一种链式业务流调度的规划方法和系统架构

1.本发明涉及工业网络技术领域，具体涉及一种链式业务流调度的规划方法和系统架构。


背景技术：

2.在新智能制造行业的推动下，个性化定制和网络协作等新的制造生产模式得到了广泛的发展。新模式下制造设备和工业应用信息系统之间需要通过工业网络进行频繁的数据交互。而企业内部有线网络技术的信息技术(it)和运营技术(ot)系统是独立联网的；另一方面，工业控制技术系统使用各种不兼容的现场工业总线网络和工业以太网，使得工业数据交互繁琐。因此，为了灵活地处理业务流，并兼容工业以太网的特性，例如确定的时间延迟和抖动，研究新工业网络架构是目前的热门方向。目前工业网络正在向基于广泛使用的以太网的时间敏感网络(tsn)发展。tsn可以支持ot系统对网络实时性和可靠性的要求，并且与it网络使用的标准以太网兼容。因此，tsn可以有效解决以上两个问题，被认为是未来工业网络的关键技术。
3.但是，尽管时间敏感网络具有时间确定性保证和网络灵活调度的特点，但是在实际工业生产中常常需要多个子网的业务流合作完成任务，而同时规划多个业务流将给tsn调度带来新的挑战。在时间确定性网络中，所有任务需要在规定时间内完成，由于在服务链中的业务流程具有相应的顺序逻辑关系，单个调度业务流可能会不满足整体业务流的延迟和抖动范围，从而导致不可预测的后果。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施方式提供了一种链式业务流调度的规划方法和系统架构，从而实现了为工业链式业务流的确定性网络调度提供合适的调度方案。
5.根据第一方面，一种链式业务流调度的规划方法，所述方法包括：
6.获取工业网络的网络架构信息，以及在所述工业网络中传输的业务流信息，以根据所述网络架构信息和所述业务流信息构建业务流模型，所述业务流信息至少包含用于表示所述业务流及其子业务流的逻辑关联关系；
7.利用所述业务流模型中信息的约束条件生成所述工业网络的时间确定性约束条件；
8.以所述时间确定性约束条件为前提生成所述业务流模型的业务流时隙调度方案。
9.可选地，利用所述业务流模型中的信息的约束条件生成所述工业网络的时间确定性约束条件，包括：
10.获取至少包含链式业务流帧时隙约束、网络路由约束、业务流时延需求约束、中继节点的处理时间约束的约束集合，所述约束集合即为所述时间确定性约束条件。
11.可选地，所述网络路由约束为至少包括起点约束、终点约束和中继节点约束的约束集合。
12.可选地，所述链式业务流帧时隙约束、所述业务流时延需求约束、所述中继节点的处理时间约束的表达式如下：
13.其中，所述链式业务流帧时隙约束表达式如下：
[0014][0015]
t
vi.start
‑
t
vi
‑
1.start
≥t
trans
+t
propa
+t
handle
[0016][0017]
式中v
a
和v
b
分别表示一个业务流的流转的两个终端，v
i
表示一个业务流中的中继节点，表示一个业务流，f表示全业务流，ε表示网络边，t
vi.start
和t
vi
‑
1.start
分别表示一个业务流中的两个相邻节点，t
trans
、t
propa
和t
handle
分别表示数据帧传输时延、交换机处理时延和网口排队时延，t
delay.max
表示总时延；
[0018]
其中，所述业务流时延需求约束表达式如下：
[0019][0020]
式中表示网络路由标识符，表示业务流的延迟期限，v
r
表示业务流两个终端中的中继节点,表示子业务流之间的时间延迟占总延迟要求的比例，表示两个子业务流之间的处理时延，其中和分别表示业务流的两个子业务流；
[0021]
其中，所述中继节点的处理时间约束表达式如下：
[0022][0023][0024]
式中，表示两个子业务流之间的处理时延，p
i
表示流优先级，n表示业务流个数，表示两个子业务流之间的时间延迟占总延迟要求的比例，表示网络路由标识符，tt是工控时间触发流。
[0025]
可选地，所述起点约束、终点约束和中继节点约束的表达式如下：
[0026]
其中，起点约束表达式为：
[0027][0028][0029][0030]
其中，终点约束表达式为：
[0031][0032][0033]
其中，中继节点约束表达式为：
[0034][0035][0036][0037]
式中，tt是工控时间触发流，v
a
和v
b
分别表示业物流的起点和终点，v
i
、v
j
和v
r
分别表示一个业务流中的中继节点，f
()
表示业务流，rel表示两个子业务流之间的时间延迟占总延迟要求的比例，表示网络路由标识符。
[0038]
可选地，以所述时间确定性约束条件为前提生成所述业务流模型的业务流时隙调度方案，包括：
[0039]
以所述业务流信息为解算器的输入，所述时间确定性约束条件为解算器的约束，通过解算器解算出所有满足约束条件的所述业务流时隙调度方案。
[0040]
可选地，所述方法还包括：
[0041]
获取优化目标函数，并将所述优化目标函数在解算前与所述解算器相匹配；
[0042]
根据所述优化目标函数的优化目标进行解算，生成在所有满足约束条件的所述业务流时隙调度方案中的最优方案。
[0043]
可选地，所述逻辑关联关系使用流关联标识rel
i
表示，其表达式为：
[0044][0045]
其中，f
i
,f
j
代表两个不同的子业务流，表示子业务流之间的时间延迟占总延迟要求的比例，表示两个子业务流之间的处理时延；
[0046]
其中，
[0047]
k表示比例值，tt是工控时间触发流；
[0048]
其中，
[0049]
p
i
表示流优先级，n表示业务流个数。
[0050]
根据第二方面，一种链式业务流调度的系统架构，所述系统包括：
[0051]
信息采集模块，获取工业网络的网络架构信息，以及在所述工业网络中传输的业务流信息，以根据所述网络架构信息和所述业务流信息构建业务流模型，所述业务流信息至少包含用于表示所述业务流及其子业务流的逻辑关联关系；
[0052]
约束模块，利用所述业务流模型中的信息的约束条件生成所述工业网络的时间确定性约束条件；
[0053]
解算模块，以所述时间确定性约束条件为前提生成所述业务流模型的业务流时隙调度方案。
[0054]
根据第三方面，一种电子设备，包括：
[0055]
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。
[0056]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0057]
本发明实施例提供的一种链式业务流调度的规划方法和系统架构。该方法具体包括：首先确定需要在工业网络中进行传输业务流，以及与其相关的信息。之后根据工业网络的网络拓扑结构和网络状态信息确定工业网络的具体网络架构。从而根据业务流信息与网络架构构建业务流模型，以业务流模型确定出制定调度方案的时间确定性约束条件，从而通过约束条件使得制定的调度方案满足网络的时间确定性。最后以业务流信息为解算器输入，时间确定性约束条件为解算器的解算指标，解算出能够在规定时间内完成业务流传输的调度方案。进一步地通过制定目标函数来对解算器的解算过程进行优化，得到最优的调度方案，能够减少调度占用资源和/或提高调度效率，进一步提升了本发明规划的调度方案的可调度性。生成的调度方案完成了对工业网络业务流在规定时间内的整体调度，克服了tsn调度业务困难复杂，以及单个调度业务流可能产生不良影响的问题。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1为本发明实施例的一种链式业务流调度的规划方法的步骤示意图；
[0060]
图2为本发明实施例的一种链式业务流调度的规划方法的应用场景示意图；
[0061]
图3为本发明实施例的一种链式业务流调度的系统架构的结构示意图；
[0062]
图4为本发明实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
[0063]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0065]
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种链式业务流调度的规划方法，具体包括如下步骤：
[0066]
步骤s101：获取工业网络的网络架构信息，以及在工业网络中传输的业务流信息，以匹配网络架构信息和业务流信息构建业务流模型，业务流信息至少包括业务流逻辑关联关系，用于表示业务流及其子业务流的逻辑关联。
[0067]
具体地，目前tsn处理业务流是在一个网络中完成的，本发明面向工业链式服务应用，即多个子网中的业务流呈链式串起来，协同完成工业业务。在生成链式业务流调度方案之前，需要知道被用于传输业务流的工业网络的具体网络架构，因此需要采集该网络架构的网络架构信息，其中网络架构信息包含网络拓扑信息和网络状态信息。可以采用发送接收lldp链路层发现协议数据包的方式收集网络拓扑信息，网络拓扑信息包括：交换机间的连接信息、终端与交换机间的连接信息，具体包括链路id、链路源、目的终端mac地址、链路总带宽、链路可用带宽、链路丢包率、链路端到端时延等详细参数；网络状态信息包括：链路可用带宽、交换机处理时延、设备网卡速率。
[0068]
首先获取网络设备的基本信息，即交换机mac地址、ip地址，网络终端mac地址、ip地址；其次，获取交换机网卡信息，包括交换机id、网卡mac地址、网卡标识号等；之后可以采用查询和监测网卡的方式获取网络状态信息。在获取网络架构信息后，还需获取在该工业网络中传输的业务流信息。类比于制定一份交通计划需要提前得到实施该计划的道路结构和通行于该道路的车辆，道路结构类比于本发明实施例中的网络架构，车辆类比于本发明实施例中的业务流，因此本发明能够规划出类比于交通计划的针对工业网络中的链式业务流的调度方案，使得业务流能够在规定时间内交互完毕。
[0069]
获取业务流信息，首先获取链式业务流及其子业务流的业务流身份信息，用于指代要传输的业务流的身份，包括：源、目的终端(host)id,业务流id，源、目的终端的mac地址，源、目的终端的ip地址；其次，获取链式业务流及其子业务流的业务流基本信息，用于描述业务流的相关属性，包括但不限于：业务流数据包发送周期、数据包周期最大发送帧数、数据包最大帧大小、业务流优先级；并且，还需要获取业务流及其子业务流的业务流需求信
息，用于表示业务流的需求和条件，包括但不限于：流的最大传输时延、流的时延抖动范围、数据发送偏移量、dscp优先级；在获取了上述描述业务流的一些基本信息之后，特别地，在本发明实施例中还需要获取链式业务流与其子业务流的业务流逻辑关联关系，在本发明实施例中独特地用于表示业务流及其子业务流的逻辑关联关系，以及同一链式业务流中各个子业务流的逻辑关联关系等。当有外部设备需要通过工业网络进行通信时，外部设备会向工业网络发送各类信息从而形成了各类业务流。
[0070]
tsn网络可以表示为n＝(v，e),v∈v,ε∈e,v是网络节点集合，e是网络边的集合。每个流可以用如下表达式统一表示：<p
i
,s
i
,d
i
,t
i
,ddl
i
,rel
i
>，分别为流优先级、源地址、目的地址、流周期、最大传输延迟、流关联标识。其中，流关联标识rel
i
是本发明实施例面向链式业务流的特有标识，表示链式业务流中子业务流逻辑关系的关联信息，表示为其中，f
i
,f
j
是子业务流，表示子业务流之间的时间延迟占总延迟要求的比例，如下所示：
[0071][0072]
并且，两个子业务流之间的处理时延可表示为如下所示：
[0073][0074]
其中，处理时延通过将流周期作为一个时间单位来量化表示。
[0075]
步骤s102：利用业务流模型中的信息的约束条件生成工业网络的时间确定性约束条件。
[0076]
具体地，所规划出的调度方案能够实现业务流在规定时间内传输完毕的功能，还需在规划计算中加入该工业网络的时间确定性约束条件。其中，时间确定性约束条件根据网络拓扑信息、网络状态信息及业务流信息对时间敏感流、进行网络约束分析，得到网络约束条件结果。本发明实施例采用但不限于链式业务流帧时隙约束、网络路由约束、业务流时延需求约束、中继节点的处理时间约束来生成确定性约束条件，通过将上述约束组成的集合作为时间确定性约束条件
[0077]
其中，根据子业务流数据帧大小和周期等信息,生成链式业务流帧时隙约束，其中，业务流帧周期大小可以表示为在数值上表示为所有子业务流帧周期的最小公倍数；业务流中相邻节点的时间不小于数据帧传输时延、交换机处理时延和网口排队时延总和，并且端到端的总时延不大于业务流所要求的总时延，因此，链式业务流帧时隙约束可表达为如下所示：
[0078][0079]
t
i.start
‑
t
i
‑
1.start
≥t
trans
+t
propa
+t
handle
,
[0080]
[0081]
表示一个业务流节点，括号中表示流的两个端点。
[0082]
其中，根据链式业务流及其子业务流周期、端到端时延、时延抖动等需求，生成链式业务流及其子业务流的业务流时延需求约束，时延约束描述了每个端到端流应该在截止日期之前到达所有目的地，这要考虑基于服务链的工业网络的中继节点的处理时间，因此时延约束的等式描述如下：
[0083][0084]
等式描述了端到端延迟，可以看出，端到端延迟主要考虑流的数据传输延迟和中继节点的处理延迟。业务流的延迟期限由用户指定。为了提供延迟保证，源与目的地的发送时间点之间的等待时间(包括中继节点的处理延迟)应在期限内。
[0085]
其中，中继节点的处理时间约束描述为如下式所示。当且仅当不等式的右边等于零时，等式变为等号。并且这意味着流没有通过网络中的中继节点v
r
，并且中继节点的处理时间为零。
[0086][0087][0088]
tt表示工控时间触发流，属于tsn主要调度的高优先级流。
[0089]
其中网络路由约束包括但不限于：起点约束、终点约束和中继节点约束。其中根据网络拓扑信息和链路状态信息，生成网络路由约束。首先，对于业务流中节点定义一个网络路由标识符：
[0090][0091]
表示为业务流中任意一段链路如果通过网络拓扑中的边[v
i
,v
j
]，则网络路由标识符的值为1，如果业务流中任意一段链路不经过此[v
i
,v
j
]，则为0。据此，网络路由的第一个约束起点约束表示为：
[0092]
[0093][0094][0095]
此约束是保证在网路拓扑中节点v
a
始终处于链路的第一个传输节点，网络拓扑中不会有第二个节点先于节点v
a
来发送初始数据，意味着此点之前再有任何的节点与之相连的边被路由，用路由标识符写公式表述。
[0096]
为了确保节点v
b
是业务流链路的唯一终端节点，网络路由的第二个约束终点约束表示为：
[0097][0098][0099]
在确保了起点与终点的约束后，基于本链式业务流多流级联的特性，存在一个中继节点，既是上一个子业务流的终点，又是下一个子业务流的起点，因此，网络路由的第三个约束中继节点约束表示为：
[0100][0101][0102][0103]
通过上述约束条件，即可确保所规划的调度方案能够在绝大多数情况下在规定的时间内完成业务流的传输，从而保证了工业网络的时间确定性特性。
[0104]
步骤s103：以时间确定性约束条件为前提生成业务流模型的业务流时隙调度方案。
[0105]
具体地，利用解算器计算出业务流时隙调度方案，以调度工业网络中的链式业务流，业务流信息为解算器的输入，计算出所有可用的路径组，用户可根据不同的需求动态调整业务流信息。时间确定性约束条件为解算器的约束，其中解算器可采用但不限于smt求解器、ilp求解器、omt求解器等，从而解算出满足用户时间需求的时间确定性调度方案。解算器原理为现有技术，本发明实施例不再赘述。为了便于理解，可以将工业网络类比于交通道
路网络，业务流类比于车辆，解算器类比于制定方案的交警，约束条件类比于交通规则(本发明实施例中的约束条件是业务流传输时的规范和需求属性)，从而制定出一套满足交通规则的指挥方案。
[0106]
具体地，在一实施例中，本发明实施例提供的一种链式业务流调度的规划方法，还包括如下步骤：
[0107]
步骤s104：获取优化目标函数，并将优化目标函数在解算前与解算器相匹配；
[0108]
步骤s105：根据优化目标函数的优化目标进行解算，生成在所有满足约束条件的业务流时隙调度方案中的最优方案。
[0109]
具体地，优化目标函数一般是用户最优需求的目标，主要体现在丢包率、带宽利用率，网络可调度性等网络性能方面的优化。通过设置优化函数，可以筛选出s102～s103步骤中所有生成的时间确定性调度方案中最优的方案，并且将优化目标函数添加到解算器的解算过程中，可以根据优化目标减少大量的计算时间，从而提高规划调度方案的效率。本发明将优化目标函数选为最小化带宽占用率，b为链路带宽，通过使用最少带宽完成业务流调度，以节省链路带宽资源，提高业务流的可调度性。优化目标函数如下所示；
[0110][0111]
通过执行上述各个步骤，本发明实施例提供的提供的一种链式业务流调度的规划方法：首先确定需要在工业网络中进行传输业务流，以及与其相关的信息。之后根据工业网络的网络拓扑结构和网络状态信息确定工业网络的具体网络架构。从而根据业务流信息与网络架构构建业务流模型，以业务流模型确定出制定调度方案的时间确定性约束条件，从而通过约束条件使得制定的调度方案满足网络的时间确定性。最后以业务流信息为解算器输入，时间确定性约束条件为解算器的解算指标，解算出能够在规定时间内完成业务流传输的调度方案。进一步地通过制定目标函数来对解算器的解算过程进行优化，得到最优的调度方案，能够减少调度占用资源和/或提高调度效率，进一步提升了本发明规划的调度方案的可调度性。生成的调度方案完成了对工业网络业务流在规定时间内的整体调度，克服了tsn调度业务困难复杂，以及单个调度业务流可能产生不良影响的问题。
[0112]
如图3所示，本实施例还提供了一种链式业务流调度的系统架构，该系统包括：
[0113]
信息采集模块101，获取工业网络的网络架构信息，以及在工业网络中传输的业务流信息，以根据网络架构信息和业务流信息构建业务流模型，业务流信息至少包含用于表示业务流及其子业务流的逻辑关联关系。详细内容参见上述方法实施例中步骤s101的相关描述，在此不再进行赘述。
[0114]
约束模块102，利用业务流模型中的信息的约束条件生成工业网络的时间确定性
约束条件。详细内容参见上述方法实施例中步骤s102的相关描述，在此不再进行赘述。
[0115]
解算模块103，利用解算器得到以时间确定性约束条件为前提的业务流模型的业务流时隙调度方案。详细内容参见上述方法实施例中步骤s103的相关描述，在此不再进行赘述。
[0116]
本发明实施例提供的一种链式业务流调度的系统架构，用于执行上述实施例提供的一种链式业务流调度的规划方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。
[0117]
通过上述各个组成部分的协同合作，本发明实施例提供的一种链式业务流调度的系统架构：首先确定需要在工业网络中进行传输业务流，以及与其相关的信息。之后根据工业网络的网络拓扑结构和网络状态信息确定工业网络的具体网络架构。从而根据业务流信息与网络架构构建业务流模型，以业务流模型确定出制定调度方案的时间确定性约束条件，从而通过约束条件使得制定的调度方案满足网络的时间确定性。最后以业务流信息为解算器输入，时间确定性约束条件为解算器的解算指标，解算出能够在规定时间内完成业务流传输的调度方案。进一步地通过制定目标函数来对解算器的解算过程进行优化，得到最优的调度方案，能够减少调度占用资源和/或提高调度效率，进一步提升了本发明规划的调度方案的可调度性。生成的调度方案完成了对工业网络业务流在规定时间内的整体调度，克服了tsn调度业务困难复杂，以及单个调度业务流可能产生不良影响的问题。
[0118]
图4示出了本发明实施例的一种电子设备，该设备包括：处理器901和存储器902，可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。
[0119]
处理器901可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0120]
存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如上述方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
[0121]
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0122]
一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。
[0123]
上述电子设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0124]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通
过计算机程序来指令相关的硬件来完成，实现的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid
‑
state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0125]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。