CN106713174A - 一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法和*** - Google Patents

一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法和*** Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法，包括：SDN控制器接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级；SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备，使每个SDN数据交换设备根据第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流。本申请不仅满足了不同业务数据流的实时性变化需求，保障了数据传输的实时性和可靠性，而且也保证了网络资源的均衡使用。

Description

一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法和***
技术领域
本申请涉及一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法和***，属于工业网络控制领域。
背景技术
工业控制网络是应用于企业信息***现场控制层和过程监控层的网络通信技术。由于工业控制网络承载工业管理和控制应用，因此其特别注重数据传输的实时性和可靠性。
由于不同实时业务对数据传输的时延、带宽、可靠性等要求各不相同，因此现有技术中采用优先级的方式传输各种实时业务，即实时性要求高的业务的传输优先级较高，实时性要求低的业务的传输优先级较低。
但是在实际应用中，不同业务的实时性要求可能会随着数据传输过程发生变化，比如，采用高优先级传输实时性较高的第一业务时，另一种实时性要求更高的第二业务增加进来，而现有技术中还是优先传输第一业务，导致实时性要求更高的第二业务无法及时传输，影响了第二业务的实时性传输。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法，该方法不仅满足了不同业务数据流的实时性变化需求，保障了数据传输的实时性和可靠性，而且也保证了网络资源的均衡使用。
一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法，包括：
SDN控制器接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；
SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级；
SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备，使每个SDN数据交换设备根据第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流。
所述SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级，具体为：
求解目标函数约束条件为DelayMaxM+1≤DelayReqM+1，得到多个WM+1；
其中，min WM+1表示第M+1条业务数据流在传输过程中的最小代价，第M+1条业务数据流即为第一业务数据流，为第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级为kl时的代价；
其中，kl为第M+1条业务数据流增加之前链路l上的优先级，Kl为第M+1条业务数据流增加之后链路l上的优先级，是链路l上优先级为kl时使用的带宽，是链路l上使用优先级kl时的带宽限制，H是用来离散化带宽利用率的整数值；
DelayMaxM+1为第M+1条业务数据流的最大传输时延，DelayReqM+1为第M+1条业务数据流的传输时延要求；
其中， 表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl的最大时延，其中αM+1为第M+1条业务数据流的到达曲线，表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl时的服务曲线，表示所述到达曲线和服务曲线的最大水平距离；
根据所述多个WM+1求解状态转移方程，得到对应多个CWM+1(l,W)；
状态转移方程为
其中，CWM+1(l,W)表示对于前l个链路，代价为W时的传输时延最小值，初始条件为
根据CWM+1(l,W)≤DelayReqM+1确定最小的CWM+1(l,W)，进而得到最小的WM+1，则最小的WM+1对应的kl为计算的第一业务数据流的优先级。
所述SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备，具体为：
SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级以流表形式发送给SDN数据交换设备。
其中，所述网络信息包括网络流量和网络状态。
根据本申请的另一个方面，提供了一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度***，所述***包括：多个SDN数据交换设备和SDN控制器；
所述SDN数据交换设备，用于向所述SDN控制器发送自身的网络信息；还用于根据所述SDN控制器发送的第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流；
所述SDN控制器，用于根据接收的第一业务数据流对应的传输时延阈值和SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级，并将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备。
所述SDN控制器具体包括接收模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和发送模块；
所述接收模块，用于接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；
所述第一计算模块，用于求解目标函数约束条件为DelayMaxM+1≤DelayReqM+1，得到多个WM+1；
其中，min WM+1表示第M+1条业务数据流在传输过程中的最小代价，第M+1条业务数据流即为第一业务数据流，为第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级为kl时的代价；
其中，kl为第M+1条业务数据流增加之前链路l上的优先级，Kl为第M+1条业务数据流增加之后链路l上的优先级，是链路l上优先级为kl时使用的带宽，是链路l上使用优先级kl时的带宽限制，H是用来离散化带宽利用率的整数值；
DelayMaxM+1为第M+1条业务数据流的最大传输时延，DelayReqM+1为第M+1条业务数据流的传输时延要求；
其中， 表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl的最大时延，其中αM+1为第M+1条业务数据流的到达曲线，表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl时的服务曲线，表示所述到达曲线和服务曲线的最大水平距离；
所述第二计算模块，用于根据所述第一计算模块得到的多个WM+1求解状态转移方程，得到对应多个CWM+1(l,W)；
状态转移方程为
其中，CWM+1(l,W)表示对于前l个链路，代价为W时的传输时延最小值，初始条件为
所述第三计算模块，用于根据CWM+1(l,W)≤DelayReqM+1确定最小的CWM+1(l,W)，进而得到最小的WM+1，则最小的WM+1对应的kl为计算的出第一业务数据流的优先级；
所述发送模块，用于将所述第三计算模块计算的第一业务数据流的优先级发送给所述SDN数据交换设备。
本申请能产生的有益效果包括：
本申请中SDN控制器通过接收业务数据流的传输时延阈值和各个SDN数据交换设备的网络信息，然后计算对应的业务数据流被各个SDN数据交换设备转发时的优先级，在传输过程中实现了不同业务数据流的优先级动态调整，而不像现有技术中一样以固定优先级传输对应业务数据流，不仅满足了不同业务数据流的实时性变化需求，保障了数据传输的实时性和可靠性，而且也保证了网络资源的均衡使用。
附图说明
图1为一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法流程示意图；
图2为一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法实例示意图；
图3为一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度***结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
参见图1，本发明实施例提供了一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法，该方法包括：
101、SDN控制器接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；
传输时延阈值是指业务数据流中的任何一个数据包的传输时延都必须小于该阈值，实际应用中，传输时延阈值在在组态或业务组合时产生，可以由SDN数据交换设备的北向接口直接传输给SDN控制器。
本发明实施例中网络信息包括网络流量、网络状态等信息。
102、SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级；
103、SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备，使每个SDN数据交换设备根据第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流。
具体地，SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级以流表形式发送给SDN数据交换设备，本发明实施例对第一业务数据流的优先级的具体下发形式不做限定。
进一步地，步骤102中SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级，具体为：
1021、求解目标函数约束条件为DelayMaxM+1≤DelayReqM+1，得到多个WM+1；
其中，min WM+1表示第M+1条业务数据流在传输过程中的最小代价，第M+1条业务数据流即为第一业务数据流，为第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级为kl时的代价；
其中，kl为第M+1条业务数据流增加之前链路l上的优先级，Kl为第M+1条业务数据流增加之后链路l上的优先级，是链路l上优先级为kl时使用的带宽，是链路l上使用优先级kl时的带宽限制，H是用来离散化带宽利用率的整数值；
DelayMaxM+1为第M+1条业务数据流的最大传输时延，DelayReqM+1为第M+1条业务数据流的传输时延要求；
其中， 表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl的最大时延，其中αM+1为第M+1条业务数据流的到达曲线，表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl时的服务曲线，表示上述两条曲线的最大水平距离。
1022、根据上述多个WM+1求解状态转移方程，得到对应多个CWM+1(l,W)；
状态转移方程为
其中，CWM+1(l,W)表示对于前l个链路，代价为W时的传输时延最小值，初始条件为
1023、根据CWM+1(l,W)≤DelayReqM+1确定最小的CWM+1(l,W)，进而得到最小的WM+1，则最小的WM+1对应的kl为计算的第一业务数据流的优先级。
本发明实施例在计算第M+1条业务数据流优先级的时候，并不知道第M+2条及以后的业务数据流的任何特征，因为这些都是来自于外界变化，很难进行预测。因此，为了使网络资源的使用情况均衡，本发明实施例根据第M+1条业务数据流的传输时延阈值和当前的网络信息，实时性要求计算第M+1条业务数据流的优先级。对于实时性要求不高的业务数据流，尽可能选用低一些的优先级，将高优先级留给未来有可能出现的高实时性业务，选择优先级时应尽量选择剩余带宽更多的数据队列。
参见图2，为一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法实例示意图，在图2中，业务数据流a、业务数据流b、业务数据流c在传输路径上的SDN数据交换设备1中以初始优先级传输；同时，SDN控制器接收各个业务数据流实时发送的传输延迟阈值，并对各个SDN数据交换设备的网络状态进行感知，因此在传输到SDN数据交换设备2中时，随着网络状态的变化，业务数据流c的实时性要求提升，即业务数据流c的优先级需要提升，此时，SDN控制器向SDN数据交换设备2以流表形式发送最新计算的各个业务数据流的优先级，调整业务数据流c、业务数据流a和业务数据流b的优先级，SDN数据交换设备2根据最新调整的优先级传输对应的业务数据流，使得数据流c在SDN数据交换设备2中拥有更高的优先级，以满足业务数据流c的传输延迟阈值；同样地，在传输到SDN数据交换设备3中时，各个业务数据流的传输延迟阈值随着网络状态的变化产生了相应的变化，SDN控制器根据接收的各个业务数据流的传输延迟阈值及网络状态信息，重新计算各个业务数据流的优先级，然后向SDN数据交换设备3以流表形式发送最新计算的各个业务数据流的优先级，SDN数据交换设备3根据流表中的各个业务数据流的优先级传输对应的业务数据流，以满足网络整体的时延控制需求。
本发明实施例中SDN控制器通过接收业务数据流的传输时延阈值和各个SDN数据交换设备的网络信息，然后计算对应的业务数据流被各个SDN数据交换设备转发时的优先级，在传输过程中实现了不同业务数据流的优先级动态调整，而不像现有技术中一样以固定优先级传输对应业务数据流，不仅满足了不同业务数据流的实时性变化需求，保障了数据传输的实时性和可靠性，而且也保证了网络资源的均衡使用。
参见图3，本发明实施例提供了一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度***，该***包括：多个SDN数据交换设备31和SDN控制器32；
SDN数据交换设备31，用于向SDN控制器32发送自身的网络信息；还用于根据SDN控制器32发送的第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流；
SDN控制器32，用于根据接收的第一业务数据流的传输时延阈值和SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备31转发时的优先级，并将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备31。
SDN控制器32包括接收模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和发送模块；
其中，接收模块，用于接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；
第一计算模块，用于求解目标函数约束条件为DelayMaxM+1≤DelayReqM+1，得到多个WM+1；
其中，min WM+1表示第M+1条业务数据流在传输过程中的最小代价，第M+1条业务数据流即为第一业务数据流，为第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级为kl时的代价；
其中，kl为第M+1条业务数据流增加之前链路l上的优先级，Kl为第M+1条业务数据流增加之后链路l上的优先级，是链路l上优先级为kl时使用的带宽，是链路l上使用优先级kl时的带宽限制，H是用来离散化带宽利用率的整数值；
DelayMaxM+1为第M+1条业务数据流的最大传输时延，DelayReqM+1为第M+1条业务数据流的传输时延要求；
其中， 表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl的最大时延，其中αM+1为第M+1条业务数据流的到达曲线，表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl时的服务曲线，表示上述两条曲线的最大水平距离。
第二计算模块，用于根据第一计算模块得到的多个WM+1求解状态转移方程，得到对应多个CWM+1(l,W)；
状态转移方程为
其中，CWM+1(l,W)表示对于前l个链路，代价为W时的传输时延最小值，初始条件为
第三计算模块，用于根据CWM+1(l,W)≤DelayReqM+1确定最小的CWM+1(l,W)，进而得到最小的WM+1，则最小的WM+1对应的kl为计算的第一业务数据流的优先级。
发送模块，用于将第三计算模块计算的第一业务数据流的优先级发送给SDN数据交换设备31。
本发明实施例中SDN控制器通过接收业务数据流的传输时延阈值和各个SDN数据交换设备的网络信息，然后计算对应的业务数据流被各个SDN数据交换设备转发时的优先级，在传输过程中实现了不同业务数据流的优先级动态调整，而不像现有技术中一样以固定优先级传输对应业务数据流，不仅满足了不同业务数据流的实时性变化需求，保障了数据传输的实时性和可靠性，而且也保证了网络资源的均衡使用。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (6)

1.一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度方法，其特征在于，包括：
SDN控制器接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；
SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级；
SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备，使每个SDN数据交换设备根据第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SDN控制器根据第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级，具体为：
求解目标函数min约束条件为DelayMaxM+1≤DelayReqM+1，得到多个WM+1；
其中，min WM+1表示第M+1条业务数据流在传输过程中的最小代价，第M+1条业务数据流即为第一业务数据流，为第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级为kl时的代价；
w l , k l = ( K l - k l ) [ bandw l , k l r l , k l H ]
其中，kl为第M+1条业务数据流增加之前链路l上的优先级，Kl为第M+1条业务数据流增加之后链路l上的优先级，是链路l上优先级为kl时使用的带宽，是链路l上使用优先级kl时的带宽限制，H是用来离散化带宽利用率的整数值；
DelayMaxM+1为第M+1条业务数据流的最大传输时延，DelayReqM+1为第M+1条业务数据流的传输时延要求；
其中， 表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl的最大时延，其中αM+1为第M+1条业务数据流的到达曲线，表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl时的服务曲线，表示所述到达曲线和服务曲线的最大水平距离；
根据所述多个WM+1求解状态转移方程，得到对应多个CWM+1(l,W)；
状态转移方程为
其中，CWM+1(l,W)表示对于前l个链路，代价为W时的传输时延最小值，初始条件为
根据CWM+1(l,W)≤DelayReqM+1确定最小的CWM+1(l,W)，进而得到最小的WM+1，则最小的WM+1对应的kl为计算的第一业务数据流的优先级。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备，具体为：
SDN控制器将计算的第一业务数据流的优先级以流表形式发送给SDN数据交换设备。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述网络信息包括网络流量和网络状态。
5.一种基于动态优先级的工业控制网络的实时调度***，其特征在于，所述***包括：多个SDN数据交换设备和SDN控制器；
所述SDN数据交换设备，用于向所述SDN控制器发送自身的网络信息；还用于根据所述SDN控制器发送的第一业务数据流的优先级转发第一业务数据流；
所述SDN控制器，用于根据接收的第一业务数据流对应的传输时延阈值和SDN数据交换设备的网络信息计算第一业务数据流被每个SDN数据交换设备转发时的优先级，并将计算的第一业务数据流的优先级发送给每个SDN数据交换设备。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述SDN控制器具体包括接收模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块和发送模块；
所述接收模块，用于接收第一业务数据流的传输时延阈值和每个SDN数据交换设备的网络信息；
所述第一计算模块，用于求解目标函数min约束条件为DelayMaxM+1≤DelayReqM+1，得到多个WM+1；
其中，min WM+1表示第M+1条业务数据流在传输过程中的最小代价，第M+1条业务数据流即为第一业务数据流，为第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级为kl时的代价；
w l , k l = ( K l - k l ) [ bandw l , k l r l , k l H ]
其中，kl为第M+1条业务数据流增加之前链路l上的优先级，Kl为第M+1条业务数据流增加之后链路l上的优先级，是链路l上优先级为kl时使用的带宽，是链路l上使用优先级kl时的带宽限制，H是用来离散化带宽利用率的整数值；
DelayMaxM+1为第M+1条业务数据流的最大传输时延，DelayReqM+1为第M+1条业务数据流的传输时延要求；
其中， 表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl的最大时延，其中αM+1为第M+1条业务数据流的到达曲线，表示第M+1条业务数据流在链路l上使用优先级kl时的服务曲线，表示所述到达曲线和服务曲线的最大水平距离；
所述第二计算模块，用于根据所述第一计算模块得到的多个WM+1求解状态转移方程，得到对应多个CWM+1(l,W)；
状态转移方程为
其中，CWM+1(l,W)表示对于前l个链路，代价为W时的传输时延最小值，初始条件为
所述第三计算模块，用于根据CWM+1(l,W)≤DelayReqM+1确定最小的CWM+1(l,W)，进而得到最小的WM+1，则最小的WM+1对应的kl为计算的出第一业务数据流的优先级；
所述发送模块，用于将所述第三计算模块计算的第一业务数据流的优先级发送给所述SDN数据交换设备。
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