CN117729068B - 基于TSN的Powerlink共网传输架构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TSN的Powerlink共网传输架构及方法，该架构包括网络控制域、TSN网络域、主站群和从站群，所述主站群中包括若干Powerlink主站设备，所述从站群中包括若干Powerlink从站设备，所述网络控制域用于对TSN网络域和Powerlink主站设备、Powerlink从站设备进行配置，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备用于对Powerlink协议通信报文进行TSN兼容性改造，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备之间通过TSN网络域进行改造后的Powerlink协议通信报文的传输。

Description

基于TSN的Powerlink共网传输架构及方法

技术领域

本发明属于工业互联网技术领域，尤其涉及基于TSN的Powerlink共网传输架构及方法。

背景技术

近年来，时间敏感网络(TSN，Time-Sensitive Networking)在工业领域的应用逐渐成为热点。TSN在IEEE 802.1标准框架下，为以太网协议建立时间敏感机制，以确保网络数据传输确定性。TSN允许周期性的控制通信需求和非周期的数据在同一个网络中传输，在带宽利用率以及对时间敏感型数据的传输性能保障等方面有更好的表现。

同时，工业控制领域形成了新型的工业以太网技术，常见的工业以太网协议有：Powerlink、PROFINET、EtherCAT等。其中Powerlink基于标准以太网，用于解决工业控制及数据采集领域的数据传输实时性，Powerlink在数据链路层定义一个主站节点，负责调度其他从站节点对共享媒介的访问，以此保证确定的通信，另外数据链路层向上层提供同步和异步通信通道，同时提供时间同步和网络管理服务。

但是工业现场的设备和数据日益复杂，单一Powerlink网络无法承担对通信速率、时延和方面具有不同要求的设备和业务流、控制流、管理流等不同优先级要求的通信流量。由于Powerlink通信由以太网总线承载，实时性由纯软件方式实现，所以使用多个Powerlink业务共网承载复杂工业控制业务会带来调度和实时性保障上的困难。因此，多Powerlink业务共网传输成为了一个挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于TSN的Powerlink共网传输架构及方法，其具体技术方案如下：

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供一种基于TSN的Powerlink业务共网传输架构，包括网络控制域、TSN网络域、主站群和从站群，所述主站群中包括若干Powerlink主站设备，所述从站群中包括若干Powerlink从站设备，所述网络控制域用于对TSN网络域和Powerlink主站设备、Powerlink从站设备进行配置，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备用于对Powerlink协议通信报文进行TSN兼容性改造，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备之间通过TSN网络域进行改造后的Powerlink协议通信报文的传输。

进一步地，所述网络控制域包括TSN控制器、Powerlink上位机和网络功能编排器，所述网络功能编排器通过TSN控制器、Powerlink上位机分别对TSN网络域和Powerlink主站设备进行配置，控制配置流按树状结构流转。

进一步地，所述TSN网络域由一台或多台TSN交换机组成，用于时间敏感网络流量的转发。

进一步地，所述Powerlink主站设备的数量为N，Powerlink从站设备的数量为M，满足M>=2N且8>N>2,以满足任一主站设备与从站设备之间的一对多关系。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供一种基于TSN的Powerlink业务共网传输方法，基于第一方面所述的基于TSN的Powerlink业务共网传输架构，该方法包括：

将Powerlink设备和TSN网络域进行时钟同步，其中所述Powerlink设备为主站群和从站群中的Powerlink设备；

基于所要运行的Powerlink业务，进行时隙复用多Powerlink业务流量的TSN映射并确定TSN网络域传输策略；

利用网络控制域对Powerlink设备和TSN网络域进行配置；

Powerlink设备进行Powerlink协议通信报文的TSN兼容性改造；

TSN网络域传输改造后的Powerlink协议通信报文。

进一步地，将Powerlink设备和TSN网络域进行时钟同步，包括：

在TSN网络域中进行时钟同步，选举主时钟；

将TSN网络域的主时钟作为所有Powerlink设备的主时钟，计算每个Powerlink设备与所述主时钟之间的时钟频率误差和传播时延误差，由此计算出每个设备的本地时钟偏移量；

将TSN网络域的主时钟基准和Powerlink设备本地时钟偏移量上传至网络控制域。

进一步地，基于所要运行的Powerlink业务，进行时隙复用多Powerlink业务流量的TSN映射并确定TSN网络域传输策略，包括：

将所有Powerlink业务中最小同步周期作为时隙基数，对每个业务向上取整后的同步周期和异步周期以时隙基数进行时隙划分，从而进行时隙复用Powerlink通信周期整形，得到整形后的每个同步周期和异步周期；

根据Powerlink业务数量和时隙基数的乘积与所有Powerlink业务异步周期的期望值之和计算时隙复用TSN循环周期，其中所述时隙复用TSN循环周期不超过8倍时隙基数；

将所述时隙基数作为TSN传输中流门控和门控状态切换的传输时隙；

将每个Powerlink业务的同步周期通信报文逐一映射到降序排列的0-6 TSN传输优先级，将所有主站的异步周期通信报文一并映射到升序排列的剩余TSN传输优先级；

设置门控按优先级0-7依次开启，每次开启持续一个传输时隙，流门控的开闭设置与门控开闭相反，以完成TSN网络域传输策略的确定。

进一步地，所述时隙复用TSN循环周期根据如下公式计算：

其中，N为Powerlink主站设备的数量，为时隙基数，/>为第i个异步周期。

进一步地，利用网络控制域对Powerlink设备和TSN网络域进行配置，具体为：网络功能编排器通过Powerlink上位机和TSN控制器分别向Powerlink主站设备群和TSN网络域下发Powerlink配置信息和TSN配置信息；

其中Powerlink配置信息为各个Powerlink业务的开始时间以及通信周期的划分，TSN配置信息为TSN交换机的传输周期和传输时隙、流门控列表以及门控列表。

进一步地，Powerlink设备进行Powerlink协议通信报文的TSN兼容性改造，包括：

Powerlink主站转换模块在发出的Powerlink协议通信报文中加入包含TSN优先级信息的VLAN标签；

Powerlink从站转换模块解析收到的Powerlink协议通信报文VLAN信息，并保存；

Powerlink从站转换模块在从站发出Powerlink协议通信报文中加入S4.2中保存的VLAN信息。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请实现Powerlink工业控制协议和TSN网络的有效融合，一方面保留了Powerlink协议高灵活低成本实现复杂工业现场数据互通的优势，另一方面提高了多Powerlink业务共网传输时的确定性和通信效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本发明基于TSN的Powerlink业务共网传输架构示意图；

图2是本发明集中式控制的基于TSN的Powerlink业务共网传输方法流程示意图；

图3是本发明时隙复用多Powerlink业务流量的TSN映射原理示意图；

图4是本发明TSN流门控和门控设置示意图；

图5是本发明Powerlink报文通信改造示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图1所示，本发明的一种基于TSN的Powerlink业务共网传输架构，包括网络控制域、TSN网络域、主站群和从站群，所述主站群中包括若干Powerlink主站设备，所述从站群中包括若干Powerlink从站设备，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备接入TSN网络域，所述网络控制域用于对TSN网络域和Powerlink主站设备、Powerlink从站设备进行配置，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备用于对Powerlink协议通信报文进行TSN兼容性改造，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备之间通过TSN网络域进行改造后的Powerlink协议通信报文的传输。

实现多Powerlink业务在TSN网络中的共网传输，实现了Powerlink工业控制协议和TSN网络的有效融合。

具体地，所述网络控制域包括TSN网络控制器、Powerlink上位机和网络功能编排器，用于对TSN网络域、Powerlink主从站设备进行配置，控制配置流按树状结构流转；具体而言，网络功能编排器通过Powerlink上位机和TSN控制器分别向Powerlink主站设备群和TSN网络域下发Powerlink配置信息和TSN配置信息。

所述TSN网络域由一台或多台TSN交换机组成，经TSN网络控制器配置TSN参数后，用于改造后的Powerlink协议通信报文（即时间敏感网络流量）的转发；

所述主站群和从站群用于Powerlink协议通信报文通信，且一个主站负责运行一个特定的Powerlink业务。

其中，所述Powerlink主站的数量为N，Powerlink从站的数量为M，满足M>=2N且8>N>2,以满足任一主站与从站之间的一对多关系。所述的Powerlink主站设备和从站设备中包括了TSN转换模块，用于对Powerlink协议通信报文进行TSN VLAN标签的添加和解析。

在本实施例中，网络控制域所用的TSN网络控制器为ONOS网络控制器，Powerlink上位机和网络功能编排器运行于X86服务器，TSN网络域由1台支持时间敏感网络的TSN交换机组成，Powerlink主站设备数量为3台，Powerlink从站设备数量为6台，每个从站连接若干外设，主站与从站的数量关系为一对二，彼此独立运行3个Powerlink业务。

如图2所示，本发明的一种集中式控制的基于TSN的Powerlink业务共网传输方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：将Powerlink设备和TSN网络域进行时钟同步；

具体的，此步骤可以包括以下子步骤：

步骤S1.1：在TSN网络域中进行时钟同步，选举主时钟；

在本实施例中，TSN网络域中的唯一交换机成为主时钟。若TSN网络域中存在多个交换机，则选取主时钟用的TSN标准中定义的BMCA算法，每个时钟通过相互发送带有优先级、时钟等级等信息的Announce帧来确定主时钟。在具体是时候中，也可以人为地设置时钟优先级来使优秀的时钟优先被选为主时钟。

步骤S1.2：将TSN网络域的主时钟作为所有Powerlink设备的主时钟，计算每个Powerlink设备与所述主时钟之间的时钟频率误差和传播时延误差，由此计算出每个设备的本地时钟偏移量；

需要说明的是，步骤S1.2中的计算为本领域的常规技术手段，此处不作赘述。

步骤S1.3：将TSN网络域的主时钟基准时间和Powerlink设备本地时钟偏移量上传至TSN网络控制器；

在本实施例中，需上传的信息如下表格：

角色	信息
		主时钟	主时钟基准
Powerlink主站1	时钟偏移1
		···	···
Powerlink从站1	时钟偏移n
		···	···

步骤S2：基于所要运行的Powerlink业务，进行时隙复用多Powerlink业务流量的TSN映射并确定TSN网络域传输策略；

具体的，如图3所示，包括以下子步骤：

步骤S2.1：将所有Powerlink业务中最小同步周期作为时隙基数，对每个业务向上取整后的同步周期和异步周期以时隙基数进行时隙划分，从而进行时隙复用Powerlink通信周期整形，得到整形后的每个同步周期/>和异步周期/>，表示为：

；

在本实施例中，三个Powerlink业务的同步周期和异步周期长度分别为2T、T、3T和2.5T、T、0.5T，其中T为单位时间，因此得到时隙基数，得到整形后的同步周期和异步周期如下：

步骤S2.2：根据Powerlink业务数量N和时隙基数的乘积与所有Powerlink业务异步周期/>的期望值之和计算时隙复用TSN循环周期，其中所述时隙复用TSN循环周期不超过/>，表示为：

在本实施例中，计算得到TSN循环周期为

步骤S2.3：将步骤S2.1中的所述时隙基数作为TSN传输中流门控和门控状态切换的传输时隙/>，即

在本实施例中，计算得到TSN传输时隙为

步骤S2.4：将每个Powerlink业务的同步周期通信报文逐一映射到降序排列的0-6TSN传输优先级，将所有主站的异步周期通信报文一并映射到升序排列的剩余TSN传输优先级；

具体地，TSN中8个传输队列的优先级从高到低为0>1>2>3>4>5>6>7，在本实施例中，只采用0-4TSN传输优先级就足够，为了优先保证同步周期报文的确定性，三个Powerlink业务的同步周期通信报文逐一映射到TSN传输优先级0、1、2，异步周期通信报文一并映射到TSN传输优先级4、3。

步骤S2.5：TSN网络域传输策略确定，如图4所示，门控按优先级0-7依次开启，每次开启持续一个传输时隙，流门控的开闭设置与门控开闭相反，以完成每个Powerlink业务的确定性传输。

在本实施例中，TSN网络域传输策略为，门控按优先级0-5依次开启，每次开启持续时间为时隙T，流门控按优先级0-5依次关闭，每次关闭持续时间为时隙T。其中TSN传输优先级7通常预留给背景流量或者突发流量，同步/异步周期通信报文不占用这个优先级。

步骤S3：网络控制域对Powerlink设备和TSN网络域进行配置，网络功能编排器通过Powerlink上位机和TSN控制器分别向Powerlink主站设备群和TSN网络域下发Powerlink配置信息和TSN配置信息；

在本实施例中，网络控制域下发的Powerlink配置信息为各个Powerlink业务的开始时间以及通信周期的划分，下发的TSN配置信息为TSN交换机的传输周期和传输时隙、流门控列表以及门控列表，见图4。

步骤S4：进行Powerlink协议通信报文的TSN兼容性改造；

具体的，如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤S4.1，Powerlink主站设备中的TSN转换模块在发出的Powerlink协议通信报文中加入包含TSN优先级信息的VLAN标签，即将普通powerlink报文转变为tsn改造后的powerlink报文；

同理，若Powerlink主站设备收到TSN报文，则进行上述操作的逆向操作，在TSN报文中删去包含TSN优先级信息的VLAN标签，将TSN报文（即TSN改造后的powerlink报文）转化为普通powerlink报文。

步骤S4.2，Powerlink从站设备中的TSN转换模块解析收到的Powerlink协议通信报文VLAN信息，并保存；

步骤S4.3，Powerlink从站设备中的TSN转换模块在从站发出Powerlink协议通信报文中加入S4.2中保存的VLAN信息；

在本实施例中，三个Powerlink业务的同步周期通信报文的VLAN标签PRI依次设置为0，1，2，同步周期通信报文的VLAN标签PRI设置为3、4。

步骤S5：TSN网络域传输改造后的Powerlink协议通信报文；

需要说明的是，改造后的powerlink报文通过TSN网络域的传输为本领域的常规技术手段，此处不作赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种基于TSN的Powerlink业务共网传输方法，其特征在于，基于一种基于TSN的Powerlink业务共网传输架构，该架构包括网络控制域、TSN网络域、主站群和从站群，所述主站群中包括若干Powerlink主站设备，所述从站群中包括若干Powerlink从站设备，所述网络控制域用于对TSN网络域和Powerlink主站设备、Powerlink从站设备进行配置，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备用于对Powerlink协议通信报文进行TSN兼容性改造，所述Powerlink主站设备和Powerlink从站设备之间通过TSN网络域进行改造后的Powerlink协议通信报文的传输；

该方法包括：

将Powerlink设备和TSN网络域进行时钟同步，其中所述Powerlink设备为主站群和从站群中的Powerlink设备；

基于所要运行的Powerlink业务，进行时隙复用多Powerlink业务流量的TSN映射并确定TSN网络域传输策略；

利用网络控制域对Powerlink设备和TSN网络域进行配置；

Powerlink设备进行Powerlink协议通信报文的TSN兼容性改造；

TSN网络域传输改造后的Powerlink协议通信报文；

其中，基于所要运行的Powerlink业务，进行时隙复用多Powerlink业务流量的TSN映射并确定TSN网络域传输策略，包括：

将所有Powerlink业务中最小同步周期作为时隙基数，对每个业务向上取整后的同步周期和异步周期以时隙基数进行时隙划分，从而进行时隙复用Powerlink通信周期整形，得到整形后的每个同步周期和异步周期；

根据Powerlink业务数量和时隙基数的乘积与所有Powerlink业务异步周期的期望值之和计算时隙复用TSN循环周期，其中所述时隙复用TSN循环周期不超过8倍时隙基数；

将所述时隙基数作为TSN传输中流门控和门控状态切换的传输时隙；

将每个Powerlink业务的同步周期通信报文逐一映射到降序排列的0-6 TSN传输优先级，将所有主站的异步周期通信报文一并映射到升序排列的剩余TSN传输优先级；

设置门控按优先级0-7依次开启，每次开启持续一个传输时隙，流门控的开闭设置与门控开闭相反，以完成TSN网络域传输策略的确定；

其中，Powerlink设备进行Powerlink协议通信报文的TSN兼容性改造，包括：

Powerlink主站转换模块在发出的Powerlink协议通信报文中加入包含TSN优先级信息的VLAN标签；

Powerlink从站转换模块解析收到的Powerlink协议通信报文VLAN信息，并保存；

Powerlink从站转换模块在从站发出Powerlink协议通信报文中加入保存的VLAN信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网络控制域包括TSN控制器、Powerlink上位机和网络功能编排器，所述网络功能编排器通过TSN控制器、Powerlink上位机分别对TSN网络域和Powerlink主站设备进行配置，控制配置流按树状结构流转。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TSN网络域由一台或多台TSN交换机组成，用于时间敏感网络流量的转发。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Powerlink主站设备的数量为N，Powerlink从站设备的数量为M，满足M>=2N且8>N>2,以满足任一主站设备与从站设备之间的一对多关系。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将Powerlink设备和TSN网络域进行时钟同步，包括：

在TSN网络域中进行时钟同步，选举主时钟；

将TSN网络域的主时钟作为所有Powerlink设备的主时钟，计算每个Powerlink设备与所述主时钟之间的时钟频率误差和传播时延误差，由此计算出每个设备的本地时钟偏移量；

将TSN网络域的主时钟基准和Powerlink设备本地时钟偏移量上传至网络控制域。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时隙复用TSN循环周期根据如下公式计算：

，

其中，N为Powerlink主站设备的数量，为时隙基数，/>为第i个异步周期。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用网络控制域对Powerlink设备和TSN网络域进行配置，具体为：网络功能编排器通过Powerlink上位机和TSN控制器分别向Powerlink主站设备群和TSN网络域下发Powerlink配置信息和TSN配置信息；

其中Powerlink配置信息为各个Powerlink业务的开始时间以及通信周期的划分， TSN配置信息为TSN交换机的传输周期和传输时隙、流门控列表以及门控列表。