CN114390009A - 一种时间敏感网络中的数据处理方法及装置 - Google Patents

一种时间敏感网络中的数据处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时间敏感网络中的数据处理方法及装置，属于网络通信系统领域，涉及网络通信中的确定性网络的数据处理技术。它采用本地设备的时钟信息,在与全网时间系统不同步的条件下，实现数据从交换设备的一个端口到另外一个端口的确定性延时传输处理。本发明具有以下优点：在终端设备满足TSN网络业务调度不冲突的条件下，交换设备不需要与终端设备进行时间同步，即可实现确定性的交换延时处理，时延确定性高，实现简单，特别适用于工业互联网的交换设备和通信网的确定性延时交换设备设计领域。

Description

一种时间敏感网络中的数据处理方法及装置
技术领域
本发明属于网络通信系统领域，具体在时间敏感网络和确定性网络中，实现确定性的交换设备设计，特别适用于工业互联网和确定性网络的交换设备设计领域。
背景技术
确定性网络的标准体系制定组织主要包括IEEE 802.1TSN，IEC(InternationalElectrical Commission,简称IEC)和IETF(Internet Engineering Task Force)Detnet工作组。
IEEE802.1工作组在2015年成立了TSN任务组，定义TSN用于不同垂直行业的应用类标准，如已经完成的802.1CM项目定义了TSN应用于移动前传网络的标准；2018年由IEC和IEEE联合立项了P60802工作组，目标是定义TSN应用于工业自动化网络的方案类标准；2019年新立项的IEEE 802.1DF工作组，目标是定义TSN应用于服务提供网络的方案类标准；2019年新立项的IEEE 802.1DG工作组，目标是定义TSN应用于车载网络的方案类标准等；
IEC在2017年起开始投入时间敏感网络(TSN)技术在工业领域的应用研究，IECSC65C/MT9与IEEE802成立60802工作组，开始制定《用于工业自动化的时间敏感网络(TSNIA)行规》国际标准；2019年开始，IEC EE(IEC System of Conformity AssessmentSchemes for Electrotechnical Equipment and Components)工作组致力于进行时间敏感网络一致性测试服务(TSN Conformance Test Service)，目前主要包括进行一致性测试过程的定义(包括：与其他组织的连接和协作)，测试实验室认定结果的定义(例如:确认测试在不同的测试实验室使用不同的硬件/软件生成相同并且可重复的结果)以及测试计划的创建等工作。
IETF是在2015年成立了确定性网络(Detnet)工作组，与负责第2层操作的IEEE802.1时间敏感网络(TSN)合作，为第2层和第3层定义通用架构，致力于在第2层桥接段和第3层路由段上建立确定性数据路径，这些路径可以提供延迟、丢包和数据包延迟变化(抖动)以及高可靠性的界限。本发明就是解决交换设备数据包延迟如何确定的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于避免上述背景技术中的不足之处而提出一种时间敏感网络中的数据处理方法及装置。本发明具有不需要进行时间同步条件下，可实现时延延时小，抖动小，并可在一定范围内控制延时大小的特点，特别适合于对时延要求敏感的确定性网络中，实现数据交换的场景。
为了达到上述要求，本发明采取的设计方案是：
一种时间敏感网络中的数据处理方法，包括以下过程：
(1)输入接口处理模块接收网络数据，并进行分流处理，将接收的网络数据分为TSN业务数据流和非TSN业务数据流；
(2)输入接口处理模块将TSN业务数据流和非TSN业务数据流进行数据分流缓冲，TSN业务数据流缓冲时记录接收时刻的时间信息T1，非TSN数据流缓冲时不记录时间信息；其中，T1时间信息为接收到TSN业务数据流第一个比特时刻的时间；
(3)输入接口处理模块将分流缓冲后的数据根据数据特性进行处理，TSN业务数据流和时间信息T1送入TSN交换平面，非TSN业务数据流送入普通交换平面；
(4)在TSN交换平面上，同时将数据流和数据接收的时间信息T1发送到输出接口处理模块；在普通交换平面上，只将数据流发送到输出接口处理模块；
(5)在输出接口处理模块上，分别将TSN交换平面和普通交换平面的数据业务对应缓冲在TSN缓冲区和普通缓冲区；
(6)在输出接口处理模块上，根据数据接收的时间信息T1和数据设备当前的时间值T，计算当前数据时延τ＝T-T1，当τ>M时，执行步骤(7)，当τ＜M且τ>M-T2时，执行步骤(8)；其中，M为网络延时的配置值，T2为TSN业务数据保护时间；
(7)将TSN缓冲区和普通缓冲区的数据分别进行数据复接，并输出；在数据复接时，TSN业务数据流的数据的优先级大于非TSN业务数据流的优先级，TSN业务数据流具有优先发送的能力；
(8)如果普通缓冲区数据在进行复接输出，则根据当前剩余发送字节数量控制普通缓冲区进行区分处理，否则，屏蔽普通缓冲区，等待TSN缓冲区数据复接输出完毕后再复接处理普通缓冲区数据。
其中，步骤(8)中根据当前剩余发送字节数量控制普通缓冲区进行区分处理，具体为：
普通缓冲区数据在复接发送状态时，判断剩余字节是否超过设定字节数，如果是，则普通缓冲区数据停止复接处理，并记录相关的发送位置；否则，普通缓冲区数据继续进行复接，完成一次普通数据发送过程。
一种时间敏感网络中的数据处理装置，包括输入接口处理模块、交换处理模块和输出接口处理模块；输入接口处理模块包括MAC层数据分流处理模块、TSN输入缓冲区和普通输入缓冲区；交换处理模块包括TSN交换平面和普通交换平面；输出接口处理模块包括TSN输出缓冲区、普通输出缓冲区、输出调度模块和MAC层数据复接处理模块；
MAC层数据分流处理模块用于接收网络数据，将接收的网络数据分为TSN业务数据流和非TSN业务数据流，将TSN业务数据流存入TSN输入缓冲区，将非TSN业务数据流存入普通输入缓冲区；
TSN输入缓冲区用于在接收到TSN业务数据流时，记录接收时刻的时间信息T1，并将数据和时间信息T1进行存贮并同时发送至TSN交换平面；
普通输入缓冲区用于在接收到非TSN业务数据流时，将数据进行存贮并发送至普通交换平面；
TSN交换平面用于同时将TSN业务数据流和数据接收的时间信息T1发送到TSN输出缓冲区；
普通交换平面用于将非TSN业务数据流发送到普通输出缓冲区；
TSN输出缓冲区用于根据时间信息T1和数据设备当前的时间值T，计算当前数据时延τ＝T-T1，当τ>M时，发送请求到MAC层数据复接处理模块，并根据MAC层数据复接处理模块的要求发送TSN业务数据流到MAC层数据复接处理模块，同时将数据发送状态发送到输出调度模块；当τ＜M且τ>M-T2时，发送业务即将发送预告到输出调度模块；其中M为网络延时的配置值，T2为TSN业务数据保护时间；
普通输出缓冲区用于通过输出调度模块将输出请求发送到MAC层数据复接处理模块，并根据MAC层数据复接处理模块的要求发送非TSN业务数据流到MAC层数据复接处理模块；还用于在TSN数据有发送请求时，根据自身发送数据的剩余字节确定是否终止发送，如果剩余字节超过设定字节数，则停止发送数据流到MAC层数据复接处理模块，并记录相关的发送位置，否则，继续发送数据；
输出调度模块用于接收普通输出缓冲区的输出请求，并根据当前TSN输出缓冲区的状态，确定是否发送请求到MAC层数据复接处理模块，当TSN输出缓冲区在发送TSN数据流和接收到TSN输出缓冲区的业务即将发送预告时，屏蔽普通输出缓冲区的输出请求；
MAC层数据复接处理模块用于在接收到TSN输出缓冲区和普通输出缓冲区的请求后，发送允许信号给TSN数据缓冲区和普通输出缓冲区，并对接收数据进行复接输出。
其中，MAC层数据复接处理模块中数据每次从接收到发送的时间不确定性小于4个时钟周期；在数据复接时，从接收数据到开始在发送接口上发送数据的时间不大于100时钟周期。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明与IEEE802.1QAV，IEEE802.1QBV，IEEE802.1QCV相比，实现的延时控制更加稳定，时延确定性提高，延时可控性提高。
2、本发明相比当前的标准，设计更加简单，由于不需要进行时间同步，交换设备的交换处理单元更加简洁，实现复杂度降低。
3、本发明采用双平面交换技术，使得时间敏感业务的延时可控性更好，时间敏感业务与普通业务的隔离性更好。
4、本发明由于交换的延时确定性不依赖于系统时间，且时延固定，使得时间敏感系统在进行网络资源调配时更加方便，简洁。
5、本发明不同分组长度的数据经过交换设备时，时延固定，解决了IEEE802.1X标准中不同长度经过交换设备延时不确定的问题,实际测试结果表明，以太网不同长度的数据报文时延一致，延时时间可配置，时延的抖动小于100ns，远远优于当前的技术标准。
6、本发明应用于工业互联网，工业控制领域，车载电子系统领域，火车内部网络，轮船内部网络等各种应用环境，具有兼容性好，可靠性高，延时确定等优点。
附图说明
图1为本发明的交换架构设计示意图。
具体实施方式
参照图1，一种时间敏感网络(TSN)中的数据处理方法，其处理过程如下：
(1)输入接口处理模块接收网络数据，并进行分流处理，将接收的网络数据分为TSN业务数据流和非TSN业务数据流；
(2)输入接口处理模块将TSN业务数据流和非TSN业务数据流进行数据分流缓冲，TSN业务数据流缓冲时记录接收时刻的时间信息T1，非TSN数据流缓冲时不记录时间信息；其中，T1时间信息为接收到TSN业务数据流第一个比特时刻的时间；
(3)输入接口处理模块将分流缓冲后的数据根据数据特性进行处理，TSN业务数据流和时间信息T1送入TSN交换平面，非TSN业务数据流送入普通交换平面；
(4)在TSN交换平面上，同时将数据流和数据接收的时间信息T1发送到输出接口处理模块；在普通交换平面上，只将数据流发送到输出接口处理模块；
(5)在输出接口处理模块上，分别将TSN交换平面和普通交换平面的数据业务对应缓冲在TSN缓冲区和普通缓冲区；
(6)在输出接口处理模块上，根据数据接收的时间信息T1和数据设备当前的时间值T，计算当前数据时延τ＝T-T1，当τ>M时，执行步骤(7)，当τ＜M且τ>M-T2时，执行步骤(8)；其中，M为网络延时的配置值，T2为TSN业务数据保护时间；
(7)将TSN缓冲区和普通缓冲区的数据分别进行数据复接，并输出；在数据复接时，TSN业务数据流的数据的优先级大于非TSN业务数据流的优先级，TSN业务数据流具有优先发送的能力；
(8)如果普通缓冲区数据在进行复接输出，判断剩余字节是否超过设定字节数，如果是，则普通缓冲区数据停止复接处理，并记录相关的发送位置；否则，普通缓冲区数据继续进行复接，完成一次普通数据发送过程。如果普通缓冲区数据没有在进行复接输出，则屏蔽普通缓冲区，等待TSN缓冲区数据复接输出完毕后再复接处理普通缓冲区数据。
一种时间敏感网络中的数据处理装置，包括输入接口处理模块、交换处理模块和输出接口处理模块；输入接口处理模块包括MAC层数据分流处理模块、TSN输入缓冲区和普通输入缓冲区；交换处理模块包括TSN交换平面和普通交换平面；输出接口处理模块包括TSN输出缓冲区、普通输出缓冲区、输出调度模块和MAC层数据复接处理模块；
MAC层数据分流处理模块用于接收网络数据，将接收的网络数据分为TSN业务数据流和非TSN业务数据流，将TSN业务数据流存入TSN输入缓冲区，将非TSN业务数据流存入普通输入缓冲区；
TSN输入缓冲区用于在接收到TSN业务数据流时，记录接收时刻的时间信息T1，并将数据和时间信息T1进行存贮并同时发送至TSN交换平面；
普通输入缓冲区用于在接收到非TSN业务数据流时，将数据进行存贮并发送至普通交换平面；
TSN交换平面用于同时将TSN业务数据流和数据接收的时间信息T1发送到TSN输出缓冲区；
普通交换平面用于将非TSN业务数据流发送到普通输出缓冲区；
TSN输出缓冲区用于根据时间信息T1和数据设备当前的时间值T，计算当前数据时延τ＝T-T1，当τ>M时，发送请求到MAC层数据复接处理模块，并根据MAC层数据复接处理模块的要求发送TSN业务数据流到MAC层数据复接处理模块，同时将数据发送状态发送到输出调度模块；当τ＜M且τ>M-T2时，发送业务即将发送预告到输出调度模块；其中M为网络延时的配置值，T2为TSN业务数据保护时间；
普通输出缓冲区用于通过输出调度模块将输出请求发送到MAC层数据复接处理模块，并根据MAC层数据复接处理模块的要求发送非TSN业务数据流到MAC层数据复接处理模块；还用于在TSN数据有发送请求时，根据自身发送数据的剩余字节确定是否终止发送，如果剩余字节超过设定字节数，则停止发送数据流到MAC层数据复接处理模块，并记录相关的发送位置，否则，继续发送数据；
输出调度模块用于接收普通输出缓冲区的输出请求，并根据当前TSN输出缓冲区的状态，确定是否发送请求到MAC层数据复接处理模块，当TSN输出缓冲区在发送TSN数据流和接收到TSN输出缓冲区的业务即将发送预告时，屏蔽普通输出缓冲区的输出请求；
MAC层数据复接处理模块用于在接收到TSN输出缓冲区和普通输出缓冲区的请求后，发送允许信号给TSN数据缓冲区和普通输出缓冲区，并对接收数据进行复接输出。
其中，MAC层数据复接处理模块中数据每次从接收到发送的时间不确定性小于4个时钟周期；在数据复接时，从接收数据到开始在发送接口上发送数据的时间不大于100时钟周期。

Claims (4)

1.一种时间敏感网络中的数据处理方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)输入接口处理模块接收网络数据，并进行分流处理，将接收的网络数据分为TSN业务数据流和非TSN业务数据流；
(2)输入接口处理模块将TSN业务数据流和非TSN业务数据流进行数据分流缓冲，TSN业务数据流缓冲时记录接收时刻的时间信息T1，非TSN数据流缓冲时不记录时间信息；其中，T1时间信息为接收到TSN业务数据流第一个比特时刻的时间；
(3)输入接口处理模块将分流缓冲后的数据根据数据特性进行处理，TSN业务数据流和时间信息T1送入TSN交换平面，非TSN业务数据流送入普通交换平面；
(4)在TSN交换平面上，同时将数据流和数据接收的时间信息T1发送到输出接口处理模块；在普通交换平面上，只将数据流发送到输出接口处理模块；
(5)在输出接口处理模块上，分别将TSN交换平面和普通交换平面的数据业务对应缓冲在TSN缓冲区和普通缓冲区；
(6)在输出接口处理模块上，根据数据接收的时间信息T1和数据设备当前的时间值T，计算当前数据时延τ＝T-T1，当τ>M时，执行步骤(7)，当τ＜M且τ>M-T2时，执行步骤(8)；其中，M为网络延时的配置值，T2为TSN业务数据保护时间；
(7)将TSN缓冲区和普通缓冲区的数据分别进行数据复接，并输出；在数据复接时，TSN业务数据流的数据的优先级大于非TSN业务数据流的优先级，TSN业务数据流具有优先发送的能力；
(8)如果普通缓冲区数据在进行复接输出，则根据当前剩余发送字节数量控制普通缓冲区进行区分处理，否则，屏蔽普通缓冲区，等待TSN缓冲区数据复接输出完毕后再复接处理普通缓冲区数据。
2.根据权利要求1所述的时间敏感网络中的数据处理装置，其特征在于，步骤(8)中根据当前剩余发送字节数量控制普通缓冲区进行区分处理，具体为：
普通缓冲区数据在复接发送状态时，判断剩余字节是否超过设定字节数，如果是，则普通缓冲区数据停止复接处理，并记录相关的发送位置；否则，普通缓冲区数据继续进行复接，完成一次普通数据发送过程。
3.一种时间敏感网络中的数据处理装置，其特征在于，包括输入接口处理模块、交换处理模块和输出接口处理模块；输入接口处理模块包括MAC层数据分流处理模块、TSN输入缓冲区和普通输入缓冲区；交换处理模块包括TSN交换平面和普通交换平面；输出接口处理模块包括TSN输出缓冲区、普通输出缓冲区、输出调度模块和MAC层数据复接处理模块；
MAC层数据分流处理模块用于接收网络数据，将接收的网络数据分为TSN业务数据流和非TSN业务数据流，将TSN业务数据流存入TSN输入缓冲区，将非TSN业务数据流存入普通输入缓冲区；
TSN输入缓冲区用于在接收到TSN业务数据流时，记录接收时刻的时间信息T1，并将数据和时间信息T1进行存贮并同时发送至TSN交换平面；
普通输入缓冲区用于在接收到非TSN业务数据流时，将数据进行存贮并发送至普通交换平面；
TSN交换平面用于同时将TSN业务数据流和数据接收的时间信息T1发送到TSN输出缓冲区；
普通交换平面用于将非TSN业务数据流发送到普通输出缓冲区；
TSN输出缓冲区用于根据时间信息T1和数据设备当前的时间值T，计算当前数据时延τ＝T-T1，当τ>M时，发送请求到MAC层数据复接处理模块，并根据MAC层数据复接处理模块的要求发送TSN业务数据流到MAC层数据复接处理模块，同时将数据发送状态发送到输出调度模块；当τ＜M且τ>M-T2时，发送业务即将发送预告到输出调度模块；其中M为网络延时的配置值，T2为TSN业务数据保护时间；
普通输出缓冲区用于通过输出调度模块将输出请求发送到MAC层数据复接处理模块，并根据MAC层数据复接处理模块的要求发送非TSN业务数据流到MAC层数据复接处理模块；还用于在TSN数据有发送请求时，根据自身发送数据的剩余字节确定是否终止发送，如果剩余字节超过设定字节数，则停止发送数据流到MAC层数据复接处理模块，并记录相关的发送位置，否则，继续发送数据；
输出调度模块用于接收普通输出缓冲区的输出请求，并根据当前TSN输出缓冲区的状态，确定是否发送请求到MAC层数据复接处理模块，当TSN输出缓冲区在发送TSN数据流和接收到TSN输出缓冲区的业务即将发送预告时，屏蔽普通输出缓冲区的输出请求；
MAC层数据复接处理模块用于在接收到TSN输出缓冲区和普通输出缓冲区的请求后，发送允许信号给TSN数据缓冲区和普通输出缓冲区，并对接收数据进行复接输出。
4.根据权利要求3所述的一种时间敏感网络中的数据处理装置，其特征在于，MAC层数据复接处理模块中数据每次从接收到发送的时间不确定性小于4个时钟周期；在数据复接时，从接收数据到开始在发送接口上发送数据的时间不大于100时钟周期。
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