CN110719183B - 实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法与***，包括实时工业SDN***架构，基于实时数据流量的网络传输优先级动态调整过程和基于传输路径网络交换设备的网络传输优先级动态调整过程。由于工业SDN网络集中式的网络配置管理模式，能够将细致的网络配置和网络控制信息下达所辖所有的网络交换设备，因此，在软件定义的前提下，以动态调整网络流量在网络交换设备中传输优先级的方式确保网络实时性的方式能够被实现。第一种动态优先级调整过程中，为网络中每一条数据流分配了一个独有的流量优先级标识符。另外一种方式中，数据流量经过网络交换设备时能够动态调整自身的优先级。

Description

实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法与***

技术领域

本发明属于实时工业SDN领域，是对实时工业SDN网络优化策略***的设计和发明，具体设计的是一种应用于实时工业SDN网络的保证具有实时控制数据传输的工业设备的网络优化策略***的设计与应用。

背景技术

近几年，随着计算机网络领域的迅猛发展，网络已经成为现代社会中重要的组成部分。无论是大型的数据中心、云服务平台还是便携型设备如手机，可穿戴设备，平板电脑等等，几乎所有的智能设备都能够接入互联网。网络流量可以划分为实时流量和非实时流量。实时流量具有端到端的时延的限制，在规定的时延限制以内，实时流量必须完成源节点到目的节点的数据传递。目前，很多相关领域内的研究针对实时流量的时延限制的保障，但依旧存在一些难以解决的重要问题和挑战。

在工业生产领域，随着智能制造、工业4.0等理论概念的逐渐落实，工业生产中的设备，如：机器人、智能数控机床、可编程逻辑控制器、传感器等等设备，都需要进行实时工业以太网数据传输，保证工业控制器与其控制的生产单元的实时通信。工业SDN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SDN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。在工业SDN网络中，由于工业SDN控制器采用集中式的网络控制方式，将数据传输平台和网络控制平面相互隔离，因此，给动态调整配置网络优化策略，特别是网络数据传输优先级策略的动态调整配置带来了无限可能，因此，在工业SDN网络中设计出针对实时数据传输的网络优化策略，具有一定的应用意义和价值。

发明内容

本发明公开了一种用于实时软件定义工业网络的实时数据流量网络传输优先级动态调整方法与***，包括实时工业SDN***架构，基于实时数据流量的网络传输优先级动态调整过程和基于传输路径网络交换设备的网络传输优先级动态调整过程。第一种动态优先级调整过程中，为网络中每一条数据流分配了一个独有的流量优先级标识符。另外一种方式中，数据流量经过网络交换设备时能够动态调整自身的优先级。

本发明采用技术方案如下：

实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法，包括以下步骤：

动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级；

动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略。

所述动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级包括以下步骤：

2-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

2-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其传输优先级为最高；

2-3)判断其它源节点的实时流量中是否存在超过传输时延限制的流量，若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；若存在，返回步骤2-2)，直到网络中不存在超过其自身时延限制的实时数据流量为止。

所述动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略包括以下步骤：

3-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

3-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其规划的传输路径上的交换设备节点的优先级策略为最优；

3-3)判定剩余源节点的实时数据流量在自身所规划的传输路径上的交换设备节点上是否存在超过传输时延限制的流量；若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；否则，在剩余源节点的实时数据流量中选取具有最高传输时延的实时数据流量，并且在其规划路径上的每一个交换设备节点上，都将其网络传输优先级设置为最高；返回步骤3-3)，直到网络中所有实时数据流量都满足自身的传输时延限制为止。

实时软件定义工业网络传输优先级动态调整***，用于终端，包括工业SDN控制器，用于

动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级；

动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略。

所述动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级，执行以下步骤：

2-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

2-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其传输优先级为最高；

2-3)判断其它源节点的实时流量中是否存在超过传输时延限制的流量，若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；若存在，返回步骤2-2)，直到网络中不存在超过其自身时延限制的实时数据流量为止。

所述动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略，执行以下步骤：

3-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

3-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其规划的传输路径上的交换设备节点的优先级策略为最优；

3-3)判定剩余源节点的实时数据流量在自身所规划的传输路径上的交换设备节点上是否存在超过传输时延限制的流量；若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；否则，在剩余源节点的实时数据流量中选取具有最高传输时延的实时数据流量，并且在其规划路径上的每一个交换设备节点上，都将其网络传输优先级设置为最高；返回步骤3-3)，直到网络中所有实时数据流量都满足自身的传输时延限制为止。

一种终端，包括实时软件定义工业网络传输优先级动态调整***。

本发明具有以下有益效果和优点：

1.在工业网络中，有效提升网络可靠性和实时性，保证实时流量具有端到端的时延的限制，在规定的时延限制以内，实时流量能够完成源节点到目的节点的数据传递。

2.在工业网络中，通过动态调整配置网络优化策略，特别是网络数据传输优先级策略的动态调整配置，结合工业网络应用层服务需求，能够提升工业网络整体效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明网络***架构示意图；

图2是本发明动态调整网络中每个实时数据流量的优先级实现流程示意图；

图3是本发明动态调整网络中每个实时数据流量规划路径上网络交换设备优先级策略实现流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明内容作详细叙述：

本发明由以下的部分组成：

一个带有优先级配置模块的工业SDN控制器，优先级配置模块能够实时对工业SDN网络中的优先级策略进行配置、管理和修改；一定数量的带有优先级配置功能的工业SDN交换设备，能够使得通过交换设备的数据流量，按照相应网络层特性匹配后，根据匹配结果，以一定的网络传输和数据处理优先级在相应的交换设备中进行操作；一定数量的与工业SDN网络连接的工业实时控制***，以及受其控制的实时工业生产执行***：工业实时控制***能够通过所对应协议的实时数据报文，对工业生产执行***进行配置、管理、控制，实时数据流量传输存在一定的时延限制。

***能够动态调整网络中每个实时数据流量的优先级，进而保证工业实时控制***和其控制的工业执行***之间的实时数据流量端到端通信时延小于时延限制，其特征在于，包括以下步骤：

对于目前网络中所有的实时数据流量的传输时延进行标定，判断是否存在超过每个实时数据传输流量时延限制的流量，对于超过自身时延限制的实时流量，***调整其传输优先级为最高，再对余下的实时流量进行传输时延的标定，以此步骤循环往复，直到工业SDN网络中不存在超过其自身时延限制的实时数据流量，进而达到工业SDN网络实时数据传输优先级动态调整的目的。

***能够动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略，进而保证工业实时控制***和其控制的工业执行***之间的实时数据流量端到端通信时延小于时延限制，其特征在于，包括以下步骤：

对于目前网络中所有的实时数据流量的传输时延进行标定，判断是否存在超过每个实时数据传输流量时延限制的流量，对于超过自身时延限制的实时流量，***调整其规划的传输路径上的交换设备的优先级策略为最优，再对余下的实时流量进行传输时延的标定，以此步骤循环往复，直到工业SDN网络中不存在超过其自身时延限制的实时数据流量，进而达到工业SDN网络实时数据传输优先级动态调整的目的。

图1所示为工业SDN实时网络架构是由工业SDN控制器和工业SDN交换机，以及实时控制***以及执行***组成的。一个带有优先级配置模块的工业SDN控制器101，优先级配置模块能够实时对工业SDN网络中的优先级策略进行配置、管理和修改；一定数量的带有优先级配置功能的工业SDN交换设备102，能够使得通过交换设备的数据流量，按照相应网络层特性匹配后，根据匹配结果，以一定的网络传输和数据处理优先级在相应的交换设备中进行操作；一定数量的与工业SDN网络连接的工业实时控制***103a，103b，103c和103d，以及受其控制的实时工业生产执行***104a，104b，104c和104d：工业实时控制***能够通过所对应协议的实时数据报文，对工业生产执行***进行配置、管理、控制，实时数据流量传输存在一定的时延限制。每个执行***都有其对应的实时控制***进行实时控制，实时控制***和执行***之间的数据流都是实时数据流，并且都存在有一个时延限制，而这个时延限制是由实时控制***和执行***的自身属性决定的。工业SDN交换机能够将实时数据流和非实时数据流区别处理，并且将实时数据流按照自身优先级排列到优先级队列中。每个实时数据流在自身传输路径上的不同的工业SDN交换设备中有着不同的优先级体现。在交换设备中，数据报文将根据自身的优先级被***到优先级队列中的不同位置。图1中所示交换设备遵循严格优先级队列的数据结构，也就意味着，如果队列不为空，那么高优先级的数据报文永远优先于低优先级的数据报文进行处理。在本***中，实时控制***和执行***之间的数据流传输时延限制，将会在实时控制***和执行***之间建立通信连接之前上报给工业SDN网络控制器101，并且在进行通信的过程中，向网络控制器周期性上报平均的端到端时延。本***中存在m个工业SDN交换机，表示为S＝{s₁,s₂,…,s_m}，存在n个实时数据流量，表示为F＝{f₁,f₂,…,f_n}，并且对于每个交换设备都存在q个优先级队列，对于每个队列1表示最高的优先级，q表示最低的优先级。对于数据流f∈F，在交换设备s∈S中的优先级为x_f,s。在每个交换设备s∈S中，流量f∈F的优先级x_f,s能够表示为一个优先级矢量X_f＝[x_f,1,x_f,2,…,x_f,m]^T，其中x_f,s的取值为1到q，否则为0。那么对于每个f∈F都有一个优先级矢量X_f，就能够表示为一个优先级矩阵

有d_f表示数据流f∈F的端到端时延，k_f表示流f的端到端时延限制。那么对于每一条实时数据流量来说，就有其实际传输时延D_f＝α×k_f，其中0<α≤1。

如图2所示，对于每个实时数据流量都分配一个独有的优先级标识符，在该过程中，数据流量在工业SDN网络中的每个交换设备中都有相同的优先级表示，比如，对于数据流i∈F，对于网络中所有的交换设备都有x_i,1＝x_i,2＝…＝x_i,m。该过程主要分为两个部分：第一部分，过程选取当前网络中，已经超过其传输时延的最差的一个数据流量，提升其优先级，使得该流量能够满足其传输时延限制。相反的，***选取目前网络中最优的一条数据流量传输路径，降低其优先级，使其能够在满足时延限制的基础上，以最小的优先级代价传输完成。

方法200表示该过程的具体实施细节，主要包括了两个循环处理过程：提升优先级循环处理过程和降低优先级循环处理过程。第一个循环处理过程首先检查网络中的流量是否有已经超出其时延限制的存在，并循环往复直到网络中每一条流量都能够满足其时延限制。在方法中，由步骤202开始，对当前网络中所有的实时流量的传输时延进行标定，进入步骤204进行判定，判定是否存在已经超过该流量传输时延限制的流量存在，如果不存在，则重新返回步骤202；如果存在，那么进入方法中的步骤206，选取当前超过传输时延限制的最高传输时延实时数据流量。将其传输优先级设置为1，即最高优先级，此为方法中的第208步。进入第210步，判定余下数据流量中是否存在超过传输时延限制的流量。如果所有流量都能够满足其传输时延限制，那么，方法200结束，直到开启另一个实施方法过程；否则，该方法返回第206步，在余下的数据流量中选取具有最高传输时延的数据流量，将其传输优先级设置为1，最高级。以此循环往复，直到网络中所有实时数据流量都能够满足自身的传输时延限制。

如图3所示，方法300中对于每个实时数据流量在每个网络交换设备中的优先级使能够动态调整的。实时数据流量经过某网络交换设备时，能够进行动态优先级调整。对于所有的在实时数据流量传输路径上的网络交换设备，都能够实时调整流量通过时，传输处理的优先级，进而保证传输的时延在数据流量传输时延限制以内。方法300由步骤302开始，对于当前网络中所有实时流量的传输时延进行标定，接下来进入步骤304，对当前网络中的数据传输流量的传输时延进行判断，是否存在超过传输时延限制的实时流量。如果不存在，那么方法300返回步骤302，继续进行标定和判断；如果存在，那么进入方法300中的步骤306选取具有最高传输时延的实时数据流量，并且在其规划路径上的每一个网络交换设备的节点上，都将其网络传输优先级设置为最高，此为方法300中的步骤308。进入第310步，判定余下数据流量在自身所规划的传输路径上的网络交换设备上是否存在超过传输时延限制的流量。这里的规划路径指的是在工业SDN网络架构下，在数据源发送初始数据进入网络时，由网络控制器根据数据通信需求，在整个网络中规划的一条由数据源到目的的一条网络转发路径。如果所有流量都能够满足其传输时延限制，那么，方法300结束，直到开启另一个实施方法过程；否则，该方法返回第206步，在余下的数据流量中选取具有最高传输时延的数；否则，该方法返回第306步，在余下的数据流量中选取具有最高传输时延的实时数据流量，并且在其规划路径上的每一个网络交换设备的节点上，都将其网络传输优先级设置为最高。以此循环往复，直到网络中所有实时数据流量都能够满足自身的传输时延限制。

Claims (5)

1.实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级；

动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略；

所述动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级包括以下步骤：

2-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

2-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其传输优先级为最高；

2-3)判断其它源节点的实时流量中是否存在超过传输时延限制的流量，若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；若存在，返回步骤2-2)，直到网络中不存在超过其自身时延限制的实时数据流量为止；

m个交换设备，表示为S＝{s₁,s₂,…,s_m}，存在n个实时数据流量，表示为F＝{f₁,f₂,…,f_n}，并且对于每个交换设备都存在q个优先级队列，对于每个队列1表示最高的优先级，q表示最低的优先级；

对于数据流f∈F，在交换设备s∈S中的优先级为x_f,s；在每个交换设备s∈S中，流量f∈F的优先级x_f,s能够表示为一个优先级矢量X_f＝[x_f,1,x_f,2,…,x_f,m]^T，其中x_f,s的取值为1到q，否则为0；

对于每个f∈F都有一个优先级矢量X_f，表示为一个优先级矩阵

有d_f表示数据流f∈F的端到端时延，k_f表示数据流f的端到端时延限制；对于每一条实时数据流量来说，就有其实际传输时延D_f＝α×k_f，其中0<α≤1；

对于每个实时数据流量都分配一个独有的优先级标识符，在该过程中，数据流量在工业网络中的每个交换设备中都有相同的优先级表示，对于数据流i∈F，对于网络中所有的交换设备都有x_i,1＝x_i,2＝…＝x_i,m；该过程主要分为两个部分：第一部分，过程选取当前网络中，已经超过其传输时延的最差的一个数据流量，提升其优先级，使得该流量能够满足其传输时延限制；相反的，选取目前网络中最优的一条数据流量传输路径，降低其优先级，使其能够在满足时延限制的基础上，以最小的优先级代价传输完成。

2.根据权利要求1所述的实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法，其特征在于，所述动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略包括以下步骤：

3-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

3-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其规划的传输路径上的交换设备节点的优先级策略为最优；

3-3)判定剩余源节点的实时数据流量在自身所规划的传输路径上的交换设备节点上是否存在超过传输时延限制的流量；若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；否则，在剩余源节点的实时数据流量中选取具有最高传输时延的实时数据流量，并且在其规划路径上的每一个交换设备节点上，都将其网络传输优先级设置为最高；返回步骤3-3)，直到网络中所有实时数据流量都满足自身的传输时延限制为止。

3.实时软件定义工业网络传输优先级动态调整***，用于终端，其特征在于，包括工业SDN控制器，用于

动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级；

动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略；

所述动态调整网络中每个源节点的实时数据流量的优先级，执行以下步骤：

2-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

2-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其传输优先级为最高；

2-3)判断其它源节点的实时流量中是否存在超过传输时延限制的流量，若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；若存在，返回步骤2-2)，直到网络中不存在超过其自身时延限制的实时数据流量为止；

m个交换设备，表示为S＝{s₁,s₂,…,s_m}，存在n个实时数据流量，表示为F＝{f₁,f₂,…,f_n}，并且对于每个交换设备都存在q个优先级队列，对于每个队列1表示最高的优先级，q表示最低的优先级；

对于数据流f∈F，在交换设备s∈S中的优先级为x_f,s；在每个交换设备s∈S中，流量f∈F的优先级x_f,s能够表示为一个优先级矢量X_f＝[x_f,1,x_f,2,…,x_f,m]^T，其中x_f,s的取值为1到q，否则为0；

对于每个f∈F都有一个优先级矢量X_f，表示为一个优先级矩阵

有d_f表示数据流f∈F的端到端时延，k_f表示数据流f的端到端时延限制；对于每一条实时数据流量来说，就有其实际传输时延D_f＝α×k_f，其中0<α≤1；

对于每个实时数据流量都分配一个独有的优先级标识符，在该过程中，数据流量在工业网络中的每个交换设备中都有相同的优先级表示，对于数据流i∈F，对于网络中所有的交换设备都有x_i,1＝x_i,2＝…＝x_i,m；该过程主要分为两个部分：第一部分，过程选取当前网络中，已经超过其传输时延的最差的一个数据流量，提升其优先级，使得该流量能够满足其传输时延限制；相反的，选取目前网络中最优的一条数据流量传输路径，降低其优先级，使其能够在满足时延限制的基础上，以最小的优先级代价传输完成。

4.根据权利要求3所述的实时软件定义工业网络传输优先级动态调整***，其特征在于，所述动态调整网络中每个实时数据流量所规划路径上交换设备节点的优先级策略，执行以下步骤：

3-1)对于目前网络中所有源节点的实时数据流量的传输时延进行标定；

3-2)当存在超过某实时数据流量时延限制的流量时，调整其规划的传输路径上的交换设备节点的优先级策略为最优；

3-3)判定剩余源节点的实时数据流量在自身所规划的传输路径上的交换设备节点上是否存在超过传输时延限制的流量；若不存在，则说明当前网络流量负载情况良好，能够满足网络传输需求；否则，在剩余源节点的实时数据流量中选取具有最高传输时延的实时数据流量，并且在其规划路径上的每一个交换设备节点上，都将其网络传输优先级设置为最高；返回步骤3-3)，直到网络中所有实时数据流量都满足自身的传输时延限制为止。

5.一种终端，其特征在于，包括如权利要求3～4任一项所述的实时软件定义工业网络传输优先级动态调整***。

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