CN117729178A - 用于在计算单元内传输数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在网络(中传输数据消息的方法，在所述网络中，大量网络参与者经由至少一个分配器(120)而相互联网，其中，在多个网络参与者之间传输数据消息包括：将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制，以及在以数据为中心的消息传输的过程中通过针对基于TSN标准的消息传输的机制来传输所述数据消息。

Description

用于在计算单元内传输数据的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在网络中传输数据消息的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。

背景技术

在用于技术设备联网的网络中，例如在(机动)车辆的车载网络或机器或设施的工业网络中可能重要的是，在网络参与者之间实现实时数据传输。为此，“时间敏感网络”(TSN)提供了一系列标准，这些标准是IEEE 802.3以太网标准的扩展，并且特别是致力于针对以太网中数据传输的网络参与者的同步，以满足实时性要求。例如，在“JohnL.Messenger.2018.Time-Sensitive Networking:An Introduction.IEEECommunications Standards Magazine 2,2(2018),29-33.https://doi.org/10.1109/MCOMSTD.2018.1700047”中对TSN标准进行了解释。

所谓的信息中心网络(英文“Information Centric Networking”，ICN)作为针对未来互联网的潜在解决方案受到了科学界和工业界的高度关注。通过转换到与位置无关和以数据为中心的方案，ICN专注于重新检索所命名和受保护的数据，而不是向目标主机发送未经请求的互联网协议(IP)包。因此，ICN直接在网络层(OSI第3层)实现了松散耦合的通信模型，这种模型实现了诸如对称的包转发、移动性支持、网络内缓存或以数据为中心的安全性等新功能。然而，ICN仅提供非常有限的对服务质量(QoS)特征的提议(Angebot)。而这又阻碍了诸如工业和车载联网这样的领域中的引进，在这些领域中(近乎)立即地提供关键数据至关重要。

借助TSN，以太网正在成为一种融合网络技术，其涵盖从办公IT应用到工业自动化(例如同步运动控制)和车辆系统(例如容错车辆设计)中的混合关键应用。各种应用领域将其通信中间件和协议(OSI第5层及更高层)适配为基于TSN并利用其优势，例如针对汽车工业的数据分发服务(DDS)或针对工业应用的OPC统一架构(OPC-UA)。虽然例如DDS或OPC-UA等解决方案遵循的是类似于ICN的松散耦合的发布/订阅通信系统的设计原则，但只有在TSN的支持下才能满足弱表现的实时应用在其相应领域中的要求。

尽管有实时性要求和相关联的静态配置，但在网络中灵活安装和灵活运行TSN功能往往是一个挑战，诸如数据分发服务和OPC-UA等发布/订阅技术越来越成熟，以支持灵活的应用。为了在实时关键领域中引进ICN，重要的是ICN的QoS概念可以与TSN提供的各种机制集成，并与已经为了使用TSN而适配的其他域特定的通信中间件共存。值得期望的是，进一步填补这两种技术流之间的缺口。

发明内容

根据本发明，提出了一种具有独立专利权利要求的特征的用于在网络中传输数据消息的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求和以下描述的主题。

传统上，基于以太网标准的数据消息的传输通常是基于主机或以主机为中心的消息或数据传输。这种基于主机的消息传输基于的概念是：中央(数据)提供者或主机来提供数据。如果网络参与者想要访问特定数据，则该网络参与者对该主机进行寻址(基于主机或以主机为中心的寻址)，例如通过使用由互联网协议(IP)地址和可能的端口地址组成的元组，主机基于其而向该网络参与者传送数据。

相反，以数据为中心或基于数据的消息或数据传输则基于数据本身的特定命名法(Nomenklatur)，例如基于分层名称结构，以便标识可以存储在任意网络参与者中的数据并访问所标识的数据。并非对其中存储有所述数据的特定主机进行寻址，而是基于数据的特定名称而在网络中对数据本身进行寻址(以数据为中心、基于数据的寻址)。

本发明提供了一种用于使用如下软件机制而通过以数据为中心的消息传输来传输数据消息的可能性，其中所述软件在网络中根据TSN标准而设置。

具体地，在网络中，大量的网络参与者通过至少一个分配器(Verteiler)(或交换机(Switch)或节点)而相互连接或联网以进行数据传输。特别是，这些网络参与者和分配器基于TSN标准相互联网。该网络特别基于以太网，例如EtherCAT、TTEthernet等。在网络参与者之间特别是经由其中至少一个分配器而传输特别是具有数据报头或报头(Header)以及有用数据或有效负载(Nutzlast)的数据消息包括：将针对以数据为中心的消息传输的机制、特别是软件机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制、特别是软件机制。在基于TSN标准的消息传输过程中，数据消息通过用于基于主机的消息传输的机制而进行传输。因此，本方法使得能够将以数据为中心的传输流(英文：“Flow(流)”)映射到TSN功能，例如映射到有TSN能力的设备(例如，交换机)中的属性或配置(例如消息队列(message queue)、优先级排序队列(prioritized queue))。通过以这种方式将以数据为中心的传输流传输到TSN功能，适宜地完全消除了数据传输中以主机为中心的部分(Anteil)。

所谓的信息中心网络(英文“Information Centric Networking”，ICN)提供了针对以数据为中心的消息传输的范例。这种ICN原则采用与位置无关的方法来检索(abrufen)以特定方式命名和密码保护的数据，而不是将Internet协议(IP)包转发到目标主机。因此，与基于主机的传输不同，数据不会分配到唯一的或特定的物理存储位置。例如，可以通过所谓的“命名数据网络(英文：“Named Data Networking”，NDN)”来进行该ICN架构的实现，其基于根据分层名称结构和最长前缀匹配(英文：“Longest Prefix Matching”)的名称。

在相对应地配置的ICN网络中，为了访问特定数据，进行请求的网络参与者可以发出请求消息(“兴趣(INTEREST)包”)，以便在网络中搜索所述数据。该请求消息在ICN网络中在事先未预给定或未预定义的消息路径上被转发，直到该请求消息到达事先未预给定或未预定义的进行响应的如下网络参与者，在所述网络参与者中存储有所请求的特定数据。然后，由所述进行响应的网络参与者通过相同的消息路径以相反的方向将包含所请求的特定数据的响应消息(“数据(DATA)包”)转发到进行请求的网络参与者(对称包转发)。

请求消息和响应消息的转发可以借助基于NDN的转发单元(英文：“NDN Forwarder(NDN转发器)”或“Data Networking Forwarding Daemon(命名数据网络转发守护程序)”，NFD)而进行，所述转发单元可以在ICN网络中在每个分配器中设置。这样的NDN转发器可以将相应的数据请求存储在表(英文：“Pending Interest Table(待处理兴趣表)”，PIT)中，以便能够将请求与响应进行对照(abgleichen)。对相同内容的请求可以由转发单元汇总在相应的PIT表中，直到接收到响应，然后可以将响应转发到所有进行请求的网络参与者。

针对ICN原则的详细解释例如应参见Jabobson等人的文章(“Van Jacobson,DianaK.Smetters,James D.Thornton,Michael Plass,Nick Briggs和RebeccaBraynard.2012.Networking named content。Commun.ACM 55,1(2012年1月),117–124.https://doi.org/10.1145/2063176.2063204”)。

例如，关于NDN，参见Zhang等人的文章(“LixiaZhang,Alexander Afanasyev,Jeffrey Burke,Van Jacobson,kc claffy,Patrick Crowley,Christos Papadopoulos,Lan Wang,and Beichuan Zhang.2014.Named data networking.SIGCOMMComput.Commun.Rev.44,3(2014年7月),66–73.https://doi.org/10.1145/2656877.2656887”)。

这种以数据为中心的传输使得能够在相应配置的ICN网络中高效和安全地传播内容。由此，可以直接在网络层实现松散耦合的通信模型，以及实现诸如对称包转发、移动性支持、以数据为中心的安全性和网络内缓存等功能，以实现更快的响应。然而，此类ICN实现方案的转发策略通常对应于互联网协议(IP)的尽力而为范式(Best-Effort-Paradigma)，从而只能实现较低的服务质量(英文：“Quality ofService”，QoS)并且通常无法确保(实时的)保证，这使得ICN原则很难在实时数据传输和及时提供数据至关重要的网络中使用。为了满足此类网络中的实时性要求，TSN代表了一种广泛使用的、已确立的并且通用的技术，这种技术结合标准化网络管理提供了无缝的冗余。

本发明现在提供一种用于基于TSN标准而实现以数据为中心的ICN数据传输的可能性。因此，ICN和TSN机制相互结合或集成，使得借助ICN原则也可以实现实时数据传输。本发明使得能够使用用于数据流量整形(Datenverkehrsgestaltung)和监控的TSN机制来管理ICN数据流。此外，本发明提供了基于ICN的TSN原则，以将ICN数据流映射到TSN机制以用于数据流量的差异化处理。因此使得能够通过ICN提供差异化(differenziert)服务，并且在此利用融合以太网网络中可用的TSN功能。通过TSN和ICN的这种组合可实现实时、高效和安全的数据访问并可以防止过载。

TSN标准定义了用于扩展以太网标准IEEE 802.1的机制，以支持OSI模型第二层(安全层或者说英文的“Data Link Layer(数据链路层)”)上的实时通信。针对基于TSN标准的消息传输的机制应特别理解为服务质量机制，其确保网络中的数据传输能够维持预给定的质量(“Quality ofService(服务质量)”，QoS)并满足预给定的实时条件。这样的TSN机制尤其可以涉及要传送的数据消息或其属性，并且可以特别地以使得它们可以被进行优先级排序并实时传输的方式来表征它们。借助TSN机制，可以对要传输的数据消息进行流程规划(英文：“Scheduling(调度)”)、监控(英文：“Policing(监管)”)和数据流量整形(英文：“Traffic Shaping(流量整形)”)，特别是基于各个数据消息的优先级。在本方法的范畴内，ICN机制被映射到这样的TSN机制上，使得可以借助这些TSN机制以以数据为中心的方式来传输数据消息，其中所述TSN机制原本设置用于基于主机的消息传输。因此，可以使用TSN功能来实现来自分布式应用程序的松散耦合的、以数据为中心的消息的服务质量。

根据有利的实施方式，将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对根据TSN标准的消息传输的机制包括：区分数据消息是请求消息还是响应消息。如所解释的，进行请求的网络参与者可以使用这样的请求消息(“兴趣(INTEREST)包”)来搜索特定数据，并且可以使用相应的响应消息(“数据(DATA)包”)将所请求的数据传送到进行请求的网络参与者。TSN机制被适宜地用于标识进行请求的网络参与者是否使用要传输的数据消息来搜索相应的数据或者所请求的数据是否被传送回进行请求的网络参与者。

替代地或附加地，在映射过程中，在一个设计方案中，如果数据消息是请求消息，则预给定消息路径的至少一部分。在一个设计方案中，该预给定消息路径被存储在表(英文：“Pending Interest Table(待处理兴趣表)”，PIT)中，例如转发该数据消息的分配器中。如果数据消息是响应消息，则在一个设计方案中，将存储在该表中的消息路径分配给所述数据消息。如上所述，这样的消息路径并非事先在以数据为中心的消息传输中预给定的，而是在请求消息本身的传输过程中根据所请求的数据来确定的。然后，响应消息在消息路径上以相反方向传输回进行请求的网络参与者。用于传输的TSN机制被适宜地用于在请求消息的传输期间预给定相应的消息路径并且能够将其用于稍后的响应消息。

根据一个实施方式，数据消息具有数据报头或者说报头和另外的有用数据，其中在数据报头中设置一个字段(Feld)或多个字段。例如，可以根据以太网802.1标准来设置这些字段。于是，将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制包括：向数据报头中的字段分配特定值或条目。数据消息在以数据为中心的消息传输的过程中根据所述所分配的值而被传输。例如，借助报头中的该字段，可以定义要传输的数据消息的优先级，或者可以预给定分配器应如何处理数据消息。在本方法的范畴内，原本特别被设置用于基于主机的数据传输的这样的字段被用于实现以数据为中心的传输。例如，通过分配该值，可以定义数据消息是请求消息还是响应消息，或者可以预给定消息路径，例如其方式为，通过该值而预给定网络的分配器应如何转发数据消息。

在一个设计方案中，在所述分配器之一的输入端口处接收到数据消息之后，在该分配器中分配该值。在一个设计方案中，分配该值包括：设定或预给定数据消息被传送到的分配器的输出缓冲器和/或输出端口。分配器适宜地包括多个输出端口，并且针对每个输出端口特别是分别设置输出缓冲器，要经由相应输出端口转发的数据消息排队到(einreihen)所述输出缓冲器中。相应地，分配器可以例如具有多个输入端口，并且针对每个输入端口分别具有输入缓冲器，其中，在这样的输入端口处接收的数据消息被排队到相应的输入缓冲器中以便由分配器处理。例如，分配器的各个输出端口可以分别连接到不同的网络参与者。通过将值分配给报头字段并通过预给定输出缓冲器或输出端口，特别是可以预给定数据消息的消息路径。此外，通过分配该值，特别是可以预给定在输出缓冲器中的位置并且因此可以预给定优先级，因为具有较高优先级的数据消息在输出缓冲器中特别地排队在较高位置。

对值到报头字段的分配特别适宜地由监控单元、特别是TSN监控单元(英文：“TSNPolicer(TSN监管器)”)来进行，该监控单元根据TSN标准被设置用于过滤和监控每个数据流(英文：“Per-Stream Filtering andPolicing(每流过滤和监管)”，PSFP)。PSFP使得能够对于每个流配置约束信息速率(英文：“Committed Information Rate(承诺信息速率)”，CIR)和超额信息速率(英文：“Excess Information Rate(超信息速率)”，EIR)，其特别是由OSI第2层报头字段的组合来定义。CIR设定数据流应获得的最小带宽，而EIR则关注的是在有足够带宽可用的情况下的带宽超额。消耗CIR内带宽的数据消息可以简单地通过TSN监管器。相反，EIR内的数据消息可以被标记，例如通过设置相应的标记(“丢弃适当性指示符(Drop Eligible Indicator)”，DEI)，以便在过载的情况下在下游被丢弃。需要比CIR和EIR总和更多带宽的数据消息将被简单地丢弃。

PSFP可在以数据为中心的ICN传输的范畴内，特别是用于监控请求消息流。由于ICN代表对称转发模型，也可以通过控制请求消息流而影响返回路径上的响应消息流。例如，通过将NDN名称分配给报头字段，可以监控和控制相应请求消息的流，这尤其还可以防止相反方向上的堵塞。

通过使用TSN监管器使得请求消息能够偶尔超出所提供的、通过CIR所确定的预算。由于与回复相比，请求消息通常是相对较小的数据消息，因此它们本身很少导致过载。如果在使用EIR的情况下通过网络成功地转发超额的请求消息，则这可能会对网络的整体吞吐量产生正面影响。

在一个设计方案中，在分配器中使用用于请求消息的第一数量的输出缓冲器和用于响应消息的第二数量的输出缓冲器。分配器的输出缓冲器的设定取决于数据消息是请求消息还是响应消息而进行。通过将相应的值分配给报头字段并考虑包类型(“兴趣(INTEREST)”或“数据(DATA)”)和相应包的名称结构，它们根据策略排队到输入/输出缓冲器中。因此，可以将数据消息分配给用于请求消息或响应消息的输出缓冲器，由此特别是可以进行区分：数据消息是请求消息还是响应消息。适宜地，可以根据ICN命名法基于相应的所请求的数据的特定名称来排队到相应的输出缓冲器中。

在一个设计方案中，根据信用计数器将数据消息从所分配的输出缓冲器转发到另一网络参与者，其中所述信用计数器根据数据消息在输出缓冲器中花费的等待时间而增加。这种信用计数器对于响应消息特别有用，即特别是对于在用于响应消息的输出缓冲器中排队的数据消息是特别有用的。通过使用这样的信用计数器，可以防止网络中的数据堵塞或遗弃/>并减少延迟时间。

在一个设计方案中，相应的信用计数器的分配和监控通过TSN数据流量整形单元(英文：“TSN-Shaper(TSN整形器)”)来进行。TSN标准预给定多个数据流量整形单元(英文：“Traffic Shaper(流量整形器)”)来处理不同的数据流量类别，例如时间感知的整形单元(英文：

“Time Aware Shaper(时间感知整形器)”,TAS)、基于信用的整形单元(英文：“Credit-Based Shaper(基于信用的整形器)”,CBS)或异步整形单元(英文：“AsynchronousTraffic Shaper(异步流量整形器)”,ATS)。CBS和ATS单元特别旨在防止数据消息突然溢流，并且适宜地对于实现用于以数据为中心的传输的ICN机制特别适合。如果这种数据消息不符合相应输出缓冲器可用的“传输预算”，那么信用计数器尤其可以延迟在输出端口处的数据消息的传输。例如，CBS设计单元可以规定：仅当对应的输出缓冲器具有非负“信用”时才允许延迟数据消息的传输。数据消息的传输适宜地消耗信用并且相应的信用计数器减少。相反，通过等待输出缓冲器中的传输，信用被建立，这导致信用计数器增加。以这种方式，尤其可以实现数据消息传输中的时间分级(Staffelung)，从而可以防止网络过载并且可以限制针对其他数据流量类别的等待时间。这种信用计数器可以适宜地用于ICN流量的返回路径，即特别是用于大于请求消息的响应消息。特别地，请求包被“整形”，因为由于对称传输模型而使得反向的DATA包(数据包)隐式地受到整形的影响。此外，兴趣(INTEREST)包的整形更容易和更快，因为它们本来就更小。通过以这种方式分割大型响应消息，可以更好地处理其他数据流量类别，例如请求消息。

在一个设计方案中，TSN整形器和TSN监管器因此被用作根据TSN标准进行消息传输的机制，用于管理ICN数据流(兴趣(INTEREST)请求消息和数据(DATA)响应消息)。通过借助于TSN整形器和TSN监管器将网络资源分配给ICN数据流可以防止网络过载并实现一定度量的服务质量(QoS)。

根据一个实施方式，将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对根据TSN标准的消息传输的机制包括：将根据以数据为中心的消息传输所基于的分层名称结构的名称映射到数据消息的报头中的字段。根据这种分层名称结构，数据被分配有唯一的名称，可以根据该名称唯一地标识所述数据并且可以根据该名称来访问所述数据。特别是，在命名数据网络NDN的过程中，兴趣(INTEREST)请求消息和数据(DATA)响应消息的转发基于根据这样的分层名称结构和最长前缀匹配的这样的名称而进行。例如，在ICN或NDN原则的范畴内，名称的各个部分或字符串可以根据分层名称结构唯一地表征相应数据。为了将以数据为中心的机制映射到TSN机制上，适宜地，信息根据分层名称结构从数据的ICN或NDN名称中形成(herauskristallisieren)，并且被转换成针对数据消息的报头字段的对应值，其中该字段按照TSN标准而设置，以表征数据或其属性，使得所述数据可以实时传输。例如，这可以通过网络控制器/管理器或通过NDN架构中存在的网络管理器的扩展(所实现的所谓名称解析系统)而进行。

在一个设计方案中，在将名称映射到数据报头中的字段的过程中，根据名称的部分(Abschnitt)或前缀向数据消息分配优先级。根据所分配的优先级，适宜地设定用于数据消息的输出缓冲器或分配器的输出端口，此外例如还设定数据消息在相应的输出缓冲器中排队的位置。例如，可以根据分层名称结构，通过数据名称的所述部分或所述前缀中的特定字符串而指定数据的优先级。存储在名称中的优先级适宜地被读出并转换为针对报头字段的相应值。特别适宜地，存储在名称部分或名称前缀中的优先级被转换为报头字段的所谓802.1Q标签(Tag)中的所谓PCP字段(“优先级代码点(Priority Code Point)”)的值，该值根据IEEE 802.1Q和TSN标准被设置为OSI模型第二层的数据消息的3位字段。

在一个设计方案中，网络被划分或细分成大量虚拟局域网(“VirtualLocalAreaNetwork(虚拟局域网)”，VLAN)，特别是基于TSN标准。在一个设计方案中，将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制、特别是TSN流控制机制包括：将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到用于将网络划分成多个虚拟局域网的机制。这种虚拟局域网或VLAN网络可以在网络中实现为逻辑子网或网段。VLAN网络的划分尤其可以借助于分配器而进行，其中可以将各个分配器分别分配给公共虚拟子网。然后，数据消息从各个分配器仅转发到被分配给同一虚拟子网的特定分配器。IEEE802.1Q和TSN标准特别支持IEEE 802.3以太网中虚拟局域网的实现，并定义了用于标记数据消息对于VLAN网络的归属性以及用于由网络分配器处理相应标记的数据消息的机制。适当地，根据分层名称结构的名称或存储在这些名称中的信息根据ICIN或NDN原则而被映射或转换到根据TSN标准的这些VLAN机制。特别是，通过为VLAN网络分配NDN名称，TSN监管器可以监控和控制请求消息流，由此还可以防止在相反方向上响应消息的堵塞。

在一个设计方案中，数据报头中的字段特别是根据TSN标准被设置为用于将网络划分为多个虚拟局域网的机制。适宜地，通过该字段中的条目而定义了数据消息对于特定VLAN网络的归属性。基于数据报头字段中的特定值，数据消息于是仅被转发到被分配给相应VLAN网络的分配器。特别适宜地，根据分层ICN或NDN名称结构或名称中编码的信息将数据名称转换为针对TSN数据报头字段的用于标记VLAN归属性的特定值。例如，通过设定该值，还可以预给定：数据消息被分配到哪个输出缓冲器或输出端口。在一个设计方案中，基于ICN或NDN名称，针对所谓的VID字段(“VLAN标识符(VLAN Identifier)”)的值被转换成数据报头的802.1Q标签，其根据IEEE 802.1Q和TSN标准被设置为12位字段来标记数据消息到特定VLAN网络的归属性。

在一个设计方案中，针对以数据为中心的消息传输而被分配有特定值的数据报头中的字段是数据报头的802.1Q标签中的字段。在一个设计方案中，数据消息是根据OSI模型的第二层(安全层，“数据链路层(Data Link Layer)”)的数据帧。在此类数据帧的报头中，根据TSN和IEEE 802.1标准而设置32位的802.1Q标签，其包含16位字段TPID(“标签协议标识符(Tag Protocol Identifier)”)、3位字段PCP(“优先级代码点(Priority CodePoint)”)、1位字段DEI(“丢弃适当性指示符(Drop Eligible Indicator)”)和12位字段VID(“VLAN标识符”)。在一个设计方案中，将特定值分配给PCP字段和/或VID字段以用于以数据为中心的消息传输。在一个设计方案中，数据名称根据分层的ICN或NDN名称结构被转换或映射为针对PCP字段和VID字段的值。

在一个设计方案中，网络是自动化技术或工业控制技术范畴内的机器或设施中的工业网络，其中，作为网络参与者，机器的组件、特别是控制单元和现场设备、例如电气控制装置、驱动调节器、E/A设备(输入/输出设备)等经由网络而相互连接。由于网络中的实时数据传输，例如机器的不同机组的运动可以同步并相互协调一致地进行。有关针对工业网络的TSN标准的描述，例如请参考IEEE时间敏感网络任务组的相应出版物(“Time-SensitiveNetworking Task Group.2021.IEC/IEEE 60802Time-Sensitive Networking Profilefor Industrial Automation.(2021).https://1.ieee802.org/tsn/iec-ieee-60802/")。

此外，该网络可以是(机动)车辆中的车载网络，其中，车辆的电气或电子组件作为网络参与者被联网，特别是传感器、执行器、控制设备等。例如，可以借助在网络中进行的实时数据传输，例如在发动机控制、自动驾驶等范畴内执行安全关键的车辆功能。对于有关汽车网络TSN标准的更多细节，例如请参考IEEE时间敏感网络任务组的相应出版物(“IEEETime-Sensitive Networking Task Group.2021.P802.1DG–TSN Profile for AutomotiveIn-Vehicle Ethernet Communications.(2021).https://1.ieee802.org/tsn/802-1dg/")。

在一个设计方案中，网络可以是有线网络或者例如也可以是无线网络。此外，网络的各个部分或子网可以通过有线方式来实现，而其他部分或子网则可以通过无线方式来实现。例如，网络的很大一部分可以是有线的，但分离的网络参与者可以无线连接到其他有线网络。例如，5G网络代表了一个已确立的、具有QoS能力的通用无线网络架构。虽然各个TSN机制和VLAN标签在5G网络中不能直接使用，但是可以通过特定的转换单元来将TSN机制、例如以太网报头字段映射到5G网络或5G QoS框架(所谓的5G QoS映射)。通过本方法，具有TSN能力的ICN数据流也可以借助于这种TSN 5G转换单元而特别适宜地用于无线连接中。

有关5G网络中TSN机制映射的更多细节，请参考“3rd Generation PartnershipProject.2022.Technical Specification Group Services and System Aspects；Systemarchitecture for the 5G System(5GS)；Stage 2(Release 17).3GPP TS23.501V17.4.0(2022-03)(2022年3月)”，或参考“5G Alliance for Connected Industries andAutomation.2021.Integration of 5G with Time-Sensitive Networking forIndustrial Communications.(2021).https://5g-acia.org/whitepapers/integration-of-5gwith-time-sensitive-networking-for-industrial-communications/”，或参考“Mostafa Khoshnevisan,Vinay Joseph,Piyush Gupta,Farhad Meshkati,RajatPrakash,and Peerapol Tinnakornsrisuphap.2019.5G Industrial Networks With CoMPforURLLC and Time Sensitive Network Architecture.IEEE Journal on SelectedAreas in Communications 37,4(2019),947–959.https://doi.org/10.1109/JSAC.2019.2898744”。

根据本发明的计算单元特别是以编程技术的方式被设置为执行根据本发明的方法。特别地，根据本发明的计算单元被设置为针对网络的节点或分配器或交换机。当数据消息被分配器中的进行请求的网络参与者接收并转发到一个或多个另外的网络参与者时，特别适宜地进行：将用于以数据为中心的消息传输的(ICN)机制映射到网络分配器中的(TSN)机制。特别是，网络的各个分配器分别可以被设置为根据TSN标准的具有TSN监控单元或TSN监管器以及具有TSN数据流量整形单元或TSN整形器的以太网交换机。在一个设计方案中，ICN或NDN转发单元(NDN Forwarder(NDN转发器),Named Data Networking ForwardingDaemon(命名数据网络转发守护程序)NFD)可以分别集成到这些TSN分配器中，例如在协同工作处理器(例如交换机CPU)上的软件中，以便影响到TSN监管器和TSN整形器，使得它们实现以数据为中心的数据消息传输。例如，NDN转发器可以指示(anweisen)TSN监管器和TSN整形器给数据消息的TSN报头字段分配相应的值，并例如根据信用计数器而管理通过相应的输出缓冲区进行的数据消息的转发。

以具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序或计算机程序产品的形式实现根据本发明的方法也是有利的，因为这导致特别低的成本，特别是在进行执行的控制设备还用于其他任务并且因此无论如何都存在的情况下。最后，设置一种机器可读存储介质，其上存储有如上所述的计算机程序。适合于提供所述计算机程序的存储介质或数据载体特别是磁的、光的和电的存储器，例如硬盘、闪存、EEPROM、DVD等。还可以通过计算机网络(互联网、内联网等)下载程序。这种下载在此可以有线地或者说有缆线地或无线地(例如通过WLAN网络、3G、4G、5G或6G连接等)进行。

本发明的进一步优点和设计方案从说明书和附图中得出。

在附图中使用实施例而示意性地示出本发明并且在下面参考附图进行描述。

附图说明

图1示意性地示出了被设置来执行根据本发明的方法的实施方式的网络。

图2示意性地示出了用于网络的分配器，其被设置为执行根据本发明的方法的实施方式。

图3示意性地示出了可以在根据本发明的方法的实施方式的过程中在网络中发送的数据消息。

图4示意性地示出了用于网络的分配器，其被设置为执行根据本发明的方法的实施方式。

具体实施方式

图1示意性地示出并用100来标记网络，其中，大量网络参与者100经由多个分配器或交换机120而相互联网或者说以传输数据的方式连接。例如，该网络是基于以太网的网络，例如EtherCAT、TTEthernet等。

例如，网络100可以是用于将机器的组件联网的工业网络，例如用于工件的自动化生产和/或加工。该机器可以例如包括大量机器人控制的工具，例如焊臂、旋拧工具、铣床等。各个网络参与者110可以例如被设计为执行器、传感器、控制器，例如有存储器可编程的控制器(SPS)等。

此外，网络100还可以是例如用于将(机动)车辆的组件联网的车载网络。于是，各个网络参与者110可以被设计为例如车辆中的执行器、传感器和控制设备。借助联网的车辆组件，例如可以执行安全关键的车辆功能，例如在发动机控制、自动驾驶等的范畴内。

在此类工业网络或车载网络中重要的是，在各个网络参与者之间实现数据的实时传输。基于这种实时数据传输，例如各个机器或车辆组件的运动可以彼此协调一致。

“时间敏感网络”(TSN)标准代表了一种已确立的并且通用的技术，以满足此类以太网络中的实时性要求。在一个设计方案中，基于TSN标准的数据传输与基于以信息为中心的网络(“信息中心网络”，ICN)的以数据为中心或基于数据的消息或数据传输相结合。

为此，网络100的各个分配器120，特别是以编程技术的方式被设置用于以执行根据本发明的方法的实施方式，如下面将参考图2至图4所解释的。

在图2中，在一个设计方案中示意性地示出了网络100的分配器120之一。

分配器120包括输入级210和输出级220，通过输入级210从网络参与者接收数据消息，通过输出级220将数据消息转发到网络参与者。分配器120经由这些输入和输出级210、220分别连接到不同的网络参与者。

在输入级210中设置大量输入端口或输入连接端211。为每个输入端口211分别设置输入缓冲存储器212，并且为每个输入缓冲存储器212分别设置TSN监控单元(英文：“TSNPolicer(TSN监管器)”)213。如果在输入端口211之一接收到数据消息，则该消息被排队到相应的输入缓冲器212中以由分配器120处理。相应的TSN监管器213被设置用于过滤和监控相应的数据流(英文：“Per-Stream Filtering and Policing(每流过滤和监管)”，PSFP)。

相应地，在输出级220中设置大量输出端口或输出连接端221。为每个输出端口221分别设置输出缓冲存储器222，并且为每个输出缓冲存储器222分别设置TSN数据流量整形单元(英文：“TSN-Shaper(TSN整形器)”)223。应通过相应输出端口221被转发的数据消息分别可以排队到各个输出缓冲存储器222中。TSN整形器223分别可以被设计为例如“基于信用的整形器”CBS或“异步流量整形器”ATS，并且被设置用于对来自相应输出缓冲器222的数据消息的传输进行流程规划并且还可以防止数据消息突然溢流。

分配器120还包括基于TSN标准的转发单元230，其处理排队到输入缓冲器212中的数据消息并将它们排队到相应的输出缓冲器222中。例如，该TSN转发单元230可以与TSN监管器213和TSN整形器223协作来在数据消息的报头或数据报头中设置值，例如以便设定该数据消息的优先级或将此消息分配给虚拟局域网(“Virtual Local Area Network(虚拟局域网)”，VLAN)。

此外，在分配器120中设置基于ICN或NDN原则的转发单元(“NDN转发器”、“命名数据网络转发守护程序”、NFD)240。TSN转发单元230、TSN监管器213和TSN整形器223被设置为针对基于TSN标准的消息传输的(软件)机制。ICN转发单元240应被视为用于以数据为中心的消息传输的(软件)机制。ICN转发单元240作用于TSN转发单元230、TSN监管器213和TSN整形器223，并指示这些单元使得这些TSN单元实现以数据为中心的数据消息传输。通过这种方式，根据本发明的一个实施方式，针对以数据为中心的消息传输的机制被映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制，并且在以数据为中心的消息传输的过程中借助这种机制针对基于TSN标准的消息传输来传输相应的数据消息。

特别是，在一个设计方案中，ICN转发单元240指示TSN转发单元230、TSN监管器213和TSN整形器223向相应数据消息的报头的字段分配特定值。通过这种方式可以区分相应数据消息是请求消息还是响应消息，并可以为数据消息预给定消息路径。此外，可以通过分配相应的值来将相应的数据消息分配给输出缓冲器之一。特别是，以这种方式，根据分层ICN名称结构将相应数据的名称映射到数据消息的数据报头中的相应字段，如下面将参考图3所解释的。

在图3中，在一个设计方案中示意性地示出了相应的数据消息并且用300标记。

数据消息300是根据OSI模型的第二层(安全层，“数据链路层(Data LinkLayer)”)的数据帧。该数据消息或数据帧300的报头包括：用于前导码310、用于接收者的MAC地址320、用于发送者的MAC地址330、用于802.1Q标签340和用于以太类型350的字段。802.1Q标签包括：16位TPID字段341(“标签协议标识符(Tag Protocol Identifier)”)、3位PCP字段342(“优先级代码点(Priority Code Point)”)、1位DEI字段343(“丢弃适当性指示符(Drop Eligible Indicator)”)和12位VID字段344(“VLAN标识符”)。该数据消息或数据帧300还包括有效负载360，其具有要传输的数据的名称361和要传输的数据362本身。当然，数据消息300还可以具有另外的成分或另外的字段，为了一目了然起见，在图3中没有明确地示出它们。例如，可以在名称361和要传输的数据362之间设置数据帧300的另外的报头字段。

数据名称361基于根据ICN或NDN原则的分层名称结构。例如，可以根据分层名称结构通过该数据名称361的前缀中的特定字符串来指定要传输的数据362的优先级。该优先级被转换为针对PCP字段342的值。此外，可以在名称结构中存储：消息300是来自进行请求的网络参与者的用于搜索特定数据的请求消息(“兴趣(INTEREST)包”)还是用于将所请求的数据传送到进行请求的网络参与者的响应消息(“数据(DATA)包”)。

基于存储在名称361中的该信息，设定：数据消息300被分配到哪个输出端口321，其中第一数量的输出端口321被设置用于请求消息并且第二数量的输出端口322被设置用于响应消息。相应地，还可以针对请求消息设置第一数量的输入端口311，并且针对响应消息设置第二数量的输入端口312。为此目的，针对802.1Q标签340的PCP字段342和VID字段344预给定相应的值。因此，名称361根据分层ICN名称结构被映射到802.1Q标签340的PCP字段342和VID字段344。

为了将这样的数据消息300排队到相应的输出缓冲器322中，可以使用与TSN标准不同的机制。例如，可以使用所谓的令牌桶过滤器(TBF)，如下面将参考图4所解释的。

在图4中，在一个设计方案中示意性地示出了网络100的分配器120之一。

分配器120具有用户区410和内核区450。ICN或NDN转发单元(“命名数据网络转发守护程序”，NFD)240设置在用户区410中。应用411分别经由接口412连接到NDN转发单元240。此外，NDN转发单元240具有NFD控制单元413以及NFD规则414和NFD表415，例如“待处理兴趣表”，PIT。NDN转发单元240经由接口416连接到内核区450中的VLAN接口452。控制单元451被设置在内核区450中，例如以“Linux流量控制”(TC)的形式。设置了多个令牌桶过滤器(TBF)453，这些令牌桶过滤器分别实现输出缓冲器454之一。分配器经由输出端口221连接到物理网络400。

通过这样的抽象化，NFD转发单元240概括了所有类型的接口的使用(Umgangmit)，例如应用接口412、网络接口221和虚拟接口416。为了拟定在操作系统级别上的数据流量，LinuxTC系统451提供用于配置网络接口221的行为的内核机制，其包含TSN规则(Disziplinen)。

借助于LinuxTC系统451，可以配置令牌桶过滤器453，这构成类似于ATS的用于数据流量控制的排队规则。Linux TC系统和NFD转发单元240之间的映射是通过VLAN接口416实现的。

从NDN应用的角度来看，这种数据流量整形(“流量整形(Traffic Shaping)”)是透明的，并且可以使已部署的NDN系统过渡到对TSN功能的支持，而无需更改应用逻辑。

Claims (15)

1.用于在网络(100)中传输数据消息(300)的方法，在所述网络中，大量网络参与者(110)经由至少一个分配器(120)而相互联网，其中，在多个网络参与者(110)之间传输数据消息(300)包括：

将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制，以及

在以数据为中心的消息传输的过程中通过针对基于TSN标准的消息传输的机制来传输所述数据消息(300)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制包括：

区分所述数据消息(300)是请求消息还是响应消息，

如果所述数据消息(300)是请求消息，则预给定消息路径的至少一部分，并且将至少部分预给定的消息路径存储在表中，并且

如果所述数据消息(300)是响应消息，则将存储在表中的消息路径分配给所述数据消息(300))。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述数据消息(300)包括数据报头，其中在所述数据报头中设置字段(342、344)，并且其中将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制包括：

向所述数据报头中的字段(342、344)分配特定值，

并且在以数据为中心的消息传输的过程中根据所分配的值而传输所述数据消息(300)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述分配器(120)之一中的输入端口(211)处接收到所述数据消息之后进行：在所述分配器中分配所述值，并且其中分配所述值包括：设定所述数据消息(300)被传送到的所述分配器(120)的输出缓冲器(222)和/或输出端口(221)。

5.根据权利要求2和4所述的方法，其中在所述分配器(120)中，使用用于请求消息的第一数量的输出缓冲器(222)和用于响应消息的第二数量的输出缓冲器(222)，并且其中所述分配器(120)的所述输出缓冲器(222)的设定取决于所述数据消息(300)是请求消息还是响应消息而进行。

6.根据权利要求4或5所述的方法，所述方法还包括：根据信用计数器将数据消息从所分配的输出缓冲器(222)转发到另一网络参与者(110)，其中所述信用计数器根据所述数据消息(300)在所述输出缓冲器(222)中花费的等待时间而增加。

7.根据从属于权利要求3时的前述权利要求中任一项所述的方法，其中将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制包括：将根据以数据为中心的消息传输所基于的分层名称结构的名称(361)映射到所述数据消息(300)的数据报头中的字段(342、344)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述名称(361)映射到所述数据报头中的字段(342、344)包括：

根据所述名称的部分或前缀向所述数据消息(300)分配优先级。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络(100)特别是基于TSN标准被划分为多个虚拟局域网，并且其中将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到针对基于TSN标准的消息传输的机制包括：

将针对以数据为中心的消息传输的机制映射到用于将网络划分为多个虚拟局域网的机制。

10.根据从属于权利要求3时的权利要求9所述的方法，其中所述数据报头中的字段(342、344)被设置为用于将网络划分为多个虚拟局域网的机制。

11.根据从属于权利要求3时的前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述字段(342、344)是所述数据报头的802.1Q标签(340)中的字段，特别是PCP字段(342)和/或VID字段(344)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述网络(100)是机器或设施中的工业网络或者是车辆中的汽车网络。

13.计算单元(120)，其被设置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的所有方法步骤。

14.计算机程序，当所述计算机程序在计算单元(120)上被执行时，所述计算机程序使得所述计算单元(120)执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的所有方法步骤。

15.机器可读存储介质，其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。