CN113852644A - 一种确定性网络设备识别认证装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定性网络设备识别认证装置及方法，涉及工业互联网的时间敏感网络技术领域，装置包括多个工业终端设备、多个时间敏感交换设备以及网络配置OS，本发明在兼容传统的以太网数据传输下，有效的降低时间敏感数据在设备中的处理时间开销，通过与周围设备的信息通告和协议获取，将传输网络中的时间敏感网络设备需求上传到网络配置OS，为确定性网络的带宽分配、资源配置提供基础保证，满足时间敏感网络的即插即用和网络配置需求，提高时间敏感网络的带宽利用率和数据传输的实时性、可靠性。

Description

一种确定性网络设备识别认证装置及方法

技术领域

本发明涉及工业互联网的时间敏感网络技术领域，具体涉及一种确定性网络设备识别认证装置及方法。

背景技术

全球经济快速发展离不开制造业技术的革新。面对新一代工业互联网技术的发展，相当多重量级制造企业面对日益增长的需求正计划更快、更精准地扩大生产。同时新技术的发展趋势的持续将取决于企业是否愿意接受创新技术，是否可以不断提高生产效率、降低运维成本。越来越多的工业化设备将互联在域中，对新一代的工业互联网的确定性、可靠性也提出了更高的要求。

工业物联网（IIoT）的发展使得网络中有很多来自不同的厂商、不同的特性的设备进行互连，由于各个功能的设备进行单独的管理和数据的QoS传输机制，无需对整个网络的数据传输路径进行规划，工业化设备的实时性主要是通过各个厂家的非标准化协议进行处理，例如profinet、cc-link等工业实时协议，设备厂商之间存在互联性差，设备互联管理能力混乱，缺少对管理地址、设备标识、接口标识等信息的统一管理，造成无法有效的获取整个网络的利用率，提高了企业的网络建设成本和网络拓扑复杂性。

传统的工业现场级设备的数据传输是基于QoS传输的，对数据传输的实时性比较有限，数据传输的可靠性较低，随着现场层面接入的设备越来越多，可用带宽和不同流量类型共存成为工厂骨干网络上行信道的一个重要问题。传统的链路发现协议主要是将设备的主要特性、管理地址、设备标示、端口标识发送给接入统一局域网中的其他设备，但是在时间网络技术中的设备，新增加的帧抢占功能，使得传统的链路发现协议无法对该功能进行识别，从而无法对时间敏感网络域和普通网络域区分，导致数据传输无法有确定性的功能。

时间敏感网络设备相对于传统的网络设备，对物理介质进行了修改，同时也存在时间同步性能、数据切片技术的关键指示信息缺失，导致设备识别出现问题，即使设备之间互联成功，也会出现无法使用时间同步、数据切片的功能，为了满足不同优先级的时间敏感数据传输时间规划将物理传输介质区分为抢占传输通道和被抢占传输通道，传统的标准以太网的物理传输数据通道不进行区分，这也是时间敏感数据传输设备与标准以太网数据传输设备的主要区别点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种确定性网络设备识别认证装置及方法及方法，能够自动化的识别网络中的相邻设备的时间敏感属性，满足时间敏感网络的即插即用和网络配置需求。将获取的时间敏感域的信息进行合理规划，提高网络资源的利用率。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种确定性网络设备识别认证方法，包括以下步骤：

（1）时间敏感交换设备之间使用附加以太网能力通告信息值交换物理端口信息，链接设备存储相邻设备的端口信息；

（2）时间敏感交换设备解析相邻设备的时间敏感处理能力，对时间敏感网络设备进行验证并将时间敏感网络设备的交换信息、数据处理延时信息上传给网络配置OS；

（3）网络配置OS获取时间敏感网络设备的IP地址，使用网络管理协议从时间敏感网络设备读取端口信息，枚举时间敏感网络设备描述的端口拓扑；

（4）网络配置OS采集网络中所有时间敏感网络设备和工业端站的端口信息后，规划整个物理拓扑结构。

其中，步骤（4）包括以下子步骤：

（4.1）网络配置OS遍历网络拓扑并获取时间敏感设备的本地时钟类型值、端口预留带宽大小、路径规划表，同时网络配置OS根据收集的网络资源需求，如时间敏感网络设备之间要进行的通信路径、时间敏感流的周期、大小和时延界限；

（4.2）网络配置OS根据网络物理拓扑和网络需求计算每个时间敏感流的调度表并发送至每个时间敏感网络设备，网络配置OS通过代理的方式完成时间敏感网络的端口流量调度配置；

（4.3）当有新的设备加入网络或有新的时间敏感流产生时，重复上述步骤在网络运行时重新配置。

作为优选，所述时间敏感交换设备通过单个点对点网络连接运行。

作为优选，所述的步骤（1）中时间敏感交换设备之间交换的数据字段包括数据类型、长度、值、信息字符长度、固定厂家ID、802.3类型字段、附加的以太网能力通告信息值和厂商信息码。

基于上述方法的一种确定性网络设备识别认证装置，其包括多个工业终端设备、多个时间敏感交换设备以及网络配置OS，工业终端设备传输信息给时间敏感交换设备，时间敏感交换设备与网络配置OS交互信息，时间敏感交换设备之间采用单个点对点网络连接。

本发明针对确定性数据网络的组网应用需求，解决网络域中的时间敏感网络设备和非时间敏感网络设备的信息管理认证问题，通过提出一种确定性网络设备识别认证装置及方法，兼容传统的网络设备的物理拓扑发现和状态信息维护，在不增加数据处理开销时间和复杂性的同时，通过增加的附加以太网信息值来维护确定性数据传输设备的特性标识，通过与周围设备的信息通告和协议获取，将传输网络中的时间敏感网络设备需求上传到网络配置OS，为确定性网络的带宽分配、资源配置提供基础保证，满足时间敏感网络的即插即用和网络配置需求，提高时间敏感网络的带宽利用率和数据传输的实时性、可靠性。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

工业互联网技术、智能制造解决方案的发展是基于网络的协同实现的，传统的IT主要是对高带宽的需求，OT层则是对低延时、高可靠性的需求，网络中的物理传输介质和互连的接口形态已定，异构网络中的互操作性尚未存在统一的标准。时间敏感网络技术解决的是“实时”与“非实时”数据的同一网络数据传输问题，主要解决时钟同步、数据调度和网络配置的问题。在网络配置的过程中需要进行时间敏感网络传输路径规划，主要采用的网络配置方法有集中式网络管理、分布式网络管理和混合式网络管理三种方式，三种方式均需要对网络中的设备信息进行获取和识别，并通过网络管理OS对整个网络中的设备拓扑、设备功能和资源配置进行枚举，其中具备时间敏感网络的设备组成的域称为时间敏感域，具备时间敏感网络和非时间敏感网络的设备组成的域或非时间敏感网络的设备组成的域称为非时间敏感域，针对时间敏感域，按照一种确定性网络设备识别认证的装置和方法，获取相邻时间敏感设备的信息模型特性，并将信息模型传输给网络管理OS，建立时间敏感网络拓扑结构和资源分配方案，提高时间敏感网络的带宽利用率和数据传输的实时性、可靠性；非时间敏感网络域则按照传统的数据链路发现协议进行数据传输。

一种确定性网络设备识别认证装置，包括多个工业终端设备、多个时间敏感交换设备以及网络配置OS，工业终端设备传输信息给时间敏感交换设备，时间敏感交换设备与网络配置OS交互信息，时间敏感交换设备之间采用单个点对点网络连接。

一种确定性网络设备识别认证方法，主要执行流程如下：

（1）时间敏感交换设备之间使用附加以太网能力通告信息值交换物理端口信息，链接设备存储相邻设备的端口信息；

（2）时间敏感交换设备解析相邻设备的时间敏感处理能力，对时间敏感网络设备进行验证并将时间敏感网络设备的交换信息、数据处理延时信息上传给网络配置OS；

（3）网络配置OS获取时间敏感网络设备的IP地址，使用网络管理协议从时间敏感网络设备读取端口信息，枚举时间敏感网络设备描述的端口拓扑；

（4）网络配置OS遍历网络拓扑并获取时间敏感设备的本地时钟类型值、端口预留带宽大小、路径规划表，同时网络配置OS根据收集的网络资源需求，如时间敏感网络设备之间要进行的通信路径、时间敏感流的周期、大小和时延界限；

（5）网络配置OS根据网络物理拓扑和网络需求计算每个时间敏感流的调度表并发送至每个时间敏感网络设备，网络配置OS通过代理的方式完成时间敏感网络的端口流量调度配置；

（6）当有新的设备加入网络或有新的时间敏感流产生时，重复步骤（4）-（5）在网络运行时重新配置。

在时间敏感设备交互信息的数据字段增加附加的以太网能力通告信息值，在通告信息值中，对时间敏感网络设备的状态、功能和支持的抢占字节数进行了限制，同时为了保证时间敏感网络设备和非时间敏感网络设备的兼容性，可以通过位配置信息进行设备识别认证，由于时间敏感网络协议的更迭性，保留额外的字节用于其他的功能信息拓展。如下表所示，

数据类型、长度、值（7位）

信息字符长度（9位）

固定厂家ID（3字节）

802.3类型字段（8位）

附加的以太网能力通告信息值（16位）

厂商信息码

附加的以太网能力通告信息值共16位，作为时间敏感交换设备的设备识别认证的关键字段，主要功能定义如下：

位[4:3]是指可以抢占的数据帧的最小字节数，为避免时间敏感数据的多次切片开销，规定低于64字节的数据无法发生抢占。同时在抢占传输的过程，为提高时间敏感数据的切片可靠性，被抢占的时间敏感数据的最小为64字节 *(1+Size)-4，其中size是可以抢占的数据帧的最小字节数阈值。

位[15:5]作为预留字段，初始值为0，接收端对接收到的预留位信息不作处理识别。预留的字节信息也不会被传输，若数据超出额定的字节数则被丢弃。

位0主要表示链路上的临近设备帧抢占功能，1表示支持，0表示不支持。相邻的时间敏感网络设备获取管理信息后，对管理信息进行解析，位0值为1时，表示在传输方向上支持抢占能力。相邻的时间敏感网络设备判断抢占能力的过程依赖于以太网能力通告信息值。当相邻的时间敏感网络设备通过位于最近网桥组地址的数据链路发现协议的数据字段中的附加以太网能力通告信息值宣布其对抢占能力的支持时，帧抢占功能会启用。当MACMerge子层收到链路故障的信号时，需要关闭抢占功能。

位1主要表示链路上的临近时间敏感网络设备帧抢占功能的状态，1表示开启抢占功能，0表示关闭抢占功能。

位2主要表示链路上的临近时间敏感网络设备帧抢占功能使能操作，1表示使能，0表示不使能。相邻的时间敏感网络设备先对时间敏感网络设备的使能状态进行认证，判断使能状态为1时帧抢占功能随后被激活。当时间敏感网设备支持抢占功能并没有被验证，则由MAC Merge子层发起验证。验证主要取决于一个认证mPacket的发送和一个响应的mPacket包的接收来确认远端的设备具备抢占的能力。

如图1所示，确定性网络设备中主要的主城部分为网络配置OS、工业终端设备A、时间敏感网络设备1、时间敏感网络设备2、时间敏感网络设备3、工业终端设备B。

时间敏感网络设备1、时间敏感网络设备2、时间敏感网络设备3之间通过识别相邻时间敏感设备交互信息的数据字段增加附加的以太网能力通告信息值，并对附加的以太网能力通告信息值进行解析，解析结果如下表1确认时间敏感网络设备的功能，并将信息存储在时间敏感网络设备中。

表1 附加的以太网能力通告信息值解析表

序号	附加的以太网能力通告信息值	时间敏感网络设备是否支持抢占
			1	0007	支持最小64字节的抢占
2	0008	支持最小128字节的抢占
			3	000x	不支持帧抢占的操作

时间敏感网络设备将解析后存储的信息上传给网络配置OS，在开始时间敏感流传输之前，网络配置OS获取链路上的时间敏感网络设备1、时间敏感网络设备2、时间敏感网络设备3的IP地址，使用网络管理协议YANG模型向时间敏感网络设备发起检索网络物理拓扑请求，并规划出网络链路上的设备的拓扑结构为直线型。

网络配置OS依据获取的时间敏感网络设备的IP值，依次遍历网络拓扑并获取链路上的时间敏感网络设备1、时间敏感网络设备2、时间敏感网络设备3的本地时钟类型值、端口预留带宽大小、路径规划表。依据时间敏感网络设备之间要进行的通信路径、时间敏感流的周期、大小和时延界限条件，对时间敏感网络设备的端口配置形成XML配置文本，并下发到对应的时间敏感网络设备，下发完成后对时间敏感网络设备进行初始化配置，初始化完整之后时间敏感网络设备状态更新为ready状态，待链路上的时间敏感网络的设备的全部状态更新为ready状态并上报网络配置OS，网络配置OS确认链路上时间敏感网络设备状态后下发流量传输指令。

当有新的设备加入网络或有新的时间敏感流产生时，依然可以用此方式在网络运行时重新配置。如果网络链路上任何一个设备的附加的以太网能力通告信息值为000x（x表示该位为任意值）则该网络为非时间敏感网络，网络配置OS将不下发时间敏感网络配置，链路中的设备将直接进行常规数据交换操作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种确定性网络设备识别认证方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）时间敏感交换设备之间使用附加以太网能力通告信息值交换物理端口信息，链接设备存储相邻设备的端口信息；

（2）时间敏感交换设备解析相邻设备的时间敏感处理能力，对时间敏感网络设备进行验证并将时间敏感网络设备的交换信息、数据处理延时信息上传给网络配置OS；

（3）网络配置OS获取时间敏感网络设备的IP地址，使用网络管理协议YANG模型向时间敏感网络设备发起检索网络物理拓扑请求；

（4）网络配置OS采集网络中所有时间敏感网络设备和工业端站的端口信息后，规划整个物理拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的一种确定性网络设备识别认证方法，其特征在于：所述时间敏感交换设备通过单个点对点网络连接运行。

3.根据权利要求1所述的一种确定性网络设备识别认证方法，其特征在于：所述的步骤（1）中时间敏感交换设备之间交换的数据字段包括数据类型、长度、值、信息字符长度、固定厂家ID、802.3类型字段、附加的以太网能力通告信息值和厂商信息码。

4.根据权利要求1所述的一种确定性网络设备识别认证方法，其特征在于：所述的步骤（4）包括以下子步骤：

（4.1）网络配置OS遍历网络拓扑并获取时间敏感设备的本地时钟类型值、端口预留带宽大小、路径规划表，同时网络配置OS根据收集的网络资源需求，如时间敏感网络设备之间要进行的通信路径、时间敏感流的周期、大小和时延界限；

（4.2）网络配置OS根据网络物理拓扑和网络需求计算每个时间敏感流的调度表并发送至每个时间敏感网络设备，网络配置OS通过代理的方式完成时间敏感网络的端口流量调度配置；

（4.3）当有新的设备加入网络或有新的时间敏感流产生时，重复上述步骤在网络运行时重新配置。

5.一种确定性网络设备识别认证装置，其特征在于：多个工业终端设备、多个时间敏感交换设备以及网络配置OS，工业终端设备传输信息给时间敏感交换设备，时间敏感交换设备与网络配置OS交互信息，时间敏感交换设备之间采用单个点对点网络连接。

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