高于第一带宽授权G1的分配优先级，且在每个上行帧内，第二带宽授权G2相对于第一带宽授权G1在BWMap消息中的位置固定；
对于一个上行帧，若某个ONU的第二带宽授权G2中，存在一个或多个授权G2i的开始时间Si在该上行帧的时间窗口内，则OLT将该一个或多个授权G2i分配到该上行帧对应的BWMap中。
8.根据权利要求7所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，在一个上行帧内，OLT按照每个ONU对应的设备参数信息中的报文时戳T从小到大的顺序，依次为所有ONU分配第二带宽授权G2，若不同ONU的第二带宽授权G2范围有重叠，则后分配的ONU第二带宽授权G2的开始时间被依次延迟，直到重叠被消除为止。
9.根据权利要求8所述的工业PON网络带宽自动分配方法，其特征在于，OLT在先分配完所有ONU的第二带宽授权G2之后，再在空余的时间窗口内分配各ONU的第一带宽授权G1。
10.一种工业PON网络带宽自动分配装置，其特征在于：
包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-9中任一项所述的工业PON网络带宽自动分配方法。
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