【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工业互联网领域，涉及一种时间敏感网络可靠性提高方法。
技术介绍
1、工业互联网的迅猛发展推动了传统工业向数字化转型。实时工业控制、自动驾驶和车对车通信等高实时应用对工业互联网提出更高要求，如低延迟、低抖动和高可靠性。然而，传统以太网技术的存储转发方式和流传输机制无法满足这些高实时应用所需的服务质量(quality of service,qos)。虽然传统的工业以太网和现场总线技术解决方案例如profinet在数据传输方面提供了实时性和高可靠性的保障，但实现不同工业系统之间的互连接性和互操作性仍然是一个严重的问题。时间触发的实时以太网解决方案ttethernet通过严格的时间同步和冗余机制为数据传输提供了稳定和可靠的通信支持，但由于其采用了专用的实时通信协议，导致其兼容性较差并且网络的灵活性较低。
2、时间敏感网络(time sensitive network,tsn)是ieee 802.1定义的一系列标准，该工作组致力于为标准以太网增强实时性与可靠性，实现工业以太网技术跨域灵活性和低时延高可靠特性。为了实现工业网络中对流传输的高可靠、低延迟的服务需求，时间敏感网络基于以太网进一步增强了时间同步、确定性流调度和高可靠无缝冗余等功能，保证了数据传输的高可靠、低时延、低抖动。ieee 802.1as修改并增强了精确时间协议(precisiontime protocol,ptp)，制定出二层网络的广义精确时间协议(generalized precisiontime protocol,gptp)以实现精确的时间同
3、高可靠性是时间敏感网络的重要特征之一。ieee 802.1cb提出的frer机制是实时应用网络可靠性技术的新方案。该机制通过在源端系统和中继系统中对每个时敏帧进行序列编号和复制，并在目的端系统和其他中继系统中消除这些复制帧，为业务流提供高可靠性传输。如图1所示，frer机制在源端复制帧后通过不相交的路径并行传输帧实现关键帧冗余。即使一个帧不能到达目的节点，在目的节点也能接收到冗余帧。在两个帧都到达目的节点时，提供重复帧的消除机制。
4、虽然frer利用空间冗余在网络内实现帧传输的无缝冗余，提高帧传输的可靠性。但在路径计算环节，传统的frer机制利用最短路径算法计算工作路径和冗余路径。一方面，这忽视了链路、节点的属性和状态，且以路径跳数最低为目标计算路径。另一方面，该方法旨在找到两条边和节点均不相交的路径，这在复杂多变的网络拓扑和网络状态下是一个较大的挑战。yao等人提出了一种多级联预配置环(multiple cascaded preconfiguredcycles,frer-mpc)方法，该方法根据链路可靠性属性计算工作路径，通过级联多个p-cycle计算冗余路径，提高了路径的可靠性和成功找到不相交路径的概率。但该方案仍然存在两点缺陷：一方面，当级联的p-cycle在工作路径上存在公共链路时，该方案无法计算出与工作路径不相交的冗余路径；另一方面，该方案在冗余路径的计算时仍然没有将链路、节点的状态和属性作为度量，且p-cycle的跳数h增大增加了带宽消耗。如图2所示，在图2(a)中网络拓扑下frer和frer-mpc均只能找到工作路径s->c->e->d(如图2(b)、图2(c)所示)，无法在此条件下找到与工作路径不相交的冗余路径进行帧传输。
5、虽然frer利用空间冗余在网络内实现帧传输的无缝冗余，但在开销、时序、路径计算、节点选择及可调度性等方面仍然存在不少问题尚未解决。frer利用空间冗余容忍瞬时故障会降低网络对永久性故障的容忍能力，而永久性故障的发生会使空间冗余不再可用。现有的研究中还存在以下问题：未能考虑链路差异以及复制帧的转发问题；缺乏对其使用的错误控制机制描述，且其复杂的假设为最坏情况的延迟分析带来巨大挑战。frer冗余方案为时间敏感网络的时序分析带来了许多挑战。通过网络复制数据包会导致副本数据包在路径上的突发性增加，重排序本身也会对最坏情况的延迟和延迟抖动有一定负面影响。现有技术未给出包重排序对流传输时延产生影响时完备的减缓或消除方案。尽管frer能通过冗余路径传输复制帧提高帧传输的可靠性，但传统的frer机制利用最短路径算法计算工作路径和冗余路径。还有的文献一方面忽视了链路的属性和状态，且以路径跳数最低为目标计算路径，另一方面，现有文献旨在找到两条边和点均不相交的路径，这在复杂多变的网络拓扑和网络状态下是一个较大的挑战。现有技术当级联的p-cycle在工作路径上存在公共链路时，该方案无法计算出与工作路径不相交的冗余路径；
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于在时间敏感网络中，提出一种边不相交路径对选择(edge-disjoint path pair selection,frer-edpps)方法，旨在不同网络拓扑中成功找到两条可靠性最高的边不相交路径。frer-edpps以网络中路径的可靠性大小作为选择路径的标准，并在找不到冗余路径的情况下，通过讨论网络拓扑中限制性条件的成立判断网络中是否具有两条边不相交路径未被发现，并找出这两条路径作为工作路径和冗余路径，如图2(d)所示，frer-edpps方法能在将路径s->c->e->d作为工作路径的情况下，找到不相交的路径对s->a->b->e->d，s->c->f->g->d。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种时间敏感网络可靠性提高方法，包括以下步骤：
4、s1：构建路径可靠性模型，用于找出时间敏感网络拓扑图中的最可靠路径；
5、s2：计算时间敏感网络的工作路径，并求解与工作路径不相交的冗余路径；
6、s3：筛选复制节点、消除节点；
7、s4：输出工作路径，冗余路径，复制节点，消除节点。
8、进一步，步骤s1所述路径可靠性模型为：
9、在网络拓扑无向图g＝{v,e}中，bi,j表示链路(i,j)的带宽，αi,j表示链路(i,j)消耗的带宽与链路总工作容量的比值，pi,j表示链路(i,j)发生故障的概率，qi,j表示链路(i,j)正常工作的概率，pi表示节点i发生故障的概率，qi表示节点i正常工作的概率，ci表示节点i的缓存，βi表示节点i的缓存使用率；pw、pr分别表示工作路径和冗余路径，工作路径与冗余路径边不相交表示为
10、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：步骤S1所述路径可靠性模型为：
3.根据权利要求2所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：步骤S2所述计算时间敏感网络的工作路径具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：步骤S2所述求解与工作路径不相交的冗余路径具体包括：
5.根据权利要求4所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：所述判断网络拓扑限制性条件中，设Ksd为G2中节点s到d路径，Ksd与Pw反向后的交集为路径Kmn，则路径Kmn为Ksd、反向Pw的子路径，路径Kmn在路径Ksd上的补路径为Ksm、Knd，路径Kmn在反向路径Pw上的补路径为Pdm、Pns；其中路径Ksm和路径Pdm可组成新的节点s到节点d的路径P3，路径Knd和路径Pns组成新的节点s到节点d的路径P4；P3和P4为图G上边不相交的路径对，将P3和P4作为新的工作路径Pw和新的冗余路径Pr。
6.根据权利要求1所
...【技术特征摘要】
1.一种时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：步骤s1所述路径可靠性模型为：
3.根据权利要求2所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：步骤s2所述计算时间敏感网络的工作路径具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：步骤s2所述求解与工作路径不相交的冗余路径具体包括：
5.根据权利要求4所述的时间敏感网络可靠性提高方法，其特征在于：所述判断网络拓扑限制性条件中，设ksd为g2中节点s到d路径，ksd与pw反向后的交集为路径k...
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