CN117255087B - 一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法与***，它们是一一对应的方案，方案中：为了实现对海量异构设备的支持，利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生，在有限的边缘资源限制下，保证设备的高效和可靠接入；利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备到宏网络孪生的接入认证，显著提高认证的速度和吞吐量；当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理，在物理设备移动的场景下保障用户业务无服务中断。

Description

一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法与***

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法与***。

背景技术

下一代网络将面临数十亿人和数百亿设备连接的需求。因此，未来的网络架构需要通过异构网络来容纳急剧增长的移动互联网流量和各种服务和应用。万物互联（Internet of Everything，IoE）被认为是未来互联网的发展方向，它可以通过下一代移动通信和人工智能技术，实现人、进程、数据和物之间的智能连接，从而使网络连接的研究更具价值。与传统的端到端连接相比，万物互联中的网络架构的一个革命性特点是支持普遍的数据收集、聚合、融合、处理、分发和服务。这种颠覆性的变化给万物互联的网络架构设计带来了许多问题和挑战，包括可扩展性、移动性、安全性和可用性等。在当前的互联网架构中，IP协议（网际互连协议）使用IP地址作为设备在网络中的身份和定位标识，因此无法满足移动设备和服务急剧增长的需求，从而导致可扩展性问题。此外，网络的可信度不仅取决于端到端物理连接的安全性，还取决于访问网络的可信用户。然而，在当前的互联网架构中，匿名访问会影响网络的可信度，导致安全问题。此外，在当前的网络架构中，很难在单个通信过程中协调多个网络服务提供商之间的网络资源，以提供个性化的服务质量保证和可用性，这导致了可用性问题。所有这些当前网络架构中的挑战性问题都是关键的，严重阻碍了移动流量和服务的快速发展。

综上所述，在为未来的网络架构设计提供可扩展性、安全性、移动性和网络安全方面存在许多挑战。有研究人员为下一代网络提出了一个基于网络孪生（Cybertwin）的以云为中心的网络架构，如图1所示。通过引入物联网中人和物在虚拟世界表示的网络孪生，作为物理世界中人或物的助手，来解决未来一代网络的可扩展性、安全性、移动性和可用性问题。这种新架构包含四个关键组件，它们分别是：

核心云（Core Cloud）：通过高速光链路全连接，构成核心网。与现有云网络不同，这些核心云作为网络基础设施服务，为终端提供计算、缓存和通信资源；

边缘云（Edge Cloud）：更快地响应终端请求，帮助核心云提供很高质量的网络服务；

网络孪生（Cybertwin）：是虚拟网络空间中人和物的数字表示，提供最核心的网络功能；

终端：即网络中的人和物，通过对应的网络孪生直接从网络获取服务。

以及三个网络：

接入网（Access Network）：负责终端与边缘云的连接，有线和无线均可；

核心网（Core Network）：负责边缘云和核心云之间、 以及所有核心云之间的连接；

服务网（Service Network）：用于应用服务的逻辑网络，部署在云网络的顶部，为终端提供服务。

其中，作为整个网络架构的核心部件，网络孪生具有多种功能：通信助手（Communication Assistant）、日志（Logger）和数字资产（Digital Asset）等。基于网络孪生的通信模型如图2所示。作为通信助手，网络孪生能够更好地实现多种用户体验。基于网络孪生的通信模型要求终端（End）首先连接到它的网络孪生（Cybertwin），网络孪生代表该终端从云网络获取所需的服务（Service），所需服务由边缘云和核心云提供；网络孪生同时还具有日志功能，由于通信通过网络孪生完成，这意味着网络孪生可以实时获取并记录有关终端行为的所有数据。与传统的数据获取和存储不同，这些数据属于终端的网络孪生，而不属于运营商，保障了用户的隐私和网络安全性；另外，网络孪生可以将日志功能记录的行为数据转换为数字资产，为数据所有者带来经济价值。

基于网络孪生的下一代网络体系架构对于异构设备的低时延接入、网络安全性、用户隐私、数据管理带来的好处是显而易见的。尽管网络孪生的概念已经引起了学界的广泛关注，但是目前仍然缺乏一个完整的实现方案。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法与***，可以实现对海量异构设备的统一接入与管理，为万物互联的发展和普及奠定基础。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，包括：

利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生；

利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备到宏网络孪生的接入认证；并且，当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理。

一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现***，***包括：可编程交换机和边缘云；

利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生；基于宏网络孪生，利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备的接入认证；并且，当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，能够优化海量异构设备的接入与管理，解决设备接入难、接入效率低、管理成本高等难点问题。并且首次提出了网络孪生概念的具体实现方案，本发明主要优点如下：（1）本发明基于概念上的网络孪生，实现了分布式的宏网络孪生，为异构设备提供了统一的高效接入与管理方案。（2）本发明基于可编程交换机与边缘云协同实现，大大提高了设备的接入效率以及资源利用率，保证了海量设备的低时延接入与服务。（3）设计了基于网络孪生接入设备的移动性和信息一致性管理方案，保证在移动场景中的服务质量，迁移过程中无服务中断。（4）本发明基于现网进行设计，能够在现有网络中方便地大规模部署。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的基于网络孪生的云中心网络架构的示意图；

图2为本发明背景技术提供的网络孪生通信模型的示意图；

图3为本发明实施例提供的支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法中宏网络孪生的构成与部署的示意图；

图4为本发明实施例提供的宏网络孪生管理表项示意图；

图5为本发明实施例提供的基于宏网络孪生的接入方案流程图；

图6为本发明实施例提供的宏网络孪生移动性管理方案流程图；

图7为本发明实施例提供的宏网络孪生的信息一致性管理方案示意图。

具体实施方式

下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

下面对本发明所提供的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法与***进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例一

本发明实施例提供一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，能够达成对于海量异构设备的统一接入与管理，为万物互联的发展和普及奠定基础。首先，为了实现对海量异构设备的支持，利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生（Macro-Cybertwin），在有限的边缘资源限制下，保证设备的高效和可靠接入。其次，利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备到宏网络孪生的接入认证，显著提高认证的速度和吞吐量。最后，当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理，在物理设备移动的场景下保障用户业务无服务中断。

本领域技术人员可以理解，使用可编程交换机即可实现加速，原因在于：通过可编程交换机的硬件实现的包处理，其速度远高于常规的服务器实现的软件包处理。定制化处理是指可编程交换机的硬件限制，可编程交换机的硬件与传统的服务器区别较大，因此，需要遵循它的功能约束，实现基于RMT（可重配置流表，可编程交换机的编程逻辑实现方式）的接入。

上述方案主要优点如下：（1）本发明基于概念上的网络孪生，实现了分布式的宏网络孪生，为异构设备提供了统一的高效接入与管理方案。（2）本发明基于可编程交换机与边缘云协同实现，大大提高了设备的接入效率以及资源利用率，保证了海量设备的低时延接入与服务。（3）设计了基于网络孪生接入设备的移动性和信息一致性管理方案，保证在移动场景中的服务质量，迁移过程中无服务中断。（4）本发明基于现网进行设计，能够在现有网络中方便地大规模部署。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的方法进行详细描述。

一、宏网络孪生。

宏网络孪生（Marco-Cybertwin）是本发明基于网络孪生的概念，结合万物互联的实际需求以及云原生网络架构提出的网络孪生分布式实现方案，它是一个网络孪生完整的功能集合，分布式部署在可编程交换机与边缘云上。在边缘受限的资源下，物理设备与网络孪生一一对应完整的单体式实现是不现实的，这不仅会导致资源利用率低下，也无法承载海量设备的接入。因此在本发明实施例中，一个宏网络孪生副本可以服务于多个设备，但逻辑上物理设备仍保持与网络孪生一一对应关系，具体的：一个宏网络孪生的部分功能模块可以在边缘节点部署多个，比如日志功能，可以以微服务的形式部署3个甚至更多个，一个功能模块副本可以为多个逻辑上的网络孪生服务，但是也有服务上限，因此需要部署多个。

图3呈现了支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法中宏网络孪生的构成与部署的示例，其主要包括：通信助手（Communication Assistant）模块、日志（Logger）模块、数字资产（Digital Assistant）模块以及管理与控制（Manage & Control）模块。值得注意的是，虽然之前有研究人员设计了通信助手，日志，数字资产模块，但是它们仅仅停留于概念之上，并没有具体的实现方法，本发明实施例中，在宏网络孪生中提供了这些模块真正的实现方案。另外，单独设计了一个管理和控制模块，用于对分布于多个物理实体上的宏网络孪生的模块进行统一管理。下面针对以上四个模块分别进行介绍。

1、通信助手模块。

所述通信助手模块，用于与边缘云协作实现异构设备的接入认证、移动性管理以及信息一致性管理。设备需要首先通过通信助手连接到它的网络孪生，再由它的网络孪生去向核心网申请后续服务。作为异构设备的接入接口，通信助手模块应当在可编程交换机数据平面上都运行一个，通过可编程交换机的在网计算资源实现灵活、高效的物理设备接入身份信息验证和表项匹配以满足超低时延、可靠、大规模连接。它为了适应可编程交换机的硬件，被设计成了可重配置匹配-动作表（Reconfigurable Match-Action Tables，RMT）的形式。

通信助手模块是宏网络孪生中的核心模块，它是海量异构设备接入的关键，后文将详细介绍与其相关的接入认证以及移动性管理方案。

2、日志模块。

所述日志模块，用于记录异构设备的行为数据，需要大量的计算与存储资源，对于实时性的需求相对较弱。基于上述考虑，日志模块可卸载到资源更充足的边缘云。它以微服务的形式在边缘云运行一个或多个。

3、数字资产模块。

所述数字资产模块，用于将异构设备的行为数据转换为数字资产；同样以微服务的形式在边缘云运行一个或多个。

4、管理与控制模块。

所述管理与控制模块，用于为宏网络孪生副本内部提供管控，它作为可编程交换机数据平面与边缘服务器协同的接口，运行在可编程交换机的控制平面上，存储与通用计算能力较数据平面更为充足。同时为通信助手模块使用的表项进行缓存以及为移动性管理所需表项提供信息一致性管理。

以接入认证过程为例，通信助手模块中只能存部分设备的表项，当一个可编程交换机未存储的新设备到来时，通信助手模块会向边缘服务器去请求新设备信息，而该请求行为由管理与控制模块来进行管控，其余过程也是类似的。

二、宏网络孪生架构中的物理构件与表项设计。

为了应对移动用户可靠接入这一关键挑战，宏网络孪生的移动性管理方案采用终端地址和ID分离体系结构。基于宏网络孪生的接入为移动用户接入的迁移问题提供了一个基本的解决机制，该机制可以实现具有移动性支持的域内域间通信，并且能够在现有网络中方便地大规模部署。

异构设备具有对应的网络孪生，与移动通信服务商类似，网络孪生也应有相应的服务提供商，网络孪生服务提供商为不同的设备提供唯一的网络孪生标识（CybertwinID），以识别该设备。同时，网络孪生拥有一个注册地（Home）的概念，一个网络孪生所有的信息，包括该网络孪生上一个周期内的接入位置、认证码、日志记录的数据与消费信息都储存在其注册地的网络孪生注册信息管理中心（Cybertwin Registration Manager Server，CRMS）内。

本发明实施例中，设置了包含从上至下的网络孪生注册信息管理中心、边缘云与可编程交换机的层级化的立体管理结构，基于所述层级化的立体管理结构完成异构设备的接入认证与移动性管理；这样的设计不仅具有很强的可扩展性，并且可以支持时延敏感性应用的超低时延接入与迁移。对于每个层次，都设置了用于接入与移动管理数据的键值存储表项，用来管理名字与路由地址，它跟踪并解决了网络孪生的名称与地址之间的映射，为所有移动通信接入提供了迁移支持。具体的表项设计如图4所示。

网络孪生注册信息管理中心在物理上可以由多个数据中心集群实现，但是逻辑上是中心化的。它有两个主要功能，首先，网络孪生注册信息管理中心负责整个管辖域内拜访的所有网络孪生的数据维护。当有一个新的网络孪生移动到当前网络孪生注册信息管理中心时，先要在当前网络孪生注册信息管理中心登记，之后当前网络孪生注册信息管理中心需要前往该网络孪生的注册地的网络孪生注册信息管理中心去请求相关的信息作为缓存。其次，网络孪生注册信息管理中心还保有在此地注册的网络孪生的所有信息，如果网络孪生去其它管辖域拜访，它需要确保其它管辖域的当前网络孪生注册信息管理中心可以访问到该网络孪生所有永久性数据。

基于此，每一网络孪生注册信息管理中心需要维护两个键值存储表项，一个称为原生网络孪生信息表（Native Cybertwin Information Table，NCIT），另一个称为访客网络孪生寄存器（Guest Cybertwin Register， GCR）。

原生网络孪生信息表存储有在当前网络孪生注册信息管理中心注册的网络孪生的所有永久数据，包括：包括网络孪生标识（Cybertwin ID）、鉴权信息（Authkey）、设备状态、用户偏好、消费信息（Cost）、网络孪生当前访问的网络孪生注册信息管理中心地址（CurLocation）等。因为本发明的重点在于接入，因此，图4中只列出了部分信息。

访客网络孪生寄存器它维护在当前网络孪生注册信息管理中心管辖域内访问的网络孪生信息。名称中的寄存器表明它是一个需要动态变化的表，它除了从网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心获取的原生网络孪生信息表中存储的相关信息外，还应该记录它是在本管辖域内某一边缘云进行接入（即AccEdge字段）的以保证可以向下一级寻址到该网络孪生的位置，以及它在本管辖域获得服务的消费信息（AreaCost），每一次服务完成都需要进行一次更新。

每一个边缘云都处于一个网络孪生注册信息管理中心的管辖域内，它维护的键值存储表项称为本地接入设备信息表（Locate Access Device Information Table，LADIT），其中的信息包括：网络孪生标识（Cybertwin ID）、鉴权信息（Authkey）、接入的可编程交换机的标识（Switch ID）、以及在本区域内获得服务的消费信息（LocCost）。边缘云通过LADIT中Cybertwin ID --> Switch ID的映射，进行下一层级的寻址。

每一边缘云管辖一批可编程交换机，这些可编程交换机通过其独特的硬件加速，为网络孪生提供了高效、可靠、超低时延的认证与接入。异构设备首先通过前向接入设备（如基站、无线路由器、普通交换机等）进行网络层以下的接入，之后前向接入设备再有线连接到可编程交换机上。每个可编程交换机的通信助手模块维护一个设备接入注册表（Device Access Registration Table，DART），因为可编程交换机的数据平面存储极为有限，设计中设备接入注册表尽可能以可以完成接入鉴权的最小集进行存储，其中的信息包括：网络孪生标识（Cybertwin ID）、鉴权信息（AuthKey）以及前向接入设备与可编程交换机的连接端口（Port）。

三、基于宏网络孪生的异构设备接入认证方案。

如图5所示，实现异构设备的接入认证的步骤包括：

步骤S11（对应于图5中①）、可编程交换机中的通信助手模块接收前向接入设备转发的来自异构设备的接入请求。

此步骤中，异构设备向距离自己最近的前向接入设备发送接入请求报文，经由前向接入设备转发至运行有宏网络孪生通信助手模块的可编程交换机，报文中应携带如下信息：网络孪生的ID、用于认证的私钥（也可以是其它认证信息，比如证书等）、注册地网络孪生注册信息管理中心地址、上次连接的地址，包含管理中心地址-边缘地址-接入交换机id三层信息。若上次连接地址为空，则说明异构设备是休眠之后重新启动，进行接入逻辑，否则进行迁移逻辑（即后文介绍的移动性管理方案）。图5的①中提供了报文信息中各字段的示例。

步骤S12（对应于图5中②）、可编程交换机中的通信助手模块检查自身维护的设备接入注册表是否存在异构设备的接入请求中对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S18；若不存在，则通过可编程交换机中的管理与控制模块向所在管辖域内的边缘云发送认证信息请求，并转入步骤S13。

步骤S13（对应于图5中③）、边缘云收到自身管辖范围内的可编程交换机中管理与控制模块发送的认证信息请求，检查自身的本地接入设备信息表是否存在对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S17；若不存在，则向所在管辖域内的网络孪生注册信息管理中心发送认证信息请求，转入步骤S14。

步骤S14（对应于图5中④）、管辖域网络孪生注册信息管理中心接收边缘云的认证信息请求，查询自身的访客网络孪生寄存器中是否存在对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S16；若不存在，则向对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心发送认证信息请求，转入步骤S15。

步骤S15（对应于图5中⑤）、对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心接收到认证信息请求后，结合自身的原生网络孪生信息表对认证信息请求中对应的网络孪生进行认证鉴权，如果通过认证鉴权，则更新自身的原生网络孪生信息表，即则将原生网络孪生信息表中CurLocation字段改为管辖域网络孪生注册信息管理中心的地址（例如，118.212.0.0/16）；并将自身的原生网络孪生信息表包含的对应的网络孪生信息发送给管辖域网络孪生注册信息管理中心。

步骤S16（对应于图5中⑥）、管辖域网络孪生注册信息管理中心将对应的网络孪生信息发送给相应的边缘云，并更新自身的访客网络孪生寄存器，即将访客网络孪生寄存器中AccEdge字段修改为加入边缘云的地址（例如，112.53.26.0/24），以及通告对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心，即告知网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心，异构设备接入的管辖域网络孪生注册信息管理中心的地址（例如，118.212.0.0/16）。

步骤S17（对应于图5中⑦）、边缘云将对应的网络孪生信息发送给相应可编程交换机中的管理与控制模块，并更新自身本地接入设备信息表，即将本地接入设备信息表中Switch ID字段修改为接入的可编程交换机的标识（例如，s5），以及通告边缘云所在管辖域内的网络孪生注册信息管理中心，即通过管辖域内的网络孪生注册信息管理中心异构设备在边缘云中接入，并携带边缘云的地址（例如，112.53.26.0/24）。

步骤S18（对应于图5中⑧）、可编程交换机中的管理与控制模块向边缘云通告异构设备于自身接入宏网络孪生，并将对应的网络孪生信息发送给通信助手模块，由通信助手模块更新自身维护的设备接入注册表，即将设备接入注册表中该网络孪生标识的Port字段修改为对应端口。

上述步骤涵盖了各类简单与复杂情况，实际上，大多数接入是发生在在同一个边缘云甚至可编程交换机的管辖范围内的。换句话说，可编程交换机和边缘云大多数情况下是持有缓存的，可以实现快速的接入认证，而不是每次都向远端注册地网络孪生注册信息管理中心进行请求。可编程交换机、边缘云、本地（管辖域内）网络孪生注册信息管理中心中的表项缓存会根据设备网络孪生的使用习惯保留相应时间动态进行更新，在支撑大量设备接入的同时做到了低时延接入。

四、宏网络孪生接入下的移动性管理。

在上述基于宏网络孪生的接入方案下，对于移动设备并非首次进行连接，而是位置移动造成的迁移，已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，进行的移动性管理方案。图6展示的是一种最复杂的情况，即跨网络孪生注册信息管理中心管辖域，更简单的情况如同边缘内跨交换机，同网络孪生注册信息管理中心跨边缘都可以通过这种方式进行推广。

步骤S21（对应于图6中①）、所述新的可编程交换机中的通信助手模块接收异构设备的接入请求。

此步骤中，已接入的异构设备的地理位置由原可编程交换机（例如，标识为s5）移动到更靠近另一个可编程交换机（新的可编程交换机，标识为s3）管辖范围的位置时，发送携带上次接入位置信息的宏网络孪生接入请求。其中包括：网络孪生表示、用于认证的私钥（也可以是其它认证信息，比如证书等）、注册地网络孪生注册信息管理中心地址、上次连接的地址。图6的①中提供了报文信息中各字段的示例。

步骤S22（对应于图6中②）、所述新的可编程交换机中的通信助手模块根据接入请求在自身维护的设备接入注册表中进行表项匹配；若未匹配到，则通过可编程交换机中的管理与控制模块向边缘云请求表项，转入步骤S23。当然，如果此时匹配到对应表项，则新的可编程交换机完成接入，可以提供一些有限的服务，但由于新的可编程交换机中的通信助手模块还没有其他边缘云以及网络孪生注册信息管理中心同步接入点的信息，此时其他设备无法寻址到该异构设备的位置，因此，点对点通信的路由还要等待后续的同步完成。

步骤S23（对应于图6中③）、边缘云向管辖域网络孪生注册信息管理中心通知自身管辖域内需要接入一个新的异构设备，管辖域网络孪生注册信息管理中心查询自身的访客网络孪生寄存器中是否存在该新的异构设备对应的网络孪生信息；若不存在，则转入步骤S24。

步骤S24（对应于图6中④）、管辖域网络孪生注册信息管理中心向对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心通告相应异构设备进行自身的管辖域范围，并请求表项；注册地的网络孪生注册信息管理中心向管辖域网络孪生注册信息管理中心发送对应的网络孪生信息，并更新自身的原生网络孪生信息表，即将原生网络孪生信息表的CurLocation字段为修改为管辖域网络孪生注册信息管理中心地址（例如， 118.212.0.0/16），以用于对此设备的寻址。

步骤S25（对应于图6中⑤）、若原可编程交换机属于管辖域网络孪生注册信息管理中心A1，新的可编程交换机属于管辖域网络孪生注册信息管理中心A2，则注册地的网络孪生注册信息管理中心向管辖域网络孪生注册信息管理中心A1（例如，地址为109.244.0.0/16）通告异构设备已迁移，管辖域网络孪生注册信息管理中心A1更新自身的访客网络孪生寄存器，即将其访客网络孪生寄存器中该网络孪生的AccEdge字段置为“/”表示设备已离开，但仍缓存有相关信息。

步骤S26（对应于图6中⑥）、管辖域网络孪生注册信息管理中心A1向原可编程交换机管辖域内的边缘云B1（例如，地址为123.151.137.0/24）通告异构设备已迁移，边缘云B1更新自身的本地接入设备信息表，即将其本地接入设备信息表中该网络孪生的Switch ID字段置为“/”表示设备已离开。

步骤S27（对应于图6中⑦）、边缘云B1通知原可编程交换机异构设备已迁移，原可编程交换机中的管理与控制模块收到通知后转发给通信助手模块，由通信助手模块更新自身维护的设备接入注册表。

以上提供的是一个最复杂的情况下的移动性管理方案示例，在实际应用下，可以推广至其他情况，例如，当原可编程交换机与新的可编程交换机都属于同一个边缘云的管辖时，异构设备从原可编程交换机迁移至新的可编程交换机，只需要新的可编程交换机通知边缘云即可；其余情况也可以做类似的推广。

此外，本发明提供的图4、图5、图6中所包含的各类表项中各字段的值均为举例，并非构成限制。

五、宏网络孪生中的信息一致性管理。

宏网络孪生本身是一个分布式架构，因此存在着大量模块之间彼此信息同步问题，而为了完成低时延接入的支持，必须实现低时延的信息同步，本发明设计了如图7所示的信息一致性管理方案。将信息一致性算法（例如，Paxos算法）卸载至可编程交换机上，当异构设备发生移动且移动性管理方案重新接入宏网络孪生后，通过可编程交换机与边缘云之间的协作，实现信息一致性管理，以此大大降低了信息同步的通信开销，实现低通信时延下的信息同步。

信息一致性管理的步骤如下：当异构设备发生移动且移动性管理方案重新接入宏网络孪生后，将发出数据同步请求，部署在相应可编程交换机上的管理和控制模块将扮演提议者的角色，帮助异构设备提出一个表决决议。它将与所有需要达成共识的设备（可能包括其它可编程交换机、边缘云、CRMS）组成一个共识协议参与者小组；当决议提出后，首先需要在所有可编程交换机中选出一个领导者来协调进程，领导者确保只有一个进程向协议提交异构设备的数据同步请求，并且，领导者与其他可编程交换机均作为接受者，负责为一个数据同步请求选择单个数据值，所有共识协议参与者也是学习者，一旦投票完成，达成共识的数据值将复制给所有学习者。

本发明实施例中，投票完成后，所有共识协议参与者达成共识，即必然对选出的某个数据值达成共识，达成共识的数据值会复制给所有共识协议参与者，完成数据同步。

为了便于理解，下面结合一个示例进行说明。本示例中，某移动设备（具体来说可以是一个智能驾驶汽车）切换了接入点，如果在车路协同智能驾驶的场景下，需要利用它的位置信息做出下一步的决策，如果它的位置信息是错误的，即上一个接入点的旧信息，会出现很严重的决策失误引发安全问题。因此，它向网络发出数据同步请求，通过网络内的所有设备（可编程交换机、边缘云、CRMS）按照前文介绍的方案完成数据同步，即同步它的位置信息，确保这个位置信息的数据值只有一个，而不是多个可能存在错误的值。

由于可编程交换机芯片是为高性能消息处理而设计的，与使用服务器的共识协议相比，吞吐量提高了四个数量级。此外，在完成共识后，可编程交换机可以直接向其它网络孪生接入的参与设备广播已经达成的共识数据，将实现一致性所需的传输延迟从至少三个往返时延减少到单个往返时延。此外，该方法不具有较强的网络假设，但具有较高的可扩展性和通用性。

以上针对本发明提供的方案进行了详细的介绍，为了测试本发明的性能，分别搭建仿真和实际实验平台，验证本发明方案的可行性。

1、仿真平台。

使用Mininet（一个用于建立和测试软件定义网络和网络功能虚拟化的仿真工具）和Ns-3（一个离散事件模拟器）仿真平台的虚拟化技术在***中进行模拟，构建出网络孪生注册信息管理中心-边缘-可编程交换机-前向接入设备的层次化网络拓扑模型，并使用P4BMv2 Model作为可编程软件交换机实现宏网络孪生的通信助手模块。分别在仿真平台中模拟设备移动时、大量设备接入时，使用Ping、perf等性能测试工具测量网络延迟、吞吐量、丢包率、服务中断时间，测试本发明在移动场景下相对于传统接入方案的优越性。测试证明，多层级的网络孪生移动性管理下的设备接入均优于传统的移动接入方法。

2、真实平台。

为了测试真实平台的实验效果，在未来网络试验设施上部署宏网络孪生，使用支持Wi-Fi 6（第六代无线网络技术）协议的无线路由器、符合5G标准UPF（用户平面功能）下沉的基站、普通接入级交换机作为前向接入设备，使用装载Tofino芯片（一种可编程交换专用芯片）的可编程交换机用于部署通信助手模块，使用k8s（一种容器集群管理***）以微服务的形式部署日志、数字财产，管控模块。路侧的边缘服务器作为边缘云，未来网络试验设施的数据中心作为网络孪生注册信息管理中心进行实验。性能指标包括接入时延、吞吐量、丢包率、服务中断时间，可以在可编程交换机控制平面实现这些性能指标的收集和分析。通过这种真实平台下的宏网络孪生性能验证方案，可以更加准确地评估本发明在的性能表现。测试证明，与单体式的网络孪生实现对比，本方案可以支持更多设备的接入，并提供更高的服务质量。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

实施例二

本发明还提供一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现***，其主要用于实现前述实施例提供的方法，该***主要包括：可编程交换机和边缘云；在实施时：利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生；基于宏网络孪生，利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备的接入认证；并且，当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将***的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，包括：

利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生；

利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备到宏网络孪生的接入认证；并且，当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理;

其中，异构设备的接入认证的步骤包括：

步骤S11、可编程交换机中的通信助手模块接收前向接入设备转发的来自异构设备的接入请求；

步骤S12、可编程交换机中的通信助手模块检查自身维护的设备接入注册表是否存在异构设备的接入请求中对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S18；若不存在，则通过可编程交换机中的管理与控制模块向所在管辖域内的边缘云发送认证信息请求，并转入步骤S13；

步骤S13、边缘云收到自身管辖范围内的可编程交换机中管理与控制模块发送的认证信息请求，检查自身的本地接入设备信息表是否存在对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S17；若不存在，则向所在管辖域内的网络孪生注册信息管理中心发送认证信息请求，转入步骤S14；

步骤S14、管辖域网络孪生注册信息管理中心接收边缘云的认证信息请求，查询自身的访客网络孪生寄存器中是否存在对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S16；若不存在，则向对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心发送认证信息请求，转入步骤S15；

步骤S15、对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心接收到认证信息请求后，结合自身的原生网络孪生信息表对认证信息请求中对应的网络孪生进行认证鉴权，如果通过认证鉴权，则更新自身的原生网络孪生信息表，并将自身的原生网络孪生信息表包含的对应的网络孪生信息发送给管辖域网络孪生注册信息管理中心；

步骤S16、管辖域网络孪生注册信息管理中心将对应的网络孪生信息发送给相应的边缘云，并更新自身的访客网络孪生寄存器，以及通告对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心；

步骤S17、边缘云将对应的网络孪生信息发送给相应可编程交换机中的管理与控制模块，并更新自身本地接入设备信息表，以及通告边缘云所在管辖域内的网络孪生注册信息管理中心；

步骤S18、可编程交换机中的管理与控制模块向边缘云通告异构设备于自身接入宏网络孪生，并将对应的网络孪生信息发送给通信助手模块，由通信助手模块更新自身维护的设备接入注册表。

2.根据权利要求1所述的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，所述宏网络孪生包括：通信助手模块、日志模块、数字资产模块以及管理与控制模块；其中：通信助手模块以及管理与控制模块运行于可编程交换机上，日志模块与数字资产模块运行于边缘云上；

所述通信助手模块，用于与边缘云协作实现异构设备到宏网络孪生的接入认证、移动性管理以及信息一致性管理；

所述日志模块，用于记录异构设备的行为数据；

所述数字资产模块，用于将异构设备的行为数据转换为数字资产；

所述管理与控制模块作为可编程交换机数据平面与边缘服务器协同的接口，运行在可编程交换机的控制平面上，用于为通信助手模块使用的表项进行缓存以及为移动性管理所需表项提供信息一致性管理。

3.根据权利要求2所述的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，异构设备具有对应的网络孪生，每一异构设备具有唯一的网络孪生标识，每一网络孪生拥有一个注册地，一个网络孪生所有的信息均储存在其注册地的网络孪生注册信息管理中心，一个网络孪生所有的信息包括该网络孪生上一个周期内的接入位置、认证码、日志记录的数据，以及消费信息。

4.根据权利要求3所述的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，设置包含网络孪生注册信息管理中心、边缘云与可编程交换机的层级化的立体管理结构，基于所述层级化的立体管理结构完成异构设备的接入认证与移动性管理；对于每个层次，都设置了用于接入与移动管理数据的键值存储表项，用来管理名字与路由地址；

其中，每一网络孪生注册信息管理中心维护两个键值存储表项，一个称为原生网络孪生信息表，它存储有在当前网络孪生注册信息管理中心注册的网络孪生的所有永久数据；另一个称为访客网络孪生寄存器，它维护在当前网络孪生注册信息管理中心管辖域内访问的网络孪生信息；

每一个边缘云都处于一个网络孪生注册信息管理中心的管辖域内，它维护的键值存储表项称为本地接入设备信息表，其中的信息包括：网络孪生标识、鉴权信息、接入可编程交换机的标识、以及在本区域内获得服务的消费信息；

每一边缘云管辖一批可编程交换机，每一可编程交换机的通信助手模块维护键值存储表项，称为设备接入注册表，其中的信息包括：网络孪生标识、鉴权信息以及前向接入设备与可编程交换机的连接端口。

5.根据权利要求3或4所述的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，异构设备的移动性管理的步骤包括：

步骤S21、所述新的可编程交换机中的通信助手模块接收异构设备的接入请求；

步骤S22、所述新的可编程交换机中的通信助手模块根据接入请求在自身的设备接入注册表中进行表项匹配；若未匹配到，则通过可编程交换机中的管理与控制模块向边缘云请求表项，转入步骤S23；

步骤S23、边缘云向管辖域网络孪生注册信息管理中心通知自身管辖域内需要接入一个新的异构设备，管辖域网络孪生注册信息管理中心查询自身的访客网络孪生寄存器中是否存在该新的异构设备对应的网络孪生信息；若不存在，则转入步骤S24；

步骤S24、管辖域网络孪生注册信息管理中心向对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心通告相应异构设备进行自身的管辖域范围，并请求表项；注册地的网络孪生注册信息管理中心向管辖域网络孪生注册信息管理中心发送对应的网络孪生信息，并更新自身的原生网络孪生信息表；

步骤S25、若原可编程交换机属于管辖域网络孪生注册信息管理中心A1，新的可编程交换机属于管辖域网络孪生注册信息管理中心A2，则注册地的网络孪生注册信息管理中心向管辖域网络孪生注册信息管理中心A1通告异构设备已迁移，管辖域网络孪生注册信息管理中心A1更新自身的访客网络孪生寄存器；

步骤S26、管辖域网络孪生注册信息管理中心A1向原可编程交换机管辖域内的边缘云B1通告异构设备已迁移，边缘云B1更新自身的本地接入设备信息表；

步骤S27、边缘云B1通知原可编程交换机异构设备已迁移，原可编程交换机中的管理与控制模块收到通知后转发给通信助手模块，由通信助手模块更新自身的设备接入注册表。

6.根据权利要求3所述的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，信息一致性管理的实现方式包括：

将信息一致性算法卸载至可编程交换机上，当异构设备发生移动且移动性管理方案重新接入宏网络孪生后，通过可编程交换机与边缘云之间的协作，实现信息一致性管理。

7.根据权利要求3或6所述的一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现方法，其特征在于，信息一致性管理的步骤包括：

当异构设备发生移动且移动性管理方案重新接入宏网络孪生后，将发出数据同步请求，部署在相应可编程交换机上的管理和控制模块将扮演提议者的角色，帮助异构设备提出一个表决决议；

提议者将与所有需要达成共识的设备组成一个共识协议参与者小组；所述所有需要达成共识的设备的类型包括：可编程交换机、边缘云与网络孪生注册信息管理中心；

当表决决议提出后，需要在所有可编程交换机中选出一个领导者来协调进程，领导者确保只有一个进程提交异构设备的数据同步请求，并且，领导者与其他可编程交换机均作为接受者，负责为一个数据同步请求选择单个数据值，所有共识协议参与者也是学习者，一旦投票完成，达成共识的数据值将复制给所有学习者。

8.一种支持海量异构设备接入的网络孪生实现***，其特征在于，***包括：可编程交换机和边缘云；

利用可编程交换机和边缘云相结合的方式分布式实现宏网络孪生；基于宏网络孪生，利用可编程交换机硬件加速和定制化处理，并与边缘云协作，实现异构设备的接入认证；并且，当已接入的异构设备的位置由宏网络孪生中原可编程交换机的管辖范围移动至新的可编程交换机的管辖范围时，由所述新的可编程交换机与边缘云协作，实现异构设备的移动性管理以及信息一致性管理；

异构设备的接入认证的步骤包括：

步骤S11、可编程交换机中的通信助手模块接收前向接入设备转发的来自异构设备的接入请求；

步骤S12、可编程交换机中的通信助手模块检查自身维护的设备接入注册表是否存在异构设备的接入请求中对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S18；若不存在，则通过可编程交换机中的管理与控制模块向所在管辖域内的边缘云发送认证信息请求，并转入步骤S13；

步骤S13、边缘云收到自身管辖范围内的可编程交换机中管理与控制模块发送的认证信息请求，检查自身的本地接入设备信息表是否存在对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S17；若不存在，则向所在管辖域内的网络孪生注册信息管理中心发送认证信息请求，转入步骤S14；

步骤S14、管辖域网络孪生注册信息管理中心接收边缘云的认证信息请求，查询自身的访客网络孪生寄存器中是否存在对应的网络孪生的表项；若存在，则转入步骤S16；若不存在，则向对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心发送认证信息请求，转入步骤S15；

步骤S15、对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心接收到认证信息请求后，结合自身的原生网络孪生信息表对认证信息请求中对应的网络孪生进行认证鉴权，如果通过认证鉴权，则更新自身的原生网络孪生信息表，并将自身的原生网络孪生信息表包含的对应的网络孪生信息发送给管辖域网络孪生注册信息管理中心；

步骤S16、管辖域网络孪生注册信息管理中心将对应的网络孪生信息发送给相应的边缘云，并更新自身的访客网络孪生寄存器，以及通告对应网络孪生注册地的网络孪生注册信息管理中心；

步骤S17、边缘云将对应的网络孪生信息发送给相应可编程交换机中的管理与控制模块，并更新自身本地接入设备信息表，以及通告边缘云所在管辖域内的网络孪生注册信息管理中心；

步骤S18、可编程交换机中的管理与控制模块向边缘云通告异构设备于自身接入宏网络孪生，并将对应的网络孪生信息发送给通信助手模块，由通信助手模块更新自身维护的设备接入注册表。