CN115037616B - 一种基于tssdn网络的确定性流调度及其更新方法 - Google Patents

一种基于tssdn网络的确定性流调度及其更新方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，以TSSDN网络作为基础网络架构，首先本发明使用基于无冲突的ILP模型的流表生成方法，解决了流与流之间因冲突造成的帧丢失的问题，其次本发明使用基于增强型的ILP模型的冲突避免方法，解决了新旧配置之间发生冲突的情况，避免了冲突造成的帧丢失现象。最后当流表生成后，本发明使用批处理更新机制(BPUM)完成了流表的下发，解决了设备与控制机交互次数过多引起的更新持续时间过长的问题，同时用版本号区分新旧配置，对新的流和旧的流进行调度，解决了更新期间配置的不一致问题，保证了确定性传输。

Description

一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法。
背景技术
随着工业物联网(IIoT)和异构网络融合等技术的进步，越来越多的OT设备和IT设备互联在了一起，促进了工业4.0的发展。在工业物联网场景下，面对网络拓扑和工业需求的不断改变，控制器应当生成新的流转发表(流表)，并将其下发到交换机和主机，我们定义这种更新为网络更新。但是在工业物联网中出现网络更新，如果某些设备流转发表更新不及时，数据帧就会被转发到错误的节点，从而增加控制命令在传输过程中的时延，甚至出现丢包的情况。这是工业物联网中时间敏感类业务不能接受的，因为控制命令的作用是控制生产设备的运行，一旦控制命令不能按照预期时间到达设备，将对工业生产的安全和经济安全造成重大隐患。因此如何保证在网络更新期间，时间敏感流传输的确定性成为了一项新的挑战。
目前有很多方法为网络更新提供了思路，用来避免出现更新不一致、路由黑洞、路由环路以及更新循环等问题，其中有序更新和两阶段更新等更新机制最为常见，广泛地应用于基于SDN的网络更新。例如同时存在新旧两种流表的两阶段更新，在第一阶段，新配置被安装在网络的所有交换机和主机中，每个设备都存在新旧两种配置版本；在第二阶段，控制器指示入口交换机开始使用新流表的版本标签，交换机根据附加在数据包上的版本标签决定使用旧的流表还是新的流表进行转发。当携带旧版本标签的数据包从网络中排出后，在交换机上执行垃圾收集，删除重复的转发条目，只留下新配置。由此可知，在这种更新机制中交换机通过帧头部携带的版本标签来判别应该按照新的流表还是旧的流表进行转发，它的这一特点保证了传输的一致性。
虽然两阶段更新机制能够解决由于更新不一致引起数据帧丢失和延迟的问题，但是在目前两阶段更新的研究中，人们只考虑新旧流表同时存在会占用存储资源的问题，并没有考虑到新旧流表之间的依赖关系。按照新流表转发的数据流会与按照旧的流表转发的数据流发生冲突，这种冲突同样会导致数据帧的延迟和丢失，网络的确定性传输就会被破坏。
发明内容
根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供一种确定性传输方案，该方案不仅利用基于ILP模型的流表生成方法为更新的数据流生成一张无冲突的流表，而且通过计算生成流表的更新时刻，以此来实现确定性传输。本发明采用的技术手段如下：
一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，包括以下步骤：
步骤1：根据网络拓扑状态，将数据流初始化生成流转发表；所述流转发表包括：无向图G(V,E)、流的集合F、延迟以及链路带宽
步骤2：判断所述数据流初始化生成的流转发表是否满足网络更新的基本约束；如果不满足则返回步骤1，重新生成流转发表；如果满足，则生成的流转发表满足传输的一致性；
步骤3：判断在网络更新期间是否存在两个及以上的数据流更新；如果存在则进行步骤4；如果不存在则进行步骤8；
步骤4：进一步判断网络更新期间是否存在两个数据流同时更新；如果存在则进行步骤5；如果不存在则进行步骤6；
步骤5：在所述基本约束的基础上，判断同时更新的两个数据流之间是否会发生冲突；在旧的数据流f1和新的数据流同时更新的情况下，没有冲突发生的时，表示为：
其中，表示数据流f1从节点V3发出的时间，f1.src表示数据流f1加入到网络中的初始节点；
且
其中，f1.per代表数据流f1的周期，代表数据流/>的周期；
根据上述定义，对任意两个时间的触发流f1和流如果意两个时间的触发流同时更新，触发流f1和/>在数据流链路[V3,V4]∈L之间没有冲突发生，即等价于：
或者，
判断是否有冲突发生，如果有冲突则返回步骤1，若无冲突则进行步骤8；
步骤6：在所述基本约束的基础上判断是否会发生新旧配置之间的冲突；通过模型计算得出最小更新时间间隔，并生成流表的更新时刻来避免旧配置之间的冲突；
所述更新时刻的计算包括：
1)所述触发流fi和转发到链路[Vk,Vl]的时间差：
且
2)更新时刻与转发时间差之间的关系：
3)避免链路[V3,V4]上冲突的最小更新间隔需满足：
其中，代表最小更新时间间隔；
且
4)对于流f2来说更新的时刻为：
步骤7：定义更新的持续时间为并以min fi.upd为目标函数，使用依据模型改进的禁忌搜索算法对更新时刻进行优化；
步骤8：将步骤1-7生成的无冲突流转发表T封装到批处理控制分组G中；
步骤9：根据网络拓扑和更新一致性后生成的流更新列表L，批处理控制分组G按照流更新列表L依次向下转发，经过所有需要更新的节点Ni，并且避免路由黑洞和路由环路的出现；
步骤10：节点接收到批处理控制分组G后，判断其需要执行的是更新操作还是仅转发操作；
步骤11：如果节点仅执行转发操作，则执行步骤9；如果节点需要执行流表T的更新，则从批处理控制分组中获得相应的新流表G，然后将原控制分组中该项流表T删除以减小控制分组G的大小，然后执行步骤9；
步骤12：如果该节点是流更新列表的最后一个节点Nlength+1，则向控制器发送确认消息ACK；
步骤13：所述控制器按照步骤7计算得出更新时刻，以时间触发的方式控制入口交换机开始使用新的流表T进行流的转发；
步骤14：在经过一个端到端延迟f.del后，更新完成。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种基于无冲突的ILP模型的流表生成方法，考虑了网络更新过程中必须满足的基本约束，避免了数据流冲突导致的工业控制数据丢失和延迟的问题；同时又提出了一种基于增强型ILP模型的冲突避免方法，来确保网络更新期间的确定性。这种方法对数据流更新期间可能发生的冲突进行了定义，并通过约束条件避免冲突的出现。此外如果网络更新不是同时发生，新旧配置的依赖关系没有被考虑也会引起冲突。因此采用增强型ILP模型生成控制数据流更新的时刻，合理的更新时间间隔可以避免冲突。采用批处理更新机制(BPUM)与时间触发的两阶段更新机制相结合来实现整个网络的更新，批处理更新机制减少了控制器与交换机的交互次数，以确定性的方式实现流表的下发，时间触发的两阶段更新机制保证更新期间的配置一致性。整体通过冲突避免满足了控制数据流对延迟和抖动的严格要求，实现了网络更新期间的确定性传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明工业物联网背景下的TSSDN网络架构拓扑图。
图2为本发明整体流程示意图。
图3为本发明流f1与流传输时间重叠导致[V3,V4]链路发生冲突示意图。
图4为本发明未考虑新旧配置之间依赖关系导致[V3,V4]链路发生冲示意图，其中(a)为f1先更新，f2没有更新；(b)为在旧的流f1没有排净时，对f2进行更新。
图5为本发明根据模型改进的禁忌搜索算法。
图6为本发明批处理更新机制BPUM流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-6所示，本发明提供了一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，包括以下步骤：
步骤1：根据网络拓扑状态，将数据流初始化生成流转发表；所述流转发表包括：无向图G(V,E)、流的集合F、延迟以及链路带宽作为优选的实施方式，在本申请中，上述数据都是网络的基本属性和数据流的属性，是要根据实际网络情况输入进去的，然后根据这些数据，生成流转发表。
步骤2：判断所述数据流初始化生成的流转发表是否满足网络更新的基本约束；如果不满足则返回步骤1，重新生成流转发表；如果满足，则生成的流转发表满足传输的一致性；
步骤3：判断在网络更新期间是否存在两个及以上的数据流更新；如果存在则进行步骤4；如果不存在则进行步骤8；
步骤4：进一步判断网络更新期间是否存在两个数据流是否同时更新；如果存在则进行步骤5；如果不存在则进行步骤6；
步骤5：在所述基本约束的基础上，判断同时更新的两个数据流之间是否会发生冲突；在旧的数据流f1和新的数据流同时更新的情况下，没有冲突发生的时，表示为：
其中，表示数据流f1从节点V3发出的时间，f1.src表示数据流f1加入到网络中的初始节点；
且
其中，f1.per代表数据流f1的周期，代表数据流/>的周期；
根据上述定义，对任意两个时间的触发流f1和流如果意两个时间的触发流同时更新，触发流f1和/>在数据流链路[V3,V4]∈L之间没有冲突发生，即等价于：
或者，
判断是否有冲突发生，如果有冲突则返回步骤1，若无冲突则进行步骤8；
步骤6：在所述基本约束的基础上判断是否会发生新旧配置之间的冲突；通过模型计算得出最小更新时间间隔，并生成流表的更新时刻来避免旧配置之间的冲突；根据步骤6里面的得到的最小更新间隔来生成流表的更新时刻。即第一个流更新之后，第二个流最少要间隔/>否则就会发生冲突。作为优选的适时调节在本申请中，提到的基本约束包括：
1)流周期约束：对于每个流，源设备的发送时间应该小于其周期；
2)端到端传输时延约束：对于每个流，所有帧都必须在其最晚截至时间到达其目的地；
3)发送顺序约束：帧传输的前提是帧已经到达，即帧在数据流链路[Vk,Vl]在Vl的发送时间必须大于Vk的发送时间；
4)无发送时间重叠约束：在每一段链路上，任意两个流的发送时间不能重叠，避免拥塞；
5)链路带宽约束：每段链路上所有流占用的带宽不能超过链路容量：
其中，N为链路上流的数量。
作为一种优选的实施方式，在本申请中，更新时刻的计算包括：
1)所述触发流fi和转发到链路[Vk,Vl]的时间差：
且
2)更新时刻与转发时间差之间的关系：
3)避免链路[V3,V4]上冲突的最小更新间隔需满足：
其中，代表最小更新时间间隔；
且
4)对于流f2来说更新的时刻为：
步骤7：定义更新的持续时间为并以min fi.upd为目标函数，使用依据模型改进的禁忌搜索算法对更新时刻进行优化；f1.upd表示更新持续时间，min fi.upd即为最小化更新持续时间。所述优化过程包含以下步骤：
步骤S71：在数据流到达入口交换机之前的时间内模型随机生成一个更新时刻t，并判断是否满足流表生成前的基本约束和网络更新时避免冲突的约束；如不满足对应的约束条件，则重新生成一个更新时刻t，直到所述时刻t满足所有约束条件；然后设置当前解为i，使i＝t；初始化迭代次数k，创建禁忌表H，设置最优解s为初始解i；
步骤S72：以迭代次数k作为探索结束的条件，未到达迭代次数上限则继续，否则迭代终止，最优解s为整个算法的最优化结果；
步骤S73：在解i的附近区域，除去禁忌表H中的内容，设为解i的邻域N；
步骤S74：在解i的邻域N内筛选满足所有约束条件的解归为解集A；
步骤S75：计算解集A中所有解的更新持续时间upd，以最小值所对应的解设为解j，并把j赋给i，同时该解也加入禁忌表H中，避免重复搜索；
步骤S76：判断新的解i与当前最优解s的更新持续时间upd长短，如新的解i优于当前最优解s，则把解i赋给s作为新的最优解s，否则不进行操作；
步骤S77：一次搜索过程结束，迭代次数k增加，返回步骤2。
在无冲突流表生成完成后，第二部分的批处理更新机制BPUM与两阶段更新机制相结合的方式完成了流表的下发，批处理更新机制可以实现控制器与交换机更少的交互。为将所有的生成的无冲突流表用特殊的批处理控制分组传输，流表下发完成后，网络中所有需要更新的设备同时存在新旧两种流表，根据帧的头部附带的版本号进行流表区分。两阶段更新支持同时存在新旧两种流表，可以避免流表由更新配置不一致导致的帧丢失和延迟等问题，流表下发包含以下步骤：
步骤8：将步骤1-7生成的无冲突流转发表T封装到批处理控制分组G中；作为优选的，在本申请中流转发表是通过步骤1中生成的，但刚生成的可能会发生冲突，于是通过步骤2-7又对流转发表进行了修改，目的是避免冲突。
步骤9：根据网络拓扑和更新一致性后生成的流更新列表L，批处理控制分组G按照流更新列表L依次向下转发，经过所有需要更新的节点Ni，并且避免路由黑洞和路由环路的出现；作为优选的实施方式，生成的流更新列表步骤8中提到的控制分组G，应该按照怎样的顺序进行转发，先发送给A，再转发给B，再转发给C，目的是有一个顺序，不会出现B还没更新，C已经更新完的情况。
步骤10：节点接收到批处理控制分组G后，判断其需要执行的是更新操作还是仅转发操作；这里所说的节点可以为交换机等。同时，这里判断的依据在数据帧里，根据数据帧里的字段判断它应该如何操作，如果字段表明他需要更新，他就读取数据部分的流转发表，如果只是转发，他就更改一下帧头部的内容转发即可，不需要读取流转发表。
步骤11：如果节点仅执行转发操作，则执行步骤9；如果节点需要执行流表T的更新，则从批处理控制分组中获得相应的新流表G，然后将原控制分组中该项流表T删除以减小控制分组G的大小，然后执行步骤9；
步骤12：如果该节点是流更新列表的最后一个节点Nlength+1，则向控制器发送确认消息ACK；
步骤13：所述控制器按照步骤7计算得出更新时刻，以时间触发的方式控制入口交换机开始使用新的流表T进行流的转发；
步骤14：在经过一个端到端延迟f.del后，更新完成。
本发明应用在工业物联网的场景，具体的场景示意图如图1所示，使用集中控制的时间敏感软件定义网络作为其网络架构，其中位于控制层面的中央控制器融合网络信息,并生成流表作为帧转发的规则，以避免冲突。然后控制器通过OpenFlow协议将这些规则应用于交换机和终端系统。位于数据层面的TSN交换机根据这些更新的规则转发帧，整个数据转发层面的时间敏感特性依赖TSN协议簇中的gPTP协议，实现时钟的精确同步。
表一所示为模型的基本术语，网络的物理拓扑可以形象地建模为无向图G(V,E)，其中V是所有交换机和主机的集合，并且E＝{(V1,V2)|V1,V2∈V}表示链接设备的元组集合。两个顶点之间的物理连接实际上定义了两个定向的数据流链路，它的集合用L表示所述模型的基本定义还包括：
1)网络中所有流的集合F定义为一个流fi表示为
fi＝{fi.per,fi.len,fi.eed,fi.src,fi.des,fi.V,fi.lr,fi.ut}；
2)时间触发的流转发表T为
3)第n周期的帧从Vk发送的出发时间为
4)帧在到达目的地的过程中，可能会存在的延迟包括：处理延迟Dexec、队列延迟Dque、发送延迟Dsend和传输延迟Dtran；
在调度没有发送时间重叠的TT流时，队列延迟Dque被认为是确定性的；则总延时为
5)流平面顶点Vl的精确到达时间为
表一模型的基本术语
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据网络拓扑状态，将数据流初始化生成流转发表；
步骤2：判断所述数据流初始化生成的流转发表是否满足网络更新的基本约束；如果不满足则返回步骤1，重新生成流转发表；如果满足，则生成的流转发表满足传输的一致性；
步骤3：判断在网络更新期间是否存在两个及以上的数据流更新；如果存在则进行步骤4；如果不存在则进行步骤8；
步骤4：判断网络更新期间是否存在两个数据流同时更新；如果存在则进行步骤5；如果不存在则进行步骤6；
步骤5：在所述基本约束的基础上，判断同时更新的两个数据流之间是否会发生冲突；判断是否有冲突发生，如果有冲突则返回步骤1，若无冲突则进行步骤8；
步骤6：在所述基本约束的基础上判断是否会发生新旧配置之间的冲突；通过模型计算得出最小更新时间间隔，并生成流表的更新时刻来避免旧配置之间的冲突；
步骤7：定义更新的持续时间，并以min fi.upd为目标函数，使用依据模型改进的禁忌搜索算法对更新时刻进行优化；
步骤8：将步骤1-7生成的无冲突流转发表T封装到批处理控制分组G中；
步骤9：根据网络拓扑和更新一致性后生成的流更新列表L，批处理控制分组G按照流更新列表L依次向下转发，经过所有需要更新的节点Ni，并且避免路由黑洞和路由环路的出现；
步骤10：节点接收到批处理控制分组G后，判断其需要执行的是更新操作还是仅转发操作；
步骤11：如果节点仅执行转发操作，则执行步骤9；如果节点需要执行无冲突流转发表T的更新，则从批处理控制分组中获得相应的控制分组G，然后将原控制分组中无冲突流转发表T删除以减小控制分组G的大小，然后执行步骤9；
步骤12：如果该节点是流更新列表的最后一个节点Nlength+1，则向控制器发送确认消息ACK；
步骤13：所述控制器按照步骤7计算得出更新时刻，以时间触发的方式控制入口交换机开始使用新的无冲突流转发表T进行流的转发；
步骤14：在经过一个端到端延迟f.del后，更新完成；
所述基本约束包括：
1)流周期约束：对于每个流，源设备的发送时间应该小于其周期；
2)端到端传输时延约束：对于每个流，所有帧都必须在其最晚截至时间到达其目的地；
3)发送顺序约束：帧传输的前提是帧已经到达，即帧在数据流链路[Vk,Vl]在Vl的发送时间必须大于Vk的发送时间；
4)无发送时间重叠约束：在每一段链路上，任意两个流的发送时间不能重叠，避免拥塞；
5)链路带宽约束：每段链路上所有流占用的带宽不能超过链路容量：
其中，N为链路上流的数量。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，其特征在于，所述优化过程包含以下步骤：
步骤71：在数据流到达入口交换机之前的时间内模型随机生成一个更新时刻t，并判断是否满足流表生成前的基本约束和网络更新时避免冲突的约束；如不满足对应的约束条件，则重新生成一个更新时刻t，直到所述时刻t满足所有约束条件；然后设置当前解为i，使i＝t；初始化迭代次数k，创建禁忌表H，设置最优解s为初始解i；
步骤72：以迭代次数k作为探索结束的条件，未到达迭代次数上限则继续，否则迭代终止，最优解s为整个算法的最优化结果；
步骤73：在解i的附近区域，除去禁忌表H中的内容，设为解i的邻域N；
步骤74：在解i的邻域N内筛选满足所有约束条件的解归为解集A；
步骤75：计算解集A中所有解的更新持续时间upd，以最小值所对应的解设为解j，并把j赋给i，同时该解也加入禁忌表H中，避免重复搜索；
步骤76：判断新的解i与当前最优解s的更新持续时间upd长短，如新的解i优于当前最优解s，则把解i赋给s作为新的最优解s，否则不进行操作；
步骤77：一次搜索过程结束，迭代次数k增加，返回步骤2。
3.据权利要求2所述的一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，其特征在于，
在旧的数据流f1和新的数据流同时更新的情况下，没有冲突发生的时，表示为：
其中，表示数据流f1从节点V3发出的时间，f1.src表示数据流f1加入到网络中的初始节点；
且
其中，f1.per代表数据流f1的周期，代表数据流/>的周期；
根据上述定义，对任意两个时间的触发流f1和流如果意两个时间的触发流同时更新，触发流f1和/>在数据流链路[V3,V4]∈L之间没有冲突发生，即等价于：
或者，
4.据权利要求3所述的一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，其特征在于，所述更新时刻的计算包括：
1)所述触发流fi和转发到链路[Vk,Vl]的时间差：
且
2)更新时刻与转发时间差之间的关系：
3)避免链路[V3,V4]上冲突的最小更新间隔需满足：
其中，代表最小更新时间间隔；
且
4)对于流f2来说更新的时刻为：
5.据权利要求4所述的一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，其特征在于，所述步骤7中，定义的持续时间为：
6.据权利要求5所述的一种基于TSSDN网络的确定性流调度及其更新方法，其特征在于，所述流转发表包括：无向图G(V,E)、流的集合F、延迟以及链路带宽/>
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