一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法技术

本发明专利技术涉及工业时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法；该方法设计基于动态历史表长度的改进矢量消除法，通过业务流的基本流量属性对IEEE802.1CB标准的帧复制和帧消除技术的历史表长度进行动态调整，实现以太网的高可靠性无缝冗余传输；FPGA能够提高各组件的处理速度，降低无缝冗余传输的交换时延；基于动态历史表长度的改进矢量消除法能够有效遏制由于冗余路径时延差距过大导致消除算法失效问题，从而提高无缝冗余传输方法的带宽利用率与可靠性。提高无缝冗余传输方法的带宽利用率与可靠性。提高无缝冗余传输方法的带宽利用率与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法


[0001]本专利技术涉及工业时间敏感网络通信
，具体涉及一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法。

技术介绍

[0002]工业互联网是智能制造和智能工厂的核心，其连接工业制造的各个环节，旨在提高制造效率、优化生产管理、促进工业制造领域的转型升级与持续高速发展国民经济。新兴时敏业务在数据传输方面提出的确定性时延要求对现有以太网产生了挑战；为此，IEEE802.1工作组提出了时间敏感网络(time
‑
sensitive networking，TSN)协议，TSN以基于IEEE802.3的有线以太网为基础，增加扩展了一系列功能与协议标准，提升了以太网支持实时应用的能力，在为时敏业务提供时延有界且高可靠的数据传输服务的同时，也能为非时敏业务提供高速率但尽力而为的传输服务。
[0003]IEEE802.1CB作为TSN可靠性的核心标准，工作在全双工以太网的数据链路层，以冗余拓扑网络为物理基础，结合帧复制和帧消除技术(Frame Replication and Elimination for Reliability，FRER)来实现时间敏感网络的时敏业务无缝冗余传输，以提高其业务可靠性。相较于传统互联网可靠性技术RSTP、MSTP技术，FRER有着自愈时间为0的特点，且其能够适应多种网络拓扑，具有较高的灵活性与可扩展性，以及较低的管理成本。IEEE 802.1CB协议结构独立，扩展性强，为自动化工厂、汽车控制、航天航空等众多领域提供高可靠业务传输服务。/>[0004]FRER技术主要是在发送端将原始流分裂为一个或多个成员流，使得原始流成为由多个成员流组成的复合流，并复制原始流的数据帧副本到成员流，这些成员流将通过不同的冗余路径发往目的节点。然后在其他节点结合这些成员流，消除重复数据帧，发送重构的数据流。该协议可以有效地降低设备故障造成的路径规划时间。FRER技术中的消除算法的精度决定了无缝冗余传输是否存在额外的带宽消耗。在IEEE标准协议中的矢量消除算法，会由于两条或多条冗余路径的传输时延差距过大导致该矢量消除算法失效，因而导致应该被消除的数据帧没有被消除，产生了额外的带宽消耗，此外这些应该被消除而未被消除的数据帧也可能对网络与终端设备造成影响。同时，由于流识别与帧消除等组件的加入，也可能会使交换性能下降，交换时延上升，从而违背了工业控制网络低时延的需求。
[0005]综上所述，在工业物联网中现有的无缝冗余传输技术缺乏应对多种网络拓扑的能力，且可扩展性不高，管理成本较高。帧复制与帧消除技术存在由于矢量消除算法的缺陷导致有额外的带宽消耗与可靠性下降的问题，也存在组件加入导致交换性能下降的问题。因此，解决矢量消除算法自身缺陷与提高多个组件性能成为本专利技术的研究重点。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法，该方法设计基于动态历史表长度的改进矢量消除法，通过业务流的基本流量属性对IEEE802.1CB
标准的帧复制和帧消除技术的历史表长度进行动态调整，实现以太网的高可靠性无缝冗余传输；
[0007]以太网中设备包括数据产生终端、数据接收终端、集中控制节点和交换节点；
[0008]集中控制节点，用于接收关键业务流的无缝冗余传输请求报文，并为关键业务流配置相关数据并打包到控制报文中，然后向多个交换节点下发控制报文；
[0009]交换节点具备流识别组件、帧复制组件和帧消除组件，其中：
[0010]流识别组件，用于识别关键业务流；
[0011]帧复制组件，用于复制关键业务流得到多份相同的关键业务流，通过不同端口转发该多份相同的关键业务流；
[0012]帧消除组件，用于根据基于动态历史表长度的改进矢量消除法消除关键业务流的多余副本。
[0013]进一步的，在某一交换节点处，根据基于动态历史表长度的改进矢量消除法消除关键业务流的多余副本的过程包括：
[0014]S11.接收关键业务流的第k个数据帧，通过编解码组件获取该关键业务流的第k个数据帧的R
‑
tag标签中的序列号参数，将其与该交换节点所记录的该关键业务流的最大序列号参数相减得到差值Delta
k
；
[0015]S12.计算差值Delta
k
的加权平均值，根据差值Delta
k
的加权平均值调整对应的历史表的长度，得到更新后的历史表长度值historylength；
[0016]S13.判断是否满足条件
‑
historylength<Delta
k
<historylength；若满足，则执行步骤S14；若不满足，则丢弃该第k个数据帧；
[0017]S14.判断是否满足条件Delta
k
>0；若满足，则执行步骤S15；若不满足，则执行步骤S16；
[0018]S15.判断是否满足条件Delta
k
＝1；若满足，则将历史表后移一位并在其头部插入1，然后执行步骤S17；若不满足，则将历史表后移一位并在其头部插入0，然后更新Delta
k
并返回步骤S15；
[0019]S16.判断该序列号参数在历史表中对应的布尔值是否等于0，若是，则将该序列号参数在历史表中对应的布尔值设置为1，然后执行步骤S17；若不是，则丢弃该第k个数据帧；
[0020]S17.更新该交换节点所记录的该关键业务流的最大序列号参数。
[0021]进一步的，步骤S12计算差值Delta
k
的加权平均值Delta
avg k
的公式为：
[0022]Delta
avg k
＝αDelta
avg k
‑1+(1
‑
α)Delta
k
[0023]其中，α表示权重因子。
[0024]进一步的，根据差值Delta
k
的加权平均值调整历史表的长度，得到更新后的历史表长度值historylength，其计算公式为：
[0025]historylength＝INT(L+Delta
avg k
)
[0026]其中，L表示历史表的初始长度，INT()表示向下取整函数。
[0027]进一步的，历史表的初始长度的计算公式为：
[0028][0029]其中，Delay
P1
表示关键业务流的冗余路径P1的时延信息，Delay
P2
表示关键业务流
的冗余路径P2的时延信息，B表示关键业务流的平均帧长，W表示固定常数系数。
[0030]进一步的，控制报文包括MAC报文头、交换节点基本配置信息以及多个业务流信息；每个业务流信息包括流识别类型、业务流基础信息、消除算法信息和冗余路径信息，其中业本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法，其特征在于，该方法设计基于动态历史表长度的改进矢量消除法，通过业务流的基本流量属性对IEEE802.1CB标准的帧复制和帧消除技术的历史表长度进行动态调整，实现以太网的高可靠性无缝冗余传输；以太网中设备包括数据产生终端、数据接收终端、集中控制节点和交换节点；集中控制节点，用于接收关键业务流的无缝冗余传输请求报文，并为关键业务流配置相关数据并打包到控制报文中，然后向多个交换节点下发控制报文；交换节点具备流识别组件、帧复制组件和帧消除组件，其中：流识别组件，用于识别关键业务流；帧复制组件，用于复制关键业务流得到多份相同的关键业务流，通过不同端口转发该多份相同的关键业务流；帧消除组件，用于根据基于动态历史表长度的改进矢量消除法消除关键业务流的多余副本。2.根据权利要求1所述的一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法，其特征在于，在某一交换节点处，根据基于动态历史表长度的改进矢量消除法消除关键业务流的多余副本的过程包括：S11.接收关键业务流的第k个数据帧，通过编解码组件获取该第k个数据帧的R
‑
tag标签中的序列号参数，将其与该交换节点所记录的该关键业务流的最大序列号参数相减得到差值Delta
k
；S12.计算差值Delta
k
的加权平均值，根据差值Delta
k
的加权平均值调整对应的历史表的长度，得到更新后的历史表长度值historylength；S13.判断是否满足条件
‑
historylength<Delta
k
<historylength；若满足，则执行步骤S14；若不满足，则丢弃该第k个数据帧；S14.判断是否满足条件Delta
k
>0；若满足，则执行步骤S15；若不满足，则执行步骤S16；S15.判断是否满足条件Delta
k
＝1；若满足，则将历史表后移一位并在其头部插入1，然后执行步骤S17；若不满足，则将历史表后移一位并在其头部插入0，然后更新Delta
k
并返回步骤S15；S16.判断该序列号参数在历史表中对应的布尔值是否等于0，若是，则将该序列号参数在历史表中对应的布尔值设置为1，然后执行步骤S17；若不是，则丢弃该第k个数据帧；S17.更新该交换节点所记录的该关键业务流的最大序列号参数。3.根据权利要求2所述的一种基于改进FRER的无缝冗余传输方法，其特征在于，步骤S12计算差值Delta
k
的加权平均值Delta
avg k
的公式为：Delta
av...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国锋，蔡创，徐川，邢媛，纪伟星，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：