一种用于时间敏感网络的半实体仿真系统及仿真方法与流程

1.本发明涉及一种用于时间敏感网络的半实物仿真系统实现方法，属于半实物仿真技术领域。


背景技术：

[0002] 目前市场上，支持时间敏感网络tsn协议的商用tsn交换机，技术还不成熟，还处于开发验证阶段，同时各个厂家tsn交换机互通互联还比较困难。另一方面，支持tsn的终端设备还没有完全推出市场，目前构建tsn网络的商业生态还不成熟，而且没有统一的tsn端设备开发标准。以车载领域为例，常用的车载传感器设备，如：摄像头、激光雷达、毫米波雷达等设备还只能支持传统的以太网协议发送数据，无法发送vlan tag标签数据和基于ieee802.1as时钟同步功能，因此，目前市场上还没支持tsn网络的传感器设备。但目前tsn的学术研究进行的越来越广泛，更多还集中于算法模拟，与实物仿真应用还有一段距离，因此，迫切需要开发一套具有tsn功能的半实物网络仿真系统。
[0003]
公开号为cn105681101a的名称为：一种数据包处理方法的专利一文，只实现了数据包的半实体转发方式，但没有支持tsn数据流转发功能，更没有考虑流量调度和仿真评估性能等特性。


技术实现要素：

[0004]
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于时间敏感网络的半实体仿真系统实现方法，该方法把数据采集设备与仿真设备、终端显示设备互联互通，以此构建一个半实体网络实验验证系统。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供技术方案包括以下内容：一种用于时间敏感网络的半实体仿真方法，所述方法包括：数据采集设备采集原始数据，发送给转换设备，所述转换设备上设有tap单元，所述tap单元给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流；所述转换设备通过虚拟网桥将所述添加vlan标签的数据流发送给仿真设备；所述仿真设备根据所述vlan标签信息模拟得到所述数据流的转发特征，并将所述数据流的转发特征发送至pc终端对其进行显示；或者，所述转换设备通过虚拟网桥将数据流发送给实体设备，通过所述实体设备将数据流pc终端对其进行显示。
[0006]
进一步的，所述仿真设备根据所述vlan标签信息模拟得到所述数据流的转发特征的具体过程如下：所述仿真设备解析所述vlan标签，判断当前数据流的优先级，将所述数据流分配到对应的队列中；然后根据所述数据流的发送周期计算出门控列表，根据门控表设置门控操作；所述仿真设备模拟得到所述数据流的转发特征，以此评估当前门控设置的合理
性。
[0007]
进一步的，所述转发特征包含当前数据流的时延、抖动和丢包率。
[0008]
更进一步的，所述原始数据为图像数据、距离数据或者雷达数据。
[0009]
进一步的，所述转换设备通过虚拟网桥将所述添加vlan标签的数据流发送给仿真设备的具体过程如下：所述转换设备包含第一输入端和第一输出端，在所述第一输入端网卡上添加第一tap单元，在所述第一输出端网卡上添加第一tap单元；所述仿真设备包含第二输入端和第二输出端，在所述第二输入端网卡上添加第二tap单元，在所述第二输出端网卡上添加第二tap单元；在转换设备与仿真设备之间通过tap单元构建虚拟网桥；所述转换设备通过虚拟网桥将添加vlan标签的数据流发送给仿真设备。
[0010]
进一步的，所述第一tap单元给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流的具体过程如下：所述第一tap单元对原始数据包的vlan标签进行管理，对原始数据包头字段增加或者删除vlan标签信息。
[0011]
作为本技术的一种优选实施方案，所述转换设备识别所述数据流是否为st流，如果是st流，则将该数据流设置为最高优先级。
[0012]
进一步的，所述vlan标签包括tpid、tci两个字段，tpid字段为协议标识符，tci字段为控制信息。
[0013]
一种用于时间敏感网络的半实体仿真系统，所述系统包括：数据采集设备，所述数据采集设备采集原始数据，发送给转换设备；所述转换设备上设有tap单元，所述tap单元用于给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流；所述系统还包含仿真设备，所述仿真设备通过虚拟网桥接收所述添加vlan标签的数据流；所述仿真设备用于根据所述vlan标签信息模拟得到所述数据流的转发特征，并将所述数据流的转发特征发送至pc终端对其进行显示；或者，所述系统还包含实体设备，所述实体设备通过虚拟网桥接收添加vlan标签的数据流，通过所述实体设备将数据流pc终端对其进行显示。
[0014]
进一步的，所述转换设备包含第一输入端和第一输出端，在所述第一输入端网卡上添加第一tap单元，在所述第一输出端网卡上添加第一tap单元；所述仿真设备包含第二输入端和第二输出端，在所述第二输入端网卡上添加第二tap单元，在所述第二输出端网卡上添加第二tap单元；在转换设备与仿真设备之间通过tap单元构建虚拟网桥；所述转换设备通过虚拟网桥将添加vlan标签的数据流发送给仿真设备。
[0015]
进一步的，所述仿真设备解析所述vlan标签，判断当前数据流的优先级，将所述数据流分配到对应的队列中；然后根据所述数据流的发送周期计算出门控列表，根据门控表设置门控操作；所述仿真设备模拟得到所述数据流的转发特征，以此评估当前门控设置的合理性。
[0016]
进一步的，所述仿真设备为tsn仿真交换机，所述实体设备为tsn实体交换机。
[0017]
作为本技术的一种优选实施方案，所述转换设备识别所述数据流是否为st流，如果是st流，则将该数据流设置为最高优先级。
[0018]
进一步的，所述vlan标签包括tpid、tci两个字段，tpid字段为协议标识符，tci字段为控制信息。
[0019]
有益效果相比于现有技术，本发明的有益效果为：（1）本发明中的仿真系统实现了物理设备与仿真模拟系统的实时融合，相比基于伪随机数的纯模拟仿真，通过仿真真实传感器端设备发送的原始数据包，更加贴近真实应用场景，对于评估端设备在时间敏感网络系统中应用提供了决策依据。同时，转换端设备基于通用的工控机硬件和ubuntu rt实时开源操作系统开发实现，应用开发成本低廉，且具有丰富的应用生态。
[0020]
（2）相比其他半实仿真系统，本发明解决了时间敏感网络技术在半实体仿真中的应用，通过构建tsn转换端设备，可实现普通以太网发送端设备与tsn网络融合。这种基于半实体的混合仿真方式，相比于纯物理设备开发，大大缩短了tsn系统搭建成本和周期，具有很强的实用性。
[0021]
（3）相比其他半实体仿真系统，本发明优化了仿真系统与外部系统时钟校时，确保仿真时间与外部系统时间保持一致。
[0022]
（4） 本发明的半实体仿真系统，实现方式较为灵活。
附图说明
[0023]
图1为本发明所述的半实体仿真系统整体架构示意图；图2为本发明所述的半实物仿真系统实现方法流程示意图；图3为本发明所述基于tsn的半实体仿真系统应用示例1示意图；图4为本发明所述基于tsn的半实体仿真系统应用示例2示意图。
具体实施方式
[0024]
实施例1：本实施例为一种用于时间敏感网络的半实体仿真方法，本方法能够实现tsn流端设备与仿真设备互联，所述方法包括：数据采集设备采集原始数据，发送给转换设备，所述转换设备上设有tap单元，所述tap单元给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流；所述转换设备通过虚拟网桥将所述添加vlan标签的数据流发送给仿真设备；所述转换设备包含第一输入端和第一输出端，在所述第一输入端网卡上添加第一tap单元，在所述第一输出端网卡上添加第一tap单元；所述仿真设备包含第二输入端和第二输出端，在所述第二输入端网卡上添加第二tap单元，在所述第二输出端网卡上添加第二tap单元；在转换设备与仿真设备之间通过tap单元构建虚拟网桥；所述转换设备通过虚拟网桥将添加vlan标签的数据流发送给仿真设备。
[0025]
所述仿真设备根据所述vlan标签信息模拟得到所述数据流的转发特征，所述仿真设备解析所述vlan标签，判断当前数据流的优先级，将所述数据流分配到对应的队列中；然后根据所述数据流的发送周期计算出门控列表，根据门控表设置门控操作；本实施例中，所述转发特征包含当前数据流的时延和抖动。
[0026]
所述仿真设备模拟得到所述数据流的转发特征，以此评估当前门控设置的合理性。
[0027]
最后，将所述数据流的转发特征发送至pc终端对其进行显示。
[0028]
进一步的，所述第一tap单元给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流的具体过程如下：所述第一tap单元对原始数据包的vlan标签进行管理，对原始数据包头字段增加或者删除vlan标签信息；所述vlan标签包括tpid、tci两个字段，tpid字段为协议标识符，tci字段为控制信息。
[0029]
作为本技术的一种优选实施方案，所述转换设备识别所述数据流是否为st流，如果是st流，则将该数据流设置为最高优先级。
[0030]
本发明主要是利用基于x86架构的传统工控机，构建一套通用的时间敏感网络tsn半实体仿真系统, 以实现把传感器发送的普通以太网原始数据包转换为具有tsn特性的时间敏感流，并能实时对接omnet++模拟仿真系统，构建一套完整的半实体仿真系统。该系统可以仿真并分析数据包在交换机中的转发处理时延和抖动等特性，既可以验证tsn调度算法的可靠性，也可以检测传感器端设备在tsn网络中的应用特性。
[0031]
实施例2一种用于时间敏感网络的半实体仿真系统，所述系统包括：数据采集设备，所述数据采集设备采集原始数据，发送给转换设备；所述转换设备上设有tap单元，所述tap单元用于给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流；所述系统还包含仿真设备，所述仿真设备通过虚拟网桥接收所述添加vlan标签的数据流；所述仿真设备用于根据所述vlan标签信息模拟得到所述数据流的转发特征，并将所述数据流的转发特征发送至pc终端对其进行显示。
[0032]
进一步的，所述转换设备包含第一输入端和第一输出端，在所述第一输入端网卡上添加第一tap单元，在所述第一输出端网卡上添加第一tap单元；所述仿真设备包含第二输入端和第二输出端，在所述第二输入端网卡上添加第二tap单元，在所述第二输出端网卡上添加第二tap单元；在转换设备与仿真设备之间通过tap单元构建虚拟网桥；所述转换设备通过虚拟网桥将添加vlan标签的数据流发送给仿真设备。
[0033]
进一步的，所述仿真设备解析所述vlan标签，判断当前数据流的优先级，将所述数据流分配到对应的队列中；然后根据所述数据流的发送周期计算出门控列表，根据门控表设置门控操作；所述仿真设备模拟得到所述数据流的转发特征，以此评估当前门控设置的合理性。
[0034]
进一步的，所述仿真设备为tsn仿真交换机，所述实体设备为tsn实体交换机。
[0035]
作为本技术的一种优选实施方案，所述转换设备识别所述数据流是否为st流，如果是st流，则将该数据流设置为最高优先级。
[0036]
进一步的，所述vlan标签包括tpid、tci两个字段，tpid字段为协议标识符，tci字段为控制信息。
[0037]
请参阅附图3，下面结合图3对本技术提供的第一种半实物仿真系统实现方式进行介绍，该方法在ubuntu rt实时操作系统上，基于omnet++网络仿真系统实现，包括如下步骤：s1：工控机a作为tsn数据流转换设备，端口1对接激光雷达或者摄像头等车载传感器设备，端口2作为输出端口对接仿真交换机；s2：工控机a设置ubuntu rt实时操作系统，并修改操作系统内核，如：内核缓存和队列长度等参数，以提高数据包转发吞吐量，并降低转发时延；s3：工控机a输入和输出物理网卡端口分别添加对应的虚拟网桥和tap单元；s4：激光雷达连接到工控机a的输入端口，工控机a的应用程序通过输入端口对应的tap单元接口获取激光雷达原始数据，根据业务当前激光雷达为st流，并解析数据包头字段，如果不带vlan tag字段，则把当前的原始数据包打vlan tag标签，并经过输出端口转发；如果已经带vlan tag字段，则直接转发到输出端口。工控机a把带vlan tag字段最终转发到工控机b。
[0038]
s5：工控机b为仿真设备设置ubuntu rt实时操作系统和omnet++仿真环境，实时接收工控机a发来的数据，并启动仿真程序模拟仿真tsn交换机数据包转发处理流程。本实施例重点介绍ieee802.1qbv协议的仿真实现。工控机b启动仿真程序并实时接收控机a发出的数据包，然后根据数据包的vlan标签信息判断当前流的优先级，根据不同的优先级分配到不同的队列中。当前激光雷达发出的st关键流，仿真程序根据激光雷达数据包发送周期，基于smt（可满足性模理论）算法计算并输出门控列表，根据门控表设置门控操作，优先保证st关键流发送时间，以确保在突发背景流干扰的情况下，st关键流的时延和抖动能控制在一定的范围内。
[0039]
s6：仿真程序实时记录并分析激光雷达在仿真交换机内处理的时延和抖动，以此评估当前门控设置的合理性。
[0040]
s7：工控机b，可以实时转发的信息通过输出端口发送到pc终端显示。
[0041]
基于上述一种用于时间敏感网络的半实体仿真系统及方法，可把通用的终端以太网设备，如：摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等设备所发送的标准以太网数据流转换成tsn数据流，并转发到仿真系统；仿真系统接收真实的端设备数据根据仿真协议进行仿真。
[0042]
本发明可以实现流量调度仿真，并能评估流量特性包括：抖动、时延和丢包率等，更具有很强的实用性。该仿真系统既可以针对实物终端构建仿真tsn交换机，用来验证tsn仿真协议性能；也可以作为虚拟tsn网卡与端设备互联构建tsn流转换端设备，用来进行tsn物理原型机的测试。
[0043]
其基本原理，通过linux内核的tap虚拟机接口和虚拟网桥技术，实现仿真系统与实体物理系统的交互，并基于omnet++开源平台完善了tap接口功能和同步功能。
[0044]
实施例3
本实施例为一种用于时间敏感网络的半实体仿真方法的第二种实现方式，通过该方法能够实现转换端设备与实体tsn交换机异构设备互联，所述方法包括：数据采集设备采集原始数据，发送给转换设备，所述转换设备上设有tap单元，所述tap单元给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流；所述转换设备通过虚拟网桥将数据流发送给实体设备，通过所述实体设备将数据流pc终端对其进行显示。所述转换设备通过虚拟网桥将所述添加vlan标签的数据流发送给仿真设备的具体过程如下：所述转换设备包含第一输入端和第一输出端，在所述第一输入端网卡上添加第一tap单元，在所述第一输出端网卡上添加第一tap单元；所述实体设备包含第二输入端和第二输出端，在第二输入端网卡上添加第二tap单元，在第二输出端网卡上添加第二tap单元；在转换设备与实体设备之间通过tap单元构建虚拟网桥；所述转换设备通过虚拟网桥将添加vlan标签的数据流发送给实体设备。
[0045]
所述第一tap单元给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流的具体过程如下：所述第一tap单元对原始数据包的vlan标签进行管理，对原始数据包头字段增加或者删除vlan标签信息。
[0046]
作为本技术的一种优选实施方案，所述转换设备识别所述数据流是否为st流，如果是st流，则将该数据流设置为最高优先级。
[0047]
实施例4为了实现上述仿真方法，本实施例为一种用于时间敏感网络的半实体仿真系统，所述系统包括：数据采集设备，所述数据采集设备采集原始数据，发送给转换设备；所述转换设备上设有tap单元，所述tap单元用于给所述原始数据添加vlan标签，得到添加vlan标签的数据流；所述系统还包含实体设备，所述实体设备通过虚拟网桥接收添加vlan标签的数据流，通过所述实体设备将数据流pc终端对其进行显示。
[0048]
进一步的，所述转换设备包含第一输入端和第一输出端，在所述第一输入端网卡上添加第一tap单元，在所述第一输出端网卡上添加第一tap单元；所述实体设备包含第二输入端和第二输出端，在所述第二输入端网卡上添加第二tap单元，在所述第二输出端网卡上添加第二tap单元；在转换设备与实体设备之间通过tap单元构建虚拟网桥；所述转换设备通过虚拟网桥将添加vlan标签的数据流发送给实体设备。
[0049]
所述实体设备为tsn实体交换机。
[0050]
作为本技术的一种优选实施方案，所述转换设备识别所述数据流是否为st流，如果是st流，则将该数据流设置为最高优先级。
[0051]
所述vlan标签包括tpid、tci两个字段，tpid字段为协议标识符，tci字段为控制信息。
[0052]
本实施例中的vlan标签包括tpid、tci两个字段，tpid字段为协议标识符，tci字段为控制信息。
[0053]
本发明基于x86架构的传统工控机，构建一套通用的时间敏感网络tsn半实体仿真系统, 以实现把传感器发送的普通以太网原始数据包转换为具有tsn特性的时间敏感流，并对接实体tsn交换机设备，实现异构设备的组网互联。
[0054]
请参阅附图4，为本发明实施例公开的一种半实体异构设备仿真系统实现方法流程示意图，通过激光雷达传感器/摄像头传感器、流转换工控机、tsn实体交换机，以及pc显示器端设备，组建一个时间敏感网络实验验证平台，包括如下步骤：s1：工控机a作为tsn数据流转换设备，端口1对接激光雷达或者摄像头等车载传感器设备，端口2作为输出端口对接tsn实体交换机。
[0055]
s2：工控机a设置ubuntu rt实时操作系统，并修改操作系统内核，如：内核缓存和队列长度等参数，以提高数据包转发吞吐量，并降低转发时延。
[0056]
s3：工控机a输入端物理网卡，添加对应的tap单元（虚拟网卡），输出端网卡添加对应的tap单元(虚拟网卡)，两个虚拟网卡之间添加对应的虚拟网桥。
[0057]
s4：激光雷达连接到工控机a的输入端口，工控机a的应用程序通过输入端口对应的tap单元接口获取激光雷达原始数据，并解析数据包头字段，如果不带vlan tag字段，则把当前的原始数据包打vlan tag标签，并经过输出端口转发；如果已经带vlan tag字段，则直接转发到输出端口。工控机a把带vlan tag字段信息，最终转发到tsn实体交换机。
[0058]
s5：根据传感器设备数据包帧大小、周期等参数，计算tsn交换机门控列表，并把激光雷达传感器设备发送的数据流，设置为st流，表示该设备数据流为最高优先级，最终把上述配置信息下发到tsn交换机。
[0059]
s6：tsn交换机把去掉vlan tag字段的原始数据包，通过输出端口实时转发的到pc终端显示。
[0060]
本实施例提供的系统，可采集的原始数据为图像数据、距离数据或者雷达数据，本实施例提供的方法能够实现工业设备，所使用的传感器设备包括，但不限于以下设备，包括：激光雷达、高清摄像头、环视摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等物理设备与仿真设备、终端显示设备互联互通，以此构建一个半实体网络实验验证系统。
[0061]
本实施例关键点在于，可以把真实的常用端设备所发送的普通以太网数据流转化为tsn数据流，并与真实的tsn交换机对接，以此构建一个tsn网络实验平台。
[0062]
发明的半实体仿真系统，实现方式较为灵活。可包含但不仅仅限于以下几种互联方式：真实网络中的模拟节点、真实网络中的模拟子网、模拟网络中的真实节点、真实网络节点中的模拟协议、实际应用在模拟网络节点中。
[0063]
在实际应用中，可以把真实的端设备与仿真tsn交换机对接组网，也可以把模拟端设备与真实的tsn交换机对接组网，实现了仿真系统与硬件设备之间数据通信。
[0064]
其基本原理，通过linux内核的tap虚拟机接口和虚拟网桥技术，实现仿真系统与实体物理系统的交互，并基于omnet++开源平台完善了tap接口功能和同步功能。
[0065]
综上所述，通过给仿真交换机打背景流，使得激光雷达数据流阻塞，pc显示激光雷达背景流阻塞卡顿现象，无法看清点云图像；通过启动门控操作，确保激光雷达数据流优先经过，保证了关键数据流qos服务质量。