基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网制造技术

本发明专利技术请求保护一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，具体包括以下步骤：首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；如果传输的信道空闲，顺利发送数据；当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近ST

【技术实现步骤摘要】
基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网
本专利技术属于工业物联网领域，具体涉及一种使用时间敏感网络确保工业通信中关键负载通信的质量。
技术介绍
目前物联网技术的发展带来了很多解决问题的思路和方法，可以更好地推进高科技低能耗的社会建设工作。工业物联网被看作成物联网的组成部分之一，当前主要由以美国工业互联网和德国工业4.0所主导的信息物理系统(Cyber-PhysicalSystems，CPS)为代表，它主要将大数据、云计算、传感器或控制器等技术集成到生产中的各个过程中，以提高生产效率和产品的质量，从而降低生产成本，将传统行业转变为智能化产业。工业4.0的一个中心特征是联网的网络物理系统(CPS)，其中物理过程由计算机控制，由计算机网络向CPS控制器传输传感器数据和执行器命令。由于传感器和执行器可能在工厂之间分布，而且许多物理过程如一组协作机器人的运动控制是高度时间敏感的。以太网由于其开放性和低成本，以太网技术作为链路层连接标准在通行网络中得到了广泛的应用，但是传统的以太网是设计来提高链路利用率，以便为最佳服务(besteffortservices)实现最大的端到端的吞吐量(throughput)。而当最佳服务提供高链接利用率和简单的实现时，不能保证端到端的延迟。因此，以太网不适合那些要求确定性端对端延迟的应用，例如：工业、自动化控制。为了保证物理系统在控制下的确定性行为，因此需要一个具有确定性有界网络延迟和延迟变化的实时通信网络来连接传感器、执行器和控制器。传统上，现场总线已被用于此目的，后来随着以太网技术的飞速发展，SERCOSIII、PROFINET、TTEthernet、EtherCAT、FlexRay等提出了不同的实时以太网技术。尽管这些以太网技术提供了确定性的实时属性，并且可以在同一介质上传输实时和非实时流量，但它们彼此不兼容，因此不同技术不能在同一物理介质上运行。大大限制了互操作性和互联性。本专利技术主要解决的是工业物联网领域中对ST数据传输的确定性延迟、保证传输的时效性。在TSN时间敏感网络的基础上进一步改进部分传输机制，加入自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制，更加确保ST流量传输的确定性延迟和在保证ST传输的情况下尽量保证BE流量的正常传输。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网。本专利技术的技术方案如下：一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其在传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS基础上，加入自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制，具体包括以下步骤：1)首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；2)检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；3)检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；4)如果传输的信道空闲，顺利发送数据；5)当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；6)当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近STHigh时系统按需调整对应的门控条目。进一步的，所述步骤3)的传输条件为：当满足以下条件时队列中的流量就可以进行传输：1)队列中包含的帧准备好传输2)队列的门是打开的3)更高优先级的流量类队列(有打开的门)没有帧传输(对BE流量而言)4)队列中的传输的帧在给定的时隙窗口内能完成传输。进一步的，所述自适应带宽共享ABS机制具体为：如果给定的传输机会不被使用，则为了实现高链路利用率，为阻塞的队列提供ST或BE时隙的自适应带宽共享，也就是说ABS临时共享当前时隙时间的带宽，预留给BE的传输机会(由于BE时隙窗口)可以暂时与ST流量共享；当时隙窗口设置为BE或ST时，如果保留的队列(BE或ST)为空，则可以选择非空(ST或BE)等待队列进行传输。进一步的，所述动态自适应时隙开窗ASW机制具体为：该机制根据运行时网络统计量将BE(best-effort尽力而为流量)门控比转换为ST(Sensitive-time时间敏感流量)门控比，或ST门控比转换为BE门控比，这种自适应方法能够在暂时牺牲BEQoS的基础上处理ST流量的突发。对于标准TAS机制的ASW修改，将接收端运行时的网络统计信息反馈给上游交换机，上游交换机根据特定流量类的预定义延迟阈值决定是否需要扩展或减少时隙窗口；如果当前运行时延接近阈值，那么将会扩展出现问题的流量类的时隙，反之亦然。进一步的，传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS具体包括：采用基于同步调度的方法调度TSN流量类，即IEEE802.1Qbv门控调度，时间感知队列通过时间感知整形器TAS使TSN交换机能够来控制队列流量；TAS主要考虑两种流量类型：高优先级的ST和低优先级的BE；ST在交换机中的ST队列中缓存，BE在交换机中的BE队列中缓存；TAS按照流量类实现帧优先级的隔离：TAS将传输机会进行划分以确保满足ST的服务质量QoS的限定，并保护ST不受任何交叉流量的干扰；TAS交换机根据有多个GCEs门控制条目组成的循环GCL，每一个队列都有一个门控GCEs，而一个交换机中所有的门控合称为GCL门控制列表，切换门的状态为开/关，决定何时打开队列门传输流量；当对应的队列门状态打开时，检查时隙窗口，如果当前正在空闲输出通道上等待传输的ST包的总传输时间小于到BE时隙时间开始的持续时间，那么将发送ST包，否则ST包将会被调度到下一个GCL周期；因此如果ST包到达BE时隙的开头，那么它至少要等到下一个ST时隙的开头，同理BE包也是如此。本专利技术的优点及有益效果如下：1)本专利技术继承了传统TSN网络在联网中提供可靠的确定性，实现端到端的实时传输数据；2)在保持BE延迟相对较低的情况下，进一步减少ST的延迟，也能有效缓解BE流量互斥等待等3)动态的根据网络中各类流量的传输情况调节时隙窗口的门控比，对于网络中突发的某类流量激增情况有着极强的适应、处理能力，保持实时传输数据。本专利技术的创新主要是在传统的时间敏感网络的时间感知整形器(TAS)基础上，加入自适应带宽共享(ABS)机制和动态自适应时隙开窗(ASW)机制。相对之前的技术，自适应带宽共享(ABS)机制能根据实际传输情况动态的调节ST/BE之间的门控比，对于网络中ST或BE流量激增的情况，更加能保障ST流量传输的确定性延迟，也能在保证ST传输的情况下尽量保证BE流量的正常传输；自适应带宽共享(ABS)机制能在ST队列(BE队列)空闲时，借由其空闲带宽传输BE流量(ST流量)，提高链路传输的利用率。加入这两种机制更加适应实际传输情况，无论对于ST或BE流量都能获得更好的传输效果附图说明<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，在传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS基础上，加入自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制，具体包括以下步骤：/n1)首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；/n2)检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；/n3)检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；/n4)如果传输的信道空闲，顺利发送数据；/n5)当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；/n6)当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近ST

【技术特征摘要】
1.一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，在传统的时间敏感网络的时间感知整形器TAS基础上，加入自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制，具体包括以下步骤：
1)首先网络中不同类型的流量按照既定的流量类分类，按照FIFO的原则放入对应的队列中，当信道空闲，存在排队待发送的帧；
2)检查对应的门，如果对应的门是关闭的，等待对应的门开启；如果对应的门是开启状态，进入下一步；
3)检查对应的时隙窗口，如满足传输条件则准备传输；
4)如果传输的信道空闲，顺利发送数据；
5)当传输的信道繁忙，系统激活自适应带宽共享ABS机制和动态自适应时隙开窗ASW机制；
6)当系统的QoS在正常范围中时，系统无需更改传输结构，当QoS接近阈值，即延迟接近STHigh时系统按需调整对应的门控条目。


2.根据权利要求1所述的一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，所述步骤3)的传输条件为：当满足以下条件时队列中的流量就可以进行传输：
1)队列中包含的帧准备好传输
2)队列的门是打开的
3)更高优先级的流量类队列(有打开的门)没有帧传输(对BE流量而言)
4)队列中的传输的帧在给定的时隙窗口内能完成传输。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于TSN的自适应调节时隙窗口和带宽共享的工业物联网，其特征在于，所述自适应带宽共享ABS机制具体为：如果给定的传输机会不被使用，则为了实现高链路利用率，为阻塞的队列提供ST或BE时隙的自适应带宽共享，也就是说ABS临时共享当前时隙时间的带宽，预留给BE的传输机会(由于BE时隙窗口)可以暂时与ST流量共享；当时隙窗口设置为BE或ST时，如果保留的队列(BE或ST)为空，则可以选择非空(ST或BE)等待队列进行传输。


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【专利技术属性】
技术研发人员：罗志勇，黄典典，王耀，何禹辰，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50