CN115174370B - 一种分布式混合数据确定性传输装置及方法 - Google Patents

一种分布式混合数据确定性传输装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式混合数据确定性传输装置及方法，采用数据流作为基本单元，包括发送端、接收端以及多个确定性网络交换设备，所述多个确定性网络交换设备依次连接并位于发送端和接收端之间；所述发送端指定数据传输为周期性或非周期性，并将确定性数据配置信息发送给确定性网络交换设备；所述确定性网络交换设备识别和转发来自发送端的确定性数据配置信息，并进行网络资源配置；所述接收端用于确定性数据的接收和处理，本发明通过分布式的控制装置，简化网络中的配置设备，自动化配置带宽资源，实现数据交换设备的即插即用，有效的实现周期性数据和非周期性数据的共网传输，保障数据传输的实时性和确定性，降低网络部署配置成本。

Description

一种分布式混合数据确定性传输装置及方法
技术领域
本发明涉及确定性网络数据传输的技术领域，具体涉及一种分布式混合数据确定性传输装置及方法。
背景技术
随着工业互联网信息通信技术的快速发展，不同的工业场景的业务流对数据传输协议需求的服务级别也不同。网络的融合技术发展需要网络通信既能满足控制场景下的实时性和可靠性，还能够兼容传统的以太网数据的混合传输，工控数据按照周期性划分，可以分为周期和非周期传输。同步实时流对时延的要求最高主要用于运动控制的周期性发包，其周期一般小于2ms；传输的控制数据需要在一个特定的绝对时间之前抵达对端。事件、配置、状态监控、Best Effort类无时延特定要求；音频和视频类主要是依赖于帧率和采样率相比同步实时类数据传输时延需求较低。
不同的工业场景的业务流传输协议的差异化需求对网络的融合式发展提出了挑战，需要解决传统的网络数据传输中存在的QoS机制以及周期和非周期数据的共网传输配置复杂问题。
工业现场总线技术的发展面临着较大的局限性，物联网技术发展使得基础设施互联规模越来越大，但是扩张的同时面临局限，比如生产线是依靠 PROFINET协议经由 HMI通讯，硬件实时运动控制使用 EtherCAT协议，而机械臂控制使用CC-Link IE 等协议。不同供应商之间采用的以太网技术各不相同，给设备的管理维护造成很大壁垒。同一工艺流程下的各个生产单元之间的隔离，导致数据整合困难、生产效率低下。工业4.0和IIoT的发展受到很大的阻碍。机器视觉、运动摄像头等应用加入到统一网络中，对工业控制数据的传输的实时性受到很大的影响。
工业市场目前需要两种类型的网络专业人员:信息技术（IT）和操作技术（OT）。目前的工业控制和相关的企业级系统需要许多IT和OT人员来管理和配置网络基础设施和控制系统参数。复杂的网络通信配置导致企业的部署成本越来越大，成本越来越高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式混合数据确定性传输装置及方法，满足工业控制的数据传输实时性和确定性，同时兼容传统的以太网的数据传输，实现控制指令和以太网数据的混合传输。
本发明提供一种分布式混合数据确定性传输装置，采用数据流作为基本单元，包括发送端、接收端以及多个确定性网络交换设备，所述多个确定性网络交换设备依次连接并位于发送端和接收端之间；
所述的确定性网络交换设备包含网络资源管理接口（NMI接口、NetworkManagement Interface）和数据传输接口（DTI接口、Data Transmission Interface），其中网络资源管理接口对传输数据的路径规划、带宽预留和时钟进行同步管理；数据传输接口为确定性网络的数据传输平面，进行数据的传输整形；
所述发送端指定数据传输为敏感性或非敏感性，设定确定性数据配置信息并发送给确定性网络交换设备；
所述确定性网络交换设备识别和转发来自发送端的确定性数据配置信息，分析网桥的拓扑结构和确定性传输能力，配置网桥和调度管理确定性网络交换设备，进行网络资源配置，同时将每个数据流配置的成功或失败返回给发送端；
所述接收端根据确定性网络交换设备的数据传输调度机制，对接收到的数据进行校检后执行命令。
作为优选，所述发送端和接收端处于同一网络拓扑中。
作为优选，所述确定性网络交换设备具有网络资源管理接口和数据传输接口，所述网络资源管理接口用于交换确定性数据配置信息，数据传输接口用于数据转发。
作为优选，所述发送端和接收端获取链路的数据传输状态稳定后，发送端对敏感性传输数据进行确定性数据传输策略配置，增加时间同步标签后进行传输；对非敏感性数据按照QoS机制进行数据传输，数据的转发通过数据传输接口实现。
本发明还提供了一种分布式混合数据确定性传输方法，包含以下步骤：
S1：确定性网络交换设备通过链路发现协议获取相邻设备的网络拓扑方式，并计算相邻设备间数据传输延时，通过计算传输延时对确定性网络交换设备的同步时钟进行矫正，保障整个网络的数据传输具备同样的时钟基准；
S2：发送端设定确定性数据配置信息并发送给确定性网络交换设备，确定性网络交换设备通过网络资源管理接口传播确定性数据配置信息；
S3：确定性网络配置协议采用流标识作为每个流配置的位移标识符，并将对应的流标识信息通过网络资源管理接口下发给确定性网络交换设备；
S4：确定性网络交换设备按照下发的流标识信息对设备的带宽资源进行预留，设置时延界限，并按照发送端传输的最大数据帧设置保护带宽；
S5：确定性网络交换设备中的状态组向每个发送端或接收端提供流在网络中的配置状态；
S6：当网络配置出现故障时，确定性网络交换设备中的故障寄存器标志符提供了故障端站或桥中的一个或多个物理接口列表；
S7：发送端确认网络拓扑中设备状态为等待状态，则开始进行混合数据的发送。
作为优选，所述步骤S2中网络资源管理接口通过流保留协议传播确定性数据配置信息，所述流保留协议使用TLV技术将确定性数据配置信息作为二进制字段交换；流保留协议的帧头消息包含一个或多个TLV的列表，每个TLV由Type字段、Length字段和Value字段组成，Type字段指定Value字段包含的数据内容，Length字段指定Value字段的字节数。
作为优选，所述步骤S3中流标识包含周期性传输的确定性数据配置信息加入链路传输延时补偿后信息值、预留带宽大小、保护带宽大小。
作为优选，所述步骤S6中的故障寄存器标志符提供了故障端站或桥中的一个或多个物理接口列表，主要用于指示确定性网络交换设备的端口状态。
作为优选，所述步骤S7中的混合数据包含敏感性数据和非敏感性数据，所述敏感性数据传输时，网络资源管理接口负责管理信息交互但不进行传输，所述非敏感性数据传输时，网络资源管理接口处于静默状态，不进行管理信息交互。
本发明的有益效果为：本发明通过分布式的控制装置，简化网络中的配置设备，自动化配置带宽资源，实现数据交换设备的即插即用，有效的实现周期性数据和非周期性数据的共网传输，保障数据传输的实时性和确定性，降低网络部署配置成本。
附图说明
图1为本发明的一种分布式混合数据确定性传输装置结构图；
图2为本发明的一种分布式混合数据确定性传输方法流程图；
图3为本发明确定性网络交换设备下发的配置信息计算原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述。本领域技术人员将会理解，以下实施例仅为本发明的优选实施例，以便于更好的理解本发明，因而不应视为限定本发明的范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，均应包含在本发明的保护范围之内。以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所用的实验材料，如无特殊说明，均为常规生化试剂厂商处购买。
如图1所示，一种分布式混合数据确定性传输装置，采用数据流作为基本单元，包括发送端、接收端以及多个确定性网络交换设备，所述多个确定性网络交换设备依次连接并位于发送端和接收端之间；
所述的确定性网络交换设备包含网络资源管理接口和数据传输接口，其中网络资源管理接口对传输数据的路径规划、带宽预留和时钟进行同步管理；数据传输接口为确定性网络的数据传输平面，进行数据的传输整形；
所述发送端指定数据传输为敏感性或非敏感性，设定确定性数据配置信息并发送给确定性网络交换设备；
所述确定性网络交换设备识别和转发来自发送端的确定性数据配置信息，分析网桥的拓扑结构和确定性传输能力，配置网桥和调度管理确定性网络交换设备，进行网络资源配置，同时将每个数据流配置的成功或失败返回给发送端；
所述接收端根据确定性网络交换设备的数据传输调度机制，对接收到的数据进行校检后执行命令。
所述发送端和接收端处于同一网络拓扑中。所述网络资源管理接口用于交换确定性数据配置信息，数据传输接口用于数据转发。所述发送端和接收端获取链路的数据传输状态稳定后，发送端对敏感性传输数据进行确定性数据传输策略配置，增加时间同步标签后进行传输；对非敏感性数据按照QoS机制进行数据传输，数据的转发通过数据传输接口实现。
本发明的具体实施步骤如图2所示：
S1：确定性网络交换设备通过链路发现协议获取相邻设备的网络拓扑方式，并计算相邻设备间数据传输延时，通过计算传输延时对确定性网络交换设备的同步时钟进行矫正，保障整个网络的数据传输具备同样的时钟基准；
S2：发送端设定确定性数据配置信息并发送给确定性网络交换设备，确定性网络交换设备通过网络资源管理接口传播确定性数据配置信息；
S3：确定性网络配置协议采用流标识作为每个流配置的位移标识符，并将对应的流标识信息通过网络资源管理接口下发给确定性网络交换设备；
S4：确定性网络交换设备按照下发的流标识信息对设备的带宽资源进行预留，设置时延界限，并按照发送端传输的最大数据帧设置保护带宽；
S5：确定性网络交换设备中的状态组向每个发送端或接收端提供流在网络中的配置状态；
S6：当网络配置出现故障时，确定性网络交换设备中的故障寄存器标志符提供了故障端站或桥中的一个或多个物理接口列表；
S7：发送端确认网络拓扑中设备状态为等待状态，则开始进行混合数据的发送。
所述步骤S2中网络资源管理接口通过流保留协议传播确定性数据配置信息，所述流保留协议使用TLV技术将确定性数据配置信息作为二进制字段交换；流保留协议的帧头消息包含一个或多个TLV的列表，每个TLV由Type字段、Length字段和Value字段组成，Type字段指定Value字段包含的数据内容，Length字段指定Value字段的字节数。
所述步骤S3中流标识包含周期性传输的确定性数据配置信息加入链路传输延时补偿后信息值、预留带宽大小、保护带宽大小。
所述步骤S7中的混合数据包含敏感性数据和非敏感性数据，所述敏感性数据传输时，网络资源管理接口负责管理信息交互但不进行传输，所述非敏感性数据传输时，网络资源管理接口处于静默状态，不进行管理信息交互。
确定性网络交换设备下发的配置信息按照图3的方式进行计算：
在发送端的周期性数据和非周期性数据的混合式传输过程中，在第n周期中存在周期数据m个需要传输共需带宽大小为a，非周期性数据传输采用QoS机制共需带宽大小为b，确定性网络交换设备的最大偏差为c，在n周期内传输的巨型帧大小为d，则保护带设置需要大于c+d，端口带宽需求需要大于（a+b+c+d）*1.8，端口带宽需求按照带宽的实际资源利用率的75%计算。
实施例1
如图1所示，在分布式的模型中，包含待传输的数据帧（即发送端和接收端）的终端站直接通过NMI接口按照网络协议传递用户需求。网络配置是完全分布式的，没有一个集中的网络配置实体。分布式网络配置是使用一种协议来执行的，该协议沿着流的活动拓扑传播网络配置信息（例如，从发送端到接收端的拓扑中的带宽资源利用）。
当用户需求通过NMI接口向每个确定性网络交换设备传播时，确定性网络交换设备的资源管理可以在本地有效地执行。这种本地管理仅限于确定性网络交换设备通过NMI接口所获取的信息，并不一定包括整个网络的信息。主要实现流程如下：
发送端的待发送的数据帧用户已经按照0—7的优先级进行数据帧的优先级分配，其中0级别的数据帧的传输优先级最低，7级别的数据帧的传输优先级最高,发送端对传输的数据帧的字节进行限制为64字节—1512字节进行传输，发送端的端口速率为1Gbit/S，则发送端设备的NMI接口的将生成资源配置管理信息如下：将传输带宽1Gbit/S平均分配为8份，在同一时刻每个优先级的传输数据量为125Mbit，发送端设备的时钟基准为0000.
NMI接口首先将发送端的设备的时钟基准0000信息发送到确定性网络交换设备A，确定性网络交换设备A接收到时刻加上时钟基准信息的传输延时为确定性网络交换设备B的时钟基准，并以此类推获取确定性网络交换设备C和接收端的时钟基准信息。
拓扑网络中的时钟基准信息计算完成之后，NMI接口开始传输带宽资源预留信息，将每个确定性网络交换设备的数据传输端口的带宽资源按照0—7的优先级进行分配，网络资源管理配置协议的帧头消息包含一个或多个TLV的列表。每个TLV由Type字段、Length字段和Value字段组成。Type字段指定Value字段包含的数据内容，Length字段指定Value字段的字节数。管理资源配置信息存放在Type字段在NMI接口进行传输。
确定性网络配置协议采用StreamID作为每个流配置的唯一标识符。StreamID标识的是配置信息。StreamID1为确定性网络交换设备A的标志符，StreamID2为确定性网络交换设备B的标志符，StreamID3为确定性网络交换设备C的标志符。StreamID中包含周期传输的确定性数据加入链路传输延时补偿后信息值、预留带宽大小、保护带宽大小。并将对应的StreamID信息通过NMI下发给确定性网络交换设备。如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
保护带宽按照能够传输的最大字节进行预留。
确定性网络配置协议采用StreamID作为每个流配置的唯一标识符，并将对应的配置信息按照StreamID下发到对应的设备，下发配置完成后确定性网络交换设备状态为stand by状态，针对出现故障的停止传输数据帧。
采用分布式确定性数据传输系统，能够实现独立于模式、编码或协议的方式指定确定性网络配置信息，将数据传输平面和控制平面进行分离的方式，同时通过简化配置管理接口实现确定性传输系统的可靠性和简易性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分布式混合数据确定性传输装置，其特征在于，采用数据流作为基本单元，包括发送端、接收端以及多个确定性网络交换设备，所述多个确定性网络交换设备依次连接并位于发送端和接收端之间；
所述的确定性网络交换设备包含网络资源管理接口和数据传输接口，其中网络资源管理接口用于交换确定性数据配置信息，并对传输数据的路径规划、带宽预留和时钟进行同步管理；数据传输接口用于数据转发，其作为确定性网络的数据传输平面，进行数据的传输整形；
所述发送端指定数据传输为敏感性或为非敏感性，设定确定性数据配置信息并发送给确定性网络交换设备；所述发送端和接收端获取链路的数据传输状态稳定后，发送端对敏感性传输数据进行确定性数据传输策略配置，增加时间同步标签后进行传输；对非敏感性数据按照QoS机制进行数据传输，数据的转发通过数据传输接口实现；
所述确定性网络交换设备识别和转发来自发送端的确定性数据配置信息，分析网桥的拓扑结构和确定性传输能力，配置网桥和调度管理确定性网络交换设备，进行网络资源配置，同时将每个数据流配置的成功或失败返回给发送端；
所述接收端根据确定性网络交换设备的数据传输调度机制，对接收到的数据进行校检后执行命令。
2.根据权利要求1所述的一种分布式混合数据确定性传输装置，其特征在于：所述发送端和接收端处于同一网络拓扑中。
3.一种分布式混合数据确定性传输方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：确定性网络交换设备通过链路发现协议获取相邻设备的网络拓扑方式，并计算相邻设备间数据传输延时，通过计算传输延时对确定性网络交换设备的同步时钟进行矫正，保障整个网络的数据传输具备同样的时钟基准；
S2：发送端设定确定性数据配置信息并发送给确定性网络交换设备，确定性网络交换设备通过网络资源管理接口传播确定性数据配置信息；
S3：确定性网络配置协议采用流标识作为每个流配置的位移标识符，并将对应的流标识信息通过网络资源管理接口下发给确定性网络交换设备；
S4：确定性网络交换设备按照下发的流标识信息对设备的带宽资源进行预留，设置时延界限，并按照发送端传输的最大数据帧设置保护带宽；
S5：确定性网络交换设备中的状态组向每个发送端或接收端提供流在网络中的配置状态；
S6：当网络配置出现故障时，确定性网络交换设备中的故障寄存器标志符提供了故障端站或桥中的一个或多个物理接口列表；
S7：发送端确认网络拓扑中设备状态为等待状态，则开始进行混合数据的发送；所述混合数据包含敏感性数据和非敏感性数据，所述敏感性数据传输时，网络资源管理接口负责管理信息交互但不进行传输，所述非敏感性数据传输时，网络资源管理接口处于静默状态，不进行管理信息交互；
所述的确定性网络交换设备包含网络资源管理接口和数据传输接口，其中网络资源管理接口用于交换确定性数据配置信息，并对传输数据的路径规划、带宽预留和时钟进行同步管理；数据传输接口用于数据转发，其作为确定性网络的数据传输平面，进行数据的传输整形。
4.根据权利要求3所述的一种分布式混合数据确定性传输方法，其特征在于：所述步骤S2中网络资源管理接口通过流保留协议传播确定性数据配置信息，所述流保留协议使用TLV技术将确定性数据配置信息作为二进制字段交换；流保留协议的帧头消息包含一个或多个TLV的列表，每个TLV由Type字段、Length字段和Value字段组成，Type字段指定Value字段包含的数据内容，Length字段指定Value字段的字节数。
5.根据权利要求3所述的一种分布式混合数据确定性传输方法，其特征在于：所述步骤S3中流标识包含周期性传输的确定性数据配置信息加入链路传输延时补偿后信息值、预留带宽大小、保护带宽大小。
6.根据权利要求3所述的一种分布式混合数据确定性传输方法，其特征在于：所述步骤S6中的故障寄存器标志符提供了故障端站或桥中的一个或多个物理接口列表，主要用于指示确定性网络交换设备的端口状态。
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