CN114666280A - 基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法，属于工业互联网领域，解决工业网络中不同优先级数据同时传输时的时延优化问题。提出的在TSSDN框架下的E‑TAS算法在单节点调度模型中能有效的进行网络调度整形，有效的减少节点调度时延，特别是针对优先级较高的队列，时延得到了很好地优化。同时在网络模型中，使用基于时延的Dijkstra路由选择算法可以很好地对整个网络的时延进行了优化。通过缩短排队时延和传播时延使工业互联网的整体时延得到了优化。

Description

基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法
技术领域
本发明涉及工业互联网领域，尤其涉及一种基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法。
背景技术
随着大型工业园区的建设和智能制造的发展，工业互联网被逐渐应用于工业生产体系中。工业互联网的本质和核心是通过平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。可以帮助制造业拉长产业链，形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提高效率，推动制造服务体系智能化。在工业实时控制系统中，为了满足自动化控制的实时性需求，物理设备之间的数据通信必须具有较低的通信延迟。智能工厂的工业互联网数据主要分为三类：同步实时数据、非同步实时数据、非实时的其他数据。三类数据优先级和对网络时延的要求依次递减。其中非同步数据是随机性数据，往往是非计划但重要的紧急事件流量。工业互联网中的网络时延构成如下：
端到端总时延＝发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
其中发送时延取决于网络中数据包类型和大小以及网络信道带宽。传播时延主要取决于数据经过网络路径的长短和传输介质。主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，就这产生了处理时延。处理时延由网络中节点设备的物理性能决定。分组在经过网络传输时，会经过许多路由器。分组在进入路由器之前要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。而在工业网络中排队时延和传播时延占据了网络总时延的大部分。所以在算法层面，可以通过改进网络队列调度算法和设计最优路径来缩短这两部分时延。
发明内容
针对如何提高工业互联网的实时性，本发明提出了一种基于时间敏感软件定义网络(Time-sensitive Software-defined Network,TSSDN)的工业互联网时延优化方法，该方法是基于TSSDN框架，针对大规模工业通信网络中存在的不同优先级的数据流量共同传输而导致网络拥塞，时延增大的情况，对数据流量进行分类整形调度和网络总体时延优化。同时利用软件定义网络(Software Defined Network,SDN)数据平面和控制平面分离的优势，通过同时缩短网络的排队时延和传播时延，实现工业网络整体时延的优化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法，该方法是基于TSSDN框架，针对大规模工业通信网络中存在的不同优先级的数据流量共同传输而导致网络拥塞，时延增大的情况，对数据流量进行分类整形调度和网络总体时延优化，其特征主要包括：
在TSSDN框架下，依据国际标准化组织制定的用于计算机或通信系统间互联的OSI七层参考模型，在数据链路层针对不同优先级的数据流量，设计一种E-TAS调度算法，通过调度整形器中的门控列表控制各时间感知门的开闭，将优先级最高的同步实时数据通过带宽预留的方式在时间感知整形器的门状态为开启状态时发送，保证其周期性和时延的确定性，将非同步实时数据在门状态开启时抢占低优先级数据帧进行传输，将非实时数据根据增强的加权轮询EWRR算法的传输规则按数据队列权重进行公平传输，数据队列从节点排队完毕，在网络中传输时，同时在网络层部署基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法，通过在数据链路层缩短网络排队时延，在网络层缩短网络传播时延的协作方式，从而缩短工业网络中端到端总时延。
特别地，所述E-TAS调度算法主要采用TSN协议标准中的IEEE802.1AS协议、IEEE802.1Qbv协议中的时间感知整形器技术、IEEE802.1Qbu协议中的帧抢占机制以及IEEE802.1Qat协议中的带宽预留机制，同时为了保证数据包大小和权重的公平，避免出现低优先级反转的问题，针对低优先级的数据流量采用EWRR算法进行公平传输。
特别地，在TSSDN框架中，控制器采用Ryu控制器，交换机采用支持Openflow协议的SDN交换机，将E-TAS调度算法和基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法共同部署于TSSDN框架的控制平面，通过Openflow协议将算法规则通过流表的形式下发到SDN交换机中，从而控制由SDN交换机组成的网络中的不同类型流量的调度整形。本发明的有益效果：
1本发明以缩短工业网络整体时延为目标，将网络中协议和算法进行跨层协作，有效地缩短了网络总体端到端时延。
2利用E-TAS算法实现了网络中不同优先级数据的严格整形，满足不同优先级数据的时延需求的同时，低优先级数据可以根据权重进行公平传输。
3本发明采用的TSSDN框架，可以将该时延优化方法方便地移植到SDN网络中，从而更加方便地应用于工业通信场景。
附图说明
图1是TSSDN框架下整体系统模型图；
图2是不同类型优先级数据流量在E-TAS算法下的调度模型图；
图3是不同类型优先级数据流量在E-TAS算法下的流程示意图；
图4仿真基于E-TAS算法不同类型优先级数据流量调度时延对比图；
图5仿真跨层协作方法下网络整体时延数据对比图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1给出了TSSDN框架下整体系统模型图，整个系统分为三层：管理平面、控制平面、数据平面。三个平面相互分离，不使用共同的主机资源，在大数据流量、复杂应用环境下数据平面由于承担着繁重的日常任务将可能消耗绝大部分资源，这对于整个交换机系统无疑是灾难性的，因为在某些极端的情况下，控制平面将没有充分的资源来保障运行，这就意味网络设备失去了对设备所处网络环境的真实了解，网络设备将立即陷于非正常工作状态甚至瘫痪状态，而管理人员也没有资源使用管理平面对网络设备的运行进行干预，所以数据平面需要严格地与控制平面、管理平面进行分离。管理平面所要求的系统资源是最低的，分离出一定的系统资源独立运行管理平面并不影响控制平面的运行，反而，是为了更好地保证控制平面的正常运行。因为，在网络环境频繁变动、网络协议剧烈动荡的情况下，控制平面所需要的资源将持续保持在一个极高的水平线，这其实说明了网络设备在该网络情况下是无法适应和正常运行的，管理平面的分离让系统管理员可以在控制平面出现异常状况的时候依然拥有足够资源顺利地打开设备的管理界面，通过改变或终止某个协议、端口的运行来阻止非正常网络环境对网络设备的剧烈影响，最终达到在线改变网络设备控制平面非正常运行的局面，因为控制平面的正常运行是至关重要的。三个平面之间采用端口协议进行通信，通过采用数据平面、控制平面、管理平面相互分离的结构模型，保证了大量的数据处理不影响管理和控制，而在路由和环境复杂条件下，控制平面不影响管理平面，高度保证了系统安全稳定性。管理平面主要是提供给网络管理人员使用TELNET、WEB、SSH、SNMP、RMON等方式来管理设备，并支持、理解和执行管理人员对于网络设备各种网络协议的设置命令。管理平面设置好控制平面中各种协议的相关参数，在必要时刻对控制平面的运行进行干预。控制平面用于控制和管理所有网络协议的运行，本方法中控制平面的控制器采用Ryu控制器，在TSSDN框架中的Ryu控制器可以将交换机的端口信息记录下来，发现全局的拓扑信息。当控制器收到一个未知的ARP请求时，直接发给所有交换机连接主机的那些端口，从而减少了在交换机与交换机间的广播风暴问题。同时Ryu控制器通过LLDP协议进行链路时延探测。链路权重类型设置为时延，Ryu中Network_Delay_Detector模块是一个网络时延探测应用，其在获取到链路时延之后，将时延数据存储到Networkx的图数据结构中，以供其他模块使用。通过设置链路权重参数，Shortest_forwarding应用可以基于时延数据计算最优的转发路径。
本方法中的E-TAS调度整形算法和基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法均部署于控制平面，还有相应的SDN和TSN协议，由控制平面通过Openflow协议下发到数据平面的SDN网关设备。数据平面主要是将TSN相关技术应用和SDN网关设备相结合，将TSN技术承载与SDN网关设备之上，发送方和接收方通过端口和SDN网关设备相连，实现数据流量的整形有序传输和时延优化。
图2所示是不同优先级数据调度整形的模型图。时间敏感网络中用于调度的优先级依据IEEE 802.1Q协议规定设置为0-7共8个优先级。其中我们将同步实时数据优先级设置为最高优先级7，为保证其周期性和时延的确定性，通过带宽预留的方式在时间感知整形器的门状态为开启状态时发送。非同步实时数据优先级设置为6，为保证其实时性，在门状态开启时抢占低优先级数据帧进行传输。优先级为0-5的非实时数据根据EWRR算法的传输规则按队列权重进行公平传输。门状态的开启和关闭由存储于数据库中的门控列表中的8位数据来控制。
其中EWRR算法同时将分组长度和队列的优先级同时考虑，较传统的加权轮询算法更能防止出现低优先级反转的问题，从而保证队列调度的公平性，使不同优先级的队列得到相应的服务时间，保证了不同业务时延要求。其调度算法具体描述如下(以8个队列为例)：
设一个周期分为8个子周期，队列权重值ωi＝i(i＝1,2,…8)，则在一个完整的周期内队列调度顺序如下：
Figure BDA0003540738990000051
调度过程中满足条件：αili＝αjlj(i≠j)
其中αi为整数，表示每个子周期中第i个队列的调度次数，li为该队列的数据分组长度。
该算法实现步骤如下：
步骤1设置一个调度指针；
步骤2指针开始指向位置为第一调度位；每一个调度位设置一个标志位0或1(0表示当前无数据，1表示已发送一个分组数据)；
步骤3在每个子周期，每个包发送后，调度指针指向下一个调度位，该位的位置为1；
步骤4如果此时调度位对应的队列中没有数据分组，则调度指针向下移动一位指向下一个调度位；
步骤5在子周期结束前，如果队列中有对应的数据分组，它们仍然可以被发送。当子周期结束时，子周期中所有标志位1继续调度下一个子周期。
该算法兼具了队列调度的加权公平性，算法复杂度也没有加权公平队列调度算法那么高，占用计算时间和存储空间较少，在实际应用中易于实现。
图3的调度流程图是关于图2模型图的描述。当缓存队列数据存在优先级最高的同步实时数据时，通过带宽预留的方式直接优先发送。然后如果缓存队列中有非同步实时数据流量到来时，对目前发送端口状态进行扫描，如无低优先级数据队列发送时，直接通过端口发送，如存在低优先数据队列时，则打断低优先级发送队列，通过帧抢占的方式进行发送。对于低优先级数据，在缓存队列中无同步实时数据时，6个低优先级队列根据队列权重，采取公平发送的方式进行发送。如端口已无数据时，则广播端口空闲状态。
图4是通过Mininet仿真建立了一个四叉的胖树拓扑图后，模拟将不同优先级数据导入拓扑进行传输从而得到的基于E-TAS算法不同类型优先级数据流量调度时延对比图。由图中可以看出，经过E-TAS算法队列调度整形后，最高优先级的同步实时数据可以获得最短时间的调度服务，时延最短，其余各优先级数据都可以按照算法中描述的那样，随着优先级和队列权重越高，时延越短。
图5是优先级为0-7的所有数据流量在系统中共同传输，网络路由选择算法分别选择生成树协议、传统Dijkstra最短路径算法和基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法的情况下时延数据图。由图中可以看出，选择生成树协议在仿真运行时间40s之前时延最高、时延抖动最大。传统Dijkstra最短路径算法次之。基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法在仿真运行时间40s之前时延最小、时延抖动最小。在仿真运行时间40s系统趋于稳定之后，三种算法的时延值趋于一致。由此看出基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法时延抖动最小，整体时延值最小。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，在本发明技术方法的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法，该方法是基于TSSDN框架，针对大规模工业通信网络中存在的不同优先级的数据流量共同传输而导致网络拥塞，时延增大的情况，对数据流量进行分类整形调度和网络总体时延优化，其特征主要包括：
在TSSDN框架下，依据国际标准化组织制定的用于计算机或通信系统间互联的OSI七层参考模型，在数据链路层针对不同优先级的数据流量，设计一种E-TAS调度算法，通过调度整形器中的门控列表控制各时间感知门的开闭，将优先级最高的同步实时数据通过带宽预留的方式在时间感知整形器的门状态为开启状态时发送，保证其周期性和时延的确定性，将非同步实时数据在门状态开启时抢占低优先级数据帧进行传输，将非实时数据根据增强的加权轮询EWRR算法的传输规则按数据队列权重进行公平传输，数据队列从节点排队完毕，在网络中传输时，同时在网络层部署基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法，通过在数据链路层缩短网络排队时延，在网络层缩短网络传播时延的协作方式，从而缩短工业网络中端到端总时延。
2.根据权利要求1所述的基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法，其主要特征是：所述E-TAS调度算法主要采用TSN协议标准中的IEEE802.1AS协议、IEEE802.1Qbv协议中的时间感知整形器技术、IEEE802.1Qbu协议中的帧抢占机制以及IEEE802.1Qat协议中的带宽预留机制，同时为了保证数据包大小和权重的公平，避免出现低优先级反转的问题，针对低优先级的数据流量采用EWRR算法进行公平传输。
3.根据权利要求1所述的基于时间敏感软件定义网络的工业互联网时延优化方法，其主要特征是：在TSSDN框架中，控制器采用Ryu控制器，交换机采用支持Openflow协议的SDN交换机，将E-TAS调度算法和基于时延的Dijkstra的最短路由选择算法共同部署于TSSDN框架的控制平面，通过Openflow协议将算法规则通过流表的形式下发到SDN交换机中，从而控制由SDN交换机组成的网络中的不同类型流量的调度整形。
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