CN109995800A - 面向工业sdn网络中动态实时应用的中间件服务***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向SDN网络中动态实时应用的pub/sub中间件***和方法。本发明针对新一代工业网络场景中的实时应用，在SDN架构上搭建了基于多种消息模式的混合pub/sub中间件服务，将不同种实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层中，实现新一代工业SDN网络的实时性保障机制。当网络中存在多种消息模式的pub/sub中间件时，本发明需要为不同的pub/sub中间件提供通用的接口，因此在SDN控制器之上的控制器管理平台上扩展了pub/sub中间件服务适配接口。本发明中采用的QoS映射方法是一种基于非独立QoS参数捕获机制，即在控制器管理平台上扩展QoS参数分析功能模块，利用该模块与网络通信，以提供应用的QoS信息来优化和重新配置L2/L3层的网络拓扑。

Description

面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***和方法

技术领域

本发明涉及工业网络实时应用领域，具体的说是一种面向SDN架构的中间件服务***和方法。

背景技术

随着控制、通信、计算机等技术的飞速发展，工业应用场景也呈现出以网络为中心的趋势，工业网络对通信的实时性、灵活性、动态性都提出了更高的要求。工业场景中的状态推送等应用要求各参与者间松散耦合，现有的pub/sub中间件能够提供松耦合的通信模式，但却缺乏合适的***控制和应用级QoS支持。因此，急需构建一种能够满足新一代工业网络QoS需求的***和方法来满足动态实时应用需求。

动态实时应用的本质是对底层通信***和通信网络的挑战，这就增加了对网络可扩展性和支持高QoS特性的挑战。当关注的焦点是网络资源利用率时，网络就必须足够灵活来实现针对网络应用变化的重新规划。当前的方法主要是基于静态的专用网络或覆盖网，这使得按需设置网络性能很困难。软件定义网络SDN的出现为解决上述问题提供了新的方法，其灵活的组网特点能够实现细粒度按需动态网络规划。因此，SDN能够有效地支撑工业动态实时应用，同时保证网络资源利用率很高。

本发明主要目的是提出一种结合pub/sub中间件和基于openflow协议的SDN架构的服务***以支持工业动态实时应用。该***支持混合pub/sub中间件服务，通过通用接口屏蔽不同中间件的差异。本发明中将不同种实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层中，实现新一代工业SDN网络的实时性保障机制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对新一代工业网络中的动态实时应用，提出一种面向工业SDN网络的混合中间件服务***和方法，解决传统的pub/sub中间件只提供“尽力而为”的数据转发服务问题，以及如何将不同实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层的问题，以实现基于SDN架构的工业网络应用的实时性需求。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向SDN网络中动态实时应用的pub/sub中间件***和方法，包括：

在基于SDN的工业网络架构上搭建基于混合pub/sub的中间件服务，在SDN控制器之上扩展控制器管理平台，该平台包括处理模块、规划模块、网络监测模块和执行模块，以及pub/sub中间件服务适配接口；并通过该适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中。

所述的混合pub/sub中间件消息服务模型分类包括：

(1)基于主题的模型(topic-based model)，消息按主题构成组，即订阅者声明对特定主题感兴趣，并且接收与该主题相关的所有事件，每个主题对应于一个逻辑通道；

(2)基于内容的模型(content-based model)，订阅者根据其想要接收的消息中包含设定的内容来表达感兴趣程度，订阅约束条件依赖于属性类型和订阅语言。

所述的控制器管理平台包括：

(1)处理器：处理器与应用相连，通过pub/sub中间件服务适配接口来映射不同应用的QoS需求，并将该需求传递到规划器中；

(2)网络监测器：网络监测器使用SDN控制器北向接口来收集网络底层信息，包括网络拓扑及网络容量等，同时负责激活流的测量值，如速率、计数器等；

(3)规划器：基于网络监测器获得的监测数据，规划器计算出网络资源的最优集合，同时必须满足数据流的QoS请求；

(4)执行器：将规划器计算出的结果应用到网络中，主要是通过控制器北向接口API来执行openflow协议的相关规则，通过OF-Config来配置交换机；

(5)Pub/sub中间件服务适配接口：是用于连接应用和处理器的通用接口，为不同pub/sub中间件服务提供通用的接口。

规划器优化方法包括：

在保障延时需求的前提下，最优化包括在汇聚节点拆分点到多点的流，通过流量整形(限制流出某一网络的某一连接的流量与突发)限制不同应用请求的流速率，通过负载均衡(即分摊到多个操作单元上进行执行)将数据流分配到不同的路径上，以此满足不同订阅请求的不同QoS需求。

所述的QoS参数主要包括：

(1)传输误差：误码率、误包率、丢包率、前向纠错；

(2)传输延迟：端到端延迟、抖动、排队延迟、首个数据包到达时延；

(3)传输吞吐量：带宽、包传输成功率；

SDN架构L2/L3层能够实现的动态配置包括：

(1)基本的L2/L3层路由，包括L2/L3层包头处理，以及在充足的输出队列或端口进行排队；

(2)流拆分，包括基于流的路径选择，动态负载均衡；

(3)汇聚节点多播，包括软件定义网络交换机的数据复制，多节点数据复制；

(4)自适应发送速率，给特定流/端口限定速率，丢弃、重定向或报警超过速率的流。

将QoS参数映射到SDN的L2/L3层的方法：

该发明中采用“非独立QoS参数捕获”机制，该方法在管理器控制器平台上扩展QoS参数捕获功能模块，将不同应用的QoS参数通过处理器、规划器、网络监测器和执行器共同作用映射到SDN网络的L2/L3层上。

QoS参数映射过程包括以下步骤：

步骤1：当应用层的应用启动时，相当于注册了一个订阅请求，该请求将通过pub/sub中间件服务适配接口下发到控制器管理平台；

步骤2：控制器管理平台中的处理器将QoS参数解析为能够被SDN网络架构实现的消息命令；

步骤3：该消息命令传送到规划器中，规划器在满足QoS需求的前提下，根据网络监控器提供的网络数据计算出网络资源的最优集合；

步骤4：规划器将该网络资源最优结合传输到执行器，执行器通过北向接口下发流表到openflow交换机中。

QoS参数在基于SDN架构的工业网络中的实现技术包括：

(1)每个端口的队列调度：每个端口队列的优先级不同，当QoS需求高的应用请求到达时，优先进入高优先级队列进行转发，同时兼顾所以队列的使用情况；

(2)每条流的优先级：为数据流设计优先级位，标明数据流优先级的高低，不同优先级对应不同的QoS需求。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.解决了工业SDN网络中动态实时应用的QoS需求问题，实现了混合pub/sub中间件共存。

2.本发明面向的工业SDN网络具有底层网络动态配置能力，通过pub/sub中间件将底层物理网络变化实时通知控制器及控制器管理平台。

3.本发明提出的中间件服务***能够隐藏底层网络的异构性，通过控制器管理平台和应用层间的通用pub/sub适配接口提供一个通用的规则架构，以同时兼容多种传输模式的中间件。

4.通过“非独立QoS参数捕获”机制，将不同实时应用对应的QoS参数映射到SDN的L2/L3层中，通过SDN架构中的QoS机制来实现上层应用的QoS需求，以满足工业场景的实时应用需求。

附图说明

图1为本发明的工业SDN网络架构图；

图2为本发明的动态实时应用业务处理示意图；

图3为本发明的QoS参数映射处理流程；

图4为本发明的优先级队列调度示意图；

图5为本发明的三级缓冲队列反馈调节机制；

图6为本发明的优先级消息处理流程。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出了一种面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***和方法，该***结合混合pub/sub中间件和软件定义网络框架，网络架构如图1所示。该***主要包括底层数据转发平台、控制平台、控制器管理平台和应用层。数据平台和控制平台沿用SDN网络架构，扩展的控制器管理平台用于实现工业动态实时应用的QoS策略，主要包括处理器、规划器、网络监测器、执行器和pub/sub中间件服务适配接口。Pub/sub中间件服务适配接口为混合pub/sub中间件提供统一的适配接口，隐藏中间件的异构性，便于QoS策略的实现。该***中的控制平台支持多种SDN控制器，但控制器均需支持Openflow协议，通过流表实现数据的存储转发。

Pub/sub***是一个广泛应用于网络中的消息中间件，该***中的用户包括信息的发布者和信息的订阅者，而它也是一个以事件驱动框架为基础的***。与传统的消息传递手段相比，发布订阅***有匿名通信、多点通信、扩展性好、安全性佳等特点。发布订阅***的出现使***在空间及控制上实现了完全解耦，满足了用户对于信息的可控度、灵活度等需求。

本发明考虑的混合pub/sub中间件消息服务模型包括基于主题和基于内容两种模型：

(1)基于主题的模型(topic-based model)，消息按主题构成组，每个主题对应于一个逻辑通道。订阅者将收到其订阅的主题上的所有消息，而且同一主题的所有订阅者将接收到同样的消息。发布者负责定义订阅者可以订阅的消息类别。

(2)基于内容的模型(content-based model)，只有当消息的属性或内容匹配订阅者定义的约束条件时，消息才会被投递给该订阅者。订阅者负责对消息进行分类。

本发明所考虑QoS参数主要包括传输误差、传输时延和吞吐量等，具体参数如下表所示：

表1 pub/sub中间件QoS参数表

QoS项	具体参数
		传输误差	误码率、误包率、丢包率、前向纠错
传输延迟	端到端延迟、抖动、排队延迟、首个数据包到达时延
		吞吐量	带宽、包传输成功率

本发明中所述的基于SDN架构的工业SDN网络的L2/L3层能够实现的动态配置包括：

基本的L2/L3层路由，包括L2/L3层包头处理，以及在充足的输出队列或端口进行排队；

流拆分，包括基于流的路径选择，动态负载均衡；

汇聚节点多播，包括软件定义网络交换机的数据复制，多节点数据复制；

自适应发送速率，给特定流/端口限定速率，丢弃、重定向或报警超过速率的流。

本发明在传统的SDN架构上扩展了控制器管理平台，以扩展中间件服务***的QoS功能，该***处理动态实时应用示意图如图2所示。应用层中的动态实时应用将不同的QoS请求通过pub/sub中间件服务适配接口下发到控制器管理平台的处理器中，处理器负责解析QoS功能，并结合网络检测器中的数据，由规划器计算出最优结果，下发到执行器，执行器通过OF-配置、SDN的北向接口和openflow协议下发流表到SDN交换机，通过流表约束数据流传输和转发的优先级和带宽资源，进而满足动态实时应用的QoS需求。

该发明中采用“非独立QoS参数捕获”机制，该方法在管理器控制器平台上扩展QoS参数捕获功能模块，将不同应用的QoS参数通过处理器、规划器、网络监测器和执行器共同作用映射到SDN网络的L2/L3层上。参见图3，示出了控制器管理平台QoS映射机制的一个实施例的具体步骤，包括：

步骤1：当应用层的应用启动时，相当于注册了一个订阅请求，该请求将通过pub/sub中间件服务适配接口下发到控制器管理平台；

步骤2：控制器管理平台中的处理器将QoS参数解析为能够被SDN网络架构实现的消息命令；

步骤3：该消息命令传送到规划器中，规划器在满足QoS需求的前提下，根据网络监控器提供的网络数据计算出网络资源的最优集合；

步骤4：规划器将该网络资源最优结合传输到执行器，执行器通过北向接口下发流表到openflow交换机中。

本发明所述的QoS参数在基于SDN架构的工业网络中的实现技术包括队列调度和优先级。参见图4，示出了优先级队列调度示意图。基于SDN架构的pub/sub中间件为不同类型的消息设置了不同优先级队列，并通过队列调度来处理数据包。

在基于优先级队列调度的基础上，为了达到调整数据流量的目的，本发明使用了基于三级缓冲队列的反馈调节机制，如图5所示。缓冲队列反馈调节机制比较复杂，因为从接收队列到缓存队列、从缓存队列到发送队列之间存在许多控制参数，同时，***也会设定队列的状态为healthy、sick等，并以此来判断队列是否阻塞。

当队列的长度小于某一值时，队列设为healthy状态。当网络状况不好时，队列会被阻塞，导致发送队列和缓存队列的长度増加，直至超过设定好的阀值。此时，队列被置为sick状态。之后***会启动调节机制，降低数据包放入缓存队列的速度，同时，缓存队列将从低优先级数据包开始执行丢包操作来缓解阻塞状况，直至队列返回healthy状态。若阻塞情况没有好转反而进一步恶化，则设置队列的状态为dead，这时***会进一步加大数据包放入缓存队列的时间间隔，并强制清除低优先级队列中的数据包，以此来降低队列的阻塞，使***转为healthy状态。

本发明中的pub/sub中间件使用TCP协议来收发数据。在需要处理的所有消息类型中，我们设计了三个优先级，它们分别是：高优先级消息(high-priority)、中优先级消息(general-priority)、低优先级消息(low-priority)。对不同优先级消息的处理过程如图6所示。优先级消息的处理过程是针对数据缓冲区中的数据的优先级，依次处理高优先级、中优先级、低优先级和其他消息。

Claims (7)

1.面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***，其特征在于，在基于SDN的工业网络架构上搭建基于混合pub/sub的中间件服务：

在SDN控制器之上扩展控制器管理平台，通过pub/sub中间件服务适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中。

2.根据权利要求1所述面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***，其特征在于，所述混合pub/sub中间件服务模型分类包括：

基于主题的模型，消息按主题构成组，即订阅者声明对某主题感兴趣，并且接收该主题的所有事件，每个主题对应于一个逻辑通道；

基于内容的模型，订阅者根据其想要接收的消息中包含设定的内容来表达感兴趣程度，订阅约束条件依赖于属性类型和订阅语言。

3.根据权利要求1所述的面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***，其特征在于，所述控制器管理平台包括：

处理器：用于连接应用，通过pub/sub中间件服务适配接口映射不同应用的QoS需求，并将该需求传递到规划器中；

网络监测器：用于使用SDN控制器北向接口来收集网络底层信息，同时负责激活流的监测数据；

规划器：用于根据网络监测器获得的监测数据，得出网络资源的最优集合，同时满足数据流的QoS请求；

执行器：用于将规划器计算出的结果应用到网络中，即通过控制器北向接口API来执行openflow协议的相应规则，配置交换机；

Pub/sub中间件服务适配接口：用于连接应用和处理器的通用接口，为不同pub/sub中间件服务提供通用的接口。

4.根据权利要求3所述的面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***，其特征在于，规划器执行以下步骤：

在保障延时需求的前提下，在汇聚节点将数据流拆分成点到多点的流，通过整形流速率或者负载均衡流量到不同的路径上，得到网络资源的最优集合，该集合包括用于完成此次pub/sub中间件服务的各节点及其构成的网络链路、路由路径，为不同应用提供合适的发布速率完成订阅端的需求。

5.面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务方法，其特征在于，在SDN控制器之上扩展控制器管理平台，通过pub/sub中间件服务适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中。

6.根据权利要求5所述的面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务方法，其特征在于，所述通过pub/sub中间件服务适配接口将工业场景中不同的实时应用映射到SDN的L2/L3层中包括以下步骤：

步骤1：当应用层的应用启动时，相当于注册了一个订阅请求，该请求通过pub/sub中间件服务适配接口下发到控制器管理平台；

步骤2：控制器管理平台中的处理器将QoS参数解析为能够被SDN网络架构实现的消息命令；

步骤3：该消息命令传送到规划器中，规划器在满足QoS需求的前提下，根据网络监控器提供的监测数据得到网络资源的最优集合；

步骤4：规划器将该网络资源最优集合传输到执行器，执行器通过北向接口下发流表到openflow交换机中。

7.根据权利要求6所述的面向工业SDN网络中动态实时应用的中间件服务***，其特征在于，QoS参数包括：

传输误差：误码率、误包率、丢包率、前向纠错；

传输延迟：端到端延迟、抖动、排队延迟、首个数据包到达时延；

传输吞吐量：带宽、包传输成功率。