CN114172975B - 一种工业异构网络协议确定性转换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业异构网络协议确定性转换方法及装置，方法步骤如下：工业现场跨网传输信息流通过协议转换装置的输入端口接入装置；输入端口为信息流打上入口时间戳；输入端口识别信息流协议类型，并读取其流量特征，并分配对应的控制字；更新对应信息流服务质量需求的协议转换装置内部优先级映射表；存储单元从输入端口读取带有控制字的信息流，分配预设优先级；分配实际内部优先级；为不同优先级队列的出入门设计门控列表；更新对应工业现场多种有线/无线网络的协议栈；转换单元内部的各个优先级队列依据门控列表执行对应动作；转发单元接收到来自转换单元的输出数据并传输至目标网络。

Description

一种工业异构网络协议确定性转换方法及装置

技术领域

本发明涉及工业物联网技术领域，特别是一种工业异构网络协议确定性转换方法及装置。

背景技术

工业互联网实现了信息技术和制造业的深度融合，日益成为推动智能制造与工业4.0发展的重要基石。作为工业现场“最后一公里”的现场级工业物联网为满足生产全流程全覆盖的需求，呈现出多种有线/无线异构网络技术不断融合应用的新趋势，其中有线网络主要包括工业以太网、现场总线等，无线网络主要包括5G、WIA-FA等，异构性已经成为现场级工业物联网的重要特征。

为了满足个性化生产和柔性制造的需求，常在工业现场对多种异构网络灵活组网。但现场网络协议的七国八制造成了网络间的通信壁垒，从而产生了信息孤岛等问题，在此情况下通过协议转换技术来实现异构网络间的数据互通显得尤为重要。同时，工业现场端到端通信的信息流存在差异化的通信需求，协议转换的过程也需要考虑这种差异性，从而在跨网的过程中为不同的信息流提供差异化的协议转换服务，保障异构网络融合组网下的端到端通信需求。

此外，现场网络中循环同步、网络控制等时间关键数据流(Time Critical，TC)对于确定性实时通信有着较高的要求，需要降低其传输时延抖动来保障通信需求。IEEE802.1工作组提出的时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)技术受到广泛关注，其中的IEEE 802.11Qbv和IEEE 802.1AS-Rev两个子标准可以确保TC流的确定性传输。但是该技术的研究集中于网络内部的流量整形与路径规划任务，以此来实现信息流在网络内部的确定性通信时延和有界抖动。在多种异构网络融合组网的情况下，信息流的跨网确定性传输无法得到有效的保证。因此迫切需要一种能够降低跨网时延抖动的确定性协议转换技术。

经对现有文献检索发现，最相近似的实现方案为中国专利申请号为：202110535853.5，名称为：工业异构网络高速协议转换装置及并行处理单元，其具体做法为：设计一个协议转换装置，通过网卡收发工业有线网络数据，通过串行端口连接的无线模块来收发工业无线网络数据，通过哈希函数和关键字将缓存的数据散列到不同的网卡队列中，借助并行处理单元在转换单元中对不同接口数据以及同一接口的多种数据进行并行处理，实现协议间的快速转换。但是该方法针对的是现场网络与骨干网之间的协议转换，并且没有保障转换的确定性。专利申请号为：202010962703.8，名称为：ZigBee接入以太网的协议转换方法，其具体做法为：将ZigBee通信协议的原始信息封装为IP协议格式，在确定源IP地址和目标IP地址后，通过无线多跳的方式直接将信息传送至对应的IP网络，从而接入以太网，此方法只研究了ZigBee与以太网之间的协议转换技术，不适用于多种异构网络并存的状况，同时也无法保障协议转换的确定性。

现有技术没有为不同的信息流依据其优先级、时延需求等通信需求特征提供差异化的转换过程，不仅可能影响高要求信息流的传输性能，还可能在转换低要求信息流时造成资源浪费。

现有技术没有保证转换过程确定性的机制，对于循环同步、网络控制等时延抖动需求高的数据类型，其跨网传输时协议转换的确定性无法保证，进而影响跨网传输的确定性。

现有的现场网络协议转换的研究集中于实现两种协议之间的转换，在多种异构网络并存时开发成本高昂并且不利于网络的便捷接入。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种工业异构网络协议确定性转换方法及装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何基于转换时延上界、转换前后数据流服务质量适配程度等性能指标，在装置内部对不同类型数据进行优先级映射，满足异构数据跨网传输的差异化通信需求；如何设计门控列表，对不同优先级的数据进行队列调度和门控管理，降低转换过程的时延抖动，保障工业现场跨网确定性传输；如何在同一个协议转换装置中实现多种异构协议之间的快速转换功能，满足多种异构网络灵活组网和便捷接入的需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种工业异构网络协议确定性转换方法，包括以下步骤：

第一步：工业现场跨网传输信息流通过协议转换装置的输入端口接入装置，信息流包含有线网络信息流和无线网络信息流；有线网络信息流通过网卡接入，无线网络信息流通过无线模块接入；

第二步：信息流进入装置时，输入端口为其打上入口时间戳t_1，用于计算信息流从进入协议转换装置到进入优先级队列的时延；

第三步：输入端口识别信息流协议类型，读取其流量特征，并分配对应的控制字；

第四步：更新装置的存储单元当中对应信息流服务质量需求的协议转换装置内部优先级映射表；

第五步：存储单元从输入端口读取带有控制字的信息流，解析其服务质量需求并基于更新好的优先级映射表为信息流分配预设优先级；

第六步：存储单元从转换单元读取负载反馈信息，对信息流的预设优先级进行动态调整，并为其分配实际内部优先级；

第七步：门控单元读取存储单元的信息流内部优先级信息，将其转化为信息流的确定性通信约束，构造对应的调度问题，结合当前时刻的门控列表，通过求解器求得满足信息流确定性通信约束的增量式调度方案，生成对应调度方案的信息流进出优先级队列的时刻表，并基于此对转换单元的门控列表进行更新；

第八步：更新转换单元当中对应工业现场多种有线/无线网络的协议栈；

第九步：转换单元内部的各个优先级队列依据门控列表执行对应动作，包括读取数据、转换数据和输出数据；

第十步：转发单元接收来自转换单元的输出数据，基于控制字解析其目标网络，对其进行地址映射后将信息流转发至对应网络的输出端口。

进一步的，第三步中所述的流量特征包括流量类型、时延上界、抖动容忍上界、优先级；所述分配的控制字包含的信息包括信息流的原协议和目标协议类型，流量类型、时延上界、抖动容忍上界和优先级。

进一步的，所述第四步中更新的协议转换装置内部优先级映射表，由信息流的通信服务质量需求与转换单元内部的优先级队列之间的对应关系构成，用于在第五步中为具有不同需求的信息流分配差异化的预设优先级。

进一步的，所述第六步中，实际内部优先级，由第四步更新的内部优先级映射表和第十步的转换单元负载反馈信息共同决定，用于表示信息流在协议转换装置的优先级信息，与转换单元中的优先级队列一一对应。

进一步的，所述第七步中门控单元读取信息流内部优先级信息后，将其转换为确定性通信约束，具体包括：

转换时延约束：在一个门控周期当中，转换单元的各个优先级队列中的信息流在离开队列之前需要完成原协议与目标协议的转换；

冲突避免约束：不同优先级队列的信息流，不能够同时离开队列进入转发单元；

实时性约束：设信息依照门控列表流进入优先级队列的时刻为t_2，离开优先级队列的时刻为t_3，预期转换时延上界为t_0，要保证信息流从进入转换装置到离开转换单元的时间在预期时延上界内，即(t_2-t_1)+(t_3-t_2)≤t_0；

确定性约束：周期性信息流的时延抖动在预期范围之内。

进一步的，所述第七步中在新的信息流到达存储单元后，门控单元读取信息流的内部优先级信息并求解得到增量式调度方案，依据方案对信息流进出对应优先级队列的规划，对转换单元的门控列表进行更新；得到的新门控列表，用于对转换单元各个优先级队列的状态进行控制，从而保证信息流从进入转换单元到完成协议转换并离开转换单元过程的时延与抖动在预期范围之内。

进一步的，所述第八步中的协议栈，包括工业现场存在的所有无线/有线网络，转换单元内各个优先级队列通过调用该协议栈实现任意两种网络协议之间的转换。

进一步的，第九步中的转换单元的各个优先级队列具有三个状态，分别对应三种动作，具体为：

状态1：入口门控打开、出口门控关闭，此时该队列根据缓存地址信息从存储单元读取数据；

状态2：入口门控关闭、出口门控打开，此时队列内部的对应信息流传输至转发单元；

状态3：入口门控关闭、出口门控关闭，此时队列根据数据的控制字读取其原协议类型和目标协议类型，基于更新的协议栈完成数据的协议转换任务。

进一步的，第十步中转换单元在一个时刻只能接收来自一个优先级队列的信息，并依据分配的控制字解析其目标网络，进行对应的地址映射后将信息流转发至对应网络的输出端口。

一种工业异构网络确定性协议转换装置，包括输入端口、存储单元、门控单元、转换单元和转发单元，

所述输入端口包括网卡和无线模块，用于不同的工业协议信息流进入协议转换装置；

所述存储单元用于缓存数据并识别其数据帧，基于数据的通信需求和转换单元的负载反馈对数据进行优先级分配；

所述门控单元负责设计门控列表，用于控制转换单元内部不同优先级队列的接收数据与发送数据的时刻；

所述转换单元用于将不同优先级队列内的数据从原协议类型转换为目标协议类型；

所述转发单元通过地址映射，将数据转发至目标网络。

本发明的优点是：

(1)根据数据的不同通信需求在协议转换装置内部分配优先级，对不同优先级的数据进行差异化转换，实现数据在网络间的按需互联。

(2)设置门控列表对转换的开始与结束时间进行严格控制，降低转换时延抖动来实现异构网络协议间的确定性转换，从而保障跨网传输确定性。

(3)在转换装置内部，对不同优先级队列进行并行处理的同时，基于负载反馈机制对每个队列进行动态调度，实现快速转换。

(4)实现工业现场多种异构网络协议间的相互转换，降低协议转换装置开发成本的同时，满足灵活组网和便捷接入的需要。

附图说明

图1是异构网络确定性协议转换装置示意图；

图2是异构网络确定性协议转换技术流程图；

图3是存储单元内部优先级分配流程图；

图4是增量式调度示意图；

图5是转换单元门控机制示意图；

图6是信息流转发过程示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本实施例中工业现场由两种工业无线网络和五种工业有线网络共同组成，其中工业无线网络包括5G网络和WIA-FA网络，工业有线网络包括TSN、EtherNet/IP、Modbus、Profibus和CC-link。异构网络之间通过确定性协议转换装置完成数据的协议格式转换和跨网传输。如图1所示，一种工业异构网络确定性协议转换装置，包含：输入端口、存储单元、门控单元、转换单元、转发单元。其中输入端口负责接收来自五种工业有线网络和两种工业无线网络的数据流；存储单元用于缓存数据并识别其数据帧，基于数据的通信需求和转换单元的负载反馈对数据进行优先级分配；门控单元负责设计门控列表，用于控制转换单元内部不同优先级队列的接收数据与发送数据的时刻；转换单元用于将不同优先级队列内的数据从原协议类型转换为目标协议类型，转发单元通过地址映射，将数据转发至目标网络。

如图2所示，异构网络确定性协议转换方法包括：

第一步：五种工业有线网络由输入端口的网卡接入装置，两种工业无线网络由输入端口的无线模块接入装置，其中工业有线网络包括时间敏感网络(TSN)、EtherNet/IP、Modbus、Profibus和CC-link，工业无线网络包含5G和WIA-FA。当前时刻共有N条信息流从输入端口接入协议转换装置，其中5G和WIA-FA网络各有N1、N2条，TSN、EtherNet/IP、Modbus、Profibus和CC-link各有N3，N4，N5，N6，N7条。

网卡和无线模块可以在协议转换装置的接入端口进行插拔，从而实现装置的可拓展性，能够更好地兼容多种异构网络。

第二步：输入端口为N条信息流打上入口时间戳t_1，代表信息流进入协议转换装置的时间，用于计算信息流从进入协议转换装置到进入优先级队列的时延。

第三步：如图6所示，根据协议接入通道，识别信息流原协议类型，并分配第一部分控制字word_1；解析信息流的目标协议类型，分配第二部分控制字word_2；解析信息流在原协议中的流量类型、时延上界、抖动容忍上界、优先级等流量特征，分配第三部分控制字word_3。信息流的控制字

word＝word_1+word_2+word_3。输入端口将带有时间戳和控制字的信息流传递至存储单元。

第四步：更新对应信息流服务质量需求与协议转换装置n个内部优先级映射关系的优先级映射表，该映射表在协议转换装置的存储单元当中，包含了信息流服务质量需求与协议转换装置内部优先级之间的对应关系，用于在第五步中为具有不同需求的信息流分配差异化的预设优先级。

第五步：如图3所示，存储单元从输入端口读取N条信息流进行缓存，识别每条信息流的控制字word并基于其中的word_3解析其服务质量需求，参照设置好的内部优先级映射表为其分配预设优先级L1。

第六步：如图4所示，存储单元读取转换单元中n个优先级队列的的负载反馈信息，对缓存的N条信息流的预设优先级L1进行动态调整，得到信息流的实际内部优先级L0，使得实际内部优先级L0能够体现信息流服务质量需求的同时还保证不同优先级队列按照一定的权重负载均衡。不同内部优先级对应转换单元中的不同优先级队列，协议转换装置对不同内部优先级的信息流提供差异化的协议转换服务，并将该优先级信息和信息流的缓存地址信息传递给门控单元。

所述的实际内部优先级，由第四步更新的内部优先级映射表和第十步的转换单元负载反馈信息共同决定，用于表示信息流在协议转换装置的优先级信息，与转换单元中的优先级队列一一对应。

第七步：如图5所示，门控单元读取存储单元中的N条信息流的内部优先级和控制字，构建当前时刻的调度问题，其中调度变量为一个周期中转换单元中n个优先级队列的入口门控状态向量x1，x2,…,xn和出口门控状态向量y1,y2,…,yn构成的门控列表G1。将N条信息流的内部优先级L0转化为信息流的确定性通信约束C，其中转换时延约束为C1，冲突避免约束为C2，实时性约束为C3，确定性约束为C4，具体为：

C1：在一个门控周期当中，转换单元的各个优先级队列中的信息流在离开队列之前需要完成原协议与目标协议的转换，信息流进入优先级队列到离开优先级队列的时延要大于预计的原协议与目标协议的转换所需时间

C2：不同优先级队列的信息流，不能够同时离开队列进入转发单元，即不同优先级队列的出口门控状态值不能同时为开

C3：每个信息流在转换单元内的时延包含两个部分，部分Ⅰ为进入转换装置到进入优先级队列的时间，部分Ⅱ为进入优先级队列到出优先级队列的时间，保证所有信息流部分Ⅰ和部分Ⅱ的时延之和在预期范围内。每条信息流进入优先级队列的时间为t_2，离开优先级队列的时间为t_3，信息流在协议转换装置中的预期时延为t_0。需要保证(t_2-t_1)+(t_3-t_2)≤t_0；

C4：对于周期性信息流，保证其多个周期内的传输时延抖动在于其范围之内；周期性信息流经过协议转换装置的转换时延抖动t_jitter要在预期范围t_delay之内

结合当前时刻的门控列表，用求解器求解当前时刻的调度问题并得到可行的增量式的调度方案集合G_feasible，生成信息流进出优先级队列的时刻表和对应的门控列表，从中选择与当前门控列表G0相比变动最小的方案G1，并基于此对转换单元的门控列表进行更新，将门控列表由G0更换为G1，并与信息流的地址信息进行绑定；

所述的门控列表，用于转换单元内部多个优先级队列的入口和出口处的门控管理，控制各个信息流进入和离开对应优先级队列的时间，保障所有数据的转换时延和时延抖动在界限内的同时提升高优先级数据的转换性能，从而满足差异化的转换需求并实现协议的确定性转换。

第七步中在新的信息流到达存储单元后，求解器解得的增量式调度方案与新信息流的内部优先级和当前的门控列表有关，既可以保证转换单元中已有信息流的通信需求，也可以满足新信息流的通信需求。得到增量式调度方案后，依据方案对信息流进出对应优先级队列的规划，对转换单元的门控列表进行更新。得到的新门控列表，用于对转换单元各个优先级队列的状态进行控制，从而保证信息流从进入转换单元到完成协议转换并离开转换单元过程的时延与抖动在预期范围之内。

第八步：更新包含5G、WIA-FA、TSN、EtherNet/IP、Modbus、Profibus和CC-link七种网络协议的协议栈，可以用于解析和重组七种网络协议的信息流。该协议栈存储于转换单元中用于对信息流的协议类型进行转换。转换单元内部设置有多个优先级队列，不同的队列连接有不同的处理器，因此不同队列的任务可以并行处理来完成。

第八步中的协议栈，涵盖了工业现场存在的所有无线/有线网络，转换单元内各个优先级队列通过调用该协议栈可以实现任意两种网络协议之间的转换。

第九步：转换单元根据门控列表G1执行对应动作，每个优先级队列有三个状态，具体为：

状态1：入口门控打开、出口门控关闭，此时该队列根据缓存地址信息从存储单元读取数据。

状态2：入口门控关闭、出口门控打开，此时队列内部的对应信息流传输至转发单元。

状态3：入口门控关闭、出口门控关闭，此时队列根据信息流的word_1和word_2读取其原协议类型和目标协议类型，基于第八步更新的协议栈完成数据的协议转换任务

第十步：转换单元接收来自转换单元的信息流，并依据分配的控制字解析其目标网络，具体的，转发单元从转换单元中出口门控状态为1的优先级队列读取对应的信息流，基于信息流的word_2控制字识别其目标网络，对其进行地址映射后转发至对应网络的输出端口。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：工业现场跨网传输信息流通过协议转换装置的输入端口接入装置，信息流包含有线网络信息流和无线网络信息流；有线网络信息流通过网卡接入，无线网络信息流通过无线模块接入；

第二步：信息流进入装置时，输入端口为其打上入口时间戳t_1，用于计算信息流从进入协议转换装置到进入优先级队列的时延；

第三步：输入端口识别信息流协议类型，读取其流量特征，并分配对应的控制字；

第四步：更新存储单元中对应信息流服务质量需求的协议转换装置内部优先级映射表；

第五步：存储单元从输入端口读取带有控制字的信息流，解析其服务质量需求并基于更新好的优先级映射表为信息流分配预设优先级；

第六步：存储单元从转换单元读取负载反馈信息，对信息流的预设优先级进行动态调整，并为其分配实际内部优先级；

第七步：门控单元读取存储单元的信息流内部优先级信息，将其转化为信息流的确定性通信约束，构造对应的调度问题，结合当前时刻的门控列表，通过求解器求得满足信息流确定性通信约束的增量式调度方案，生成对应调度方案的信息流进出优先级队列的时刻表，并基于此对转换单元的门控列表进行更新；

第八步：更新转换单元中对应工业现场多种有线/无线网络的协议栈；

第九步：转换单元内部的各个优先级队列依据门控列表执行对应动作，包括读取数据、转换数据和输出数据；

第十步：转发单元接收来自转换单元的输出数据，基于控制字解析其目标网络，对其进行地址映射后将信息流转发至对应网络的输出端口；

所述第七步中门控单元读取信息流内部优先级信息后，将其转换为确定性通信约束，具体包括：

转换时延约束：在一个门控周期当中，转换单元的各个优先级队列中的信息流在离开队列之前需要完成原协议与目标协议的转换；

冲突避免约束：不同优先级队列的信息流，不能够同时离开队列进入转发单元；

实时性约束：设信息流依照门控列表进入优先级队列的时刻为t_2，离开优先级队列的时刻为t_3，预期转换时延上界为t_0，要保证信息流从进入转换装置到离开转换单元的时间在预期时延上界内，即(t_2-t_1)+(t_3-t_2)≤t_0；

确定性约束：周期性信息流的时延抖动在预期范围之内；

第九步中的转换单元的各个优先级队列具有三个状态，分别对应三种动作，具体为：

状态1：入口门控打开、出口门控关闭，此时该队列根据缓存地址信息从存储单元读取数据；

状态2：入口门控关闭、出口门控打开，此时队列内部的对应信息流传输至转发单元；

状态3：入口门控关闭、出口门控关闭，此时队列根据数据的控制字读取其原协议类型和目标协议类型，基于更新的协议栈完成数据的协议转换任务。

2.根据权利要求1所述的一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于：第三步中所述的流量特征包括流量类型、时延上界、抖动容忍上界、优先级；所述分配的控制字包含的信息包括信息流的原协议和目标协议类型，流量类型、时延上界、抖动容忍上界和优先级。

3.根据权利要求1所述的一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于：所述第四步中更新的协议转换装置内部优先级映射表，由信息流的通信服务质量需求与转换单元内部的优先级队列之间的对应关系构成，用于在第五步中为具有不同需求的信息流分配差异化的预设优先级。

4.根据权利要求1所述的一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于：所述第六步中，实际内部优先级，由第四步更新的内部优先级映射表和第十步的转换单元负载反馈信息共同决定，用于表示信息流在协议转换装置的优先级信息，与转换单元中的优先级队列一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于：所述第七步中在新的信息流到达存储单元后，门控单元读取信息流的内部优先级信息并求解得到增量式调度方案，依据方案对信息流进出对应优先级队列的规划，对转换单元的门控列表进行更新；得到的新门控列表，用于对转换单元各个优先级队列的状态进行控制，从而保证信息流从进入转换单元到完成协议转换并离开转换单元过程的时延与抖动在预期范围之内。

6.根据权利要求1所述的一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于：所述第八步中的协议栈，包括工业现场存在的所有无线/有线网络，转换单元内各个优先级队列通过调用该协议栈实现任意两种网络协议之间的转换。

7.根据权利要求1所述的一种工业异构网络协议确定性转换方法，其特征在于：第十步中转换单元在一个时刻只能接收来自一个优先级队列的信息，并依据分配的控制字解析其目标网络，进行对应的地址映射后将信息流转发至对应网络的输出端口。

8.一种使用了如权利要求1-7任一项所述的方法的工业异构网络确定性协议转换装置，其特征在于包括输入端口、存储单元、门控单元、转换单元和转发单元，

所述输入端口包括网卡和无线模块，用于不同的工业协议信息流进入协议转换装置；

所述存储单元用于缓存数据并识别其数据帧，基于数据的通信需求和转换单元的负载反馈对数据进行优先级分配；

所述门控单元负责设计门控列表，用于控制转换单元内部不同优先级队列的接收数据与发送数据的时刻；

所述转换单元用于将不同优先级队列内的数据从原协议类型转换为目标协议类型；

所述转发单元通过地址映射，将数据转发至目标网络。

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