使用优先级再生的时间敏感网络中的可变抢占的制作方法

1.本发明涉及时间敏感网络tsn领域，时间敏感网络tsn例如可以用作工业工厂中分布式控制系统dcs中的通信介质。


背景技术：

2.用于工业工厂的分布式控制系统dcs包括多个控制器、传感器和致动器。例如，传感器可以递送来自在工厂上执行的工业过程内的测量值。然后，控制器可以例如与致动器通信，致动器物理地作用于过程，目的是将测量值(诸如温度或压力)保持在期望的设定点值处。
3.dcs内的通信要求数据流的快速和可靠的递送。专用现场总线网络被设计为提供所需的低延时和可靠性，但它旨在利用标准化的高性能网络代替多个专有现场总线系统。为此目的，建立在传统以太网网络上的时间敏感网络tsn在本领域中是众所周知的。wo2020/136487a2公开了一种用于过程工厂的控制器，该控制器能够在网络中与tsn设备和非tsn设备的混合进行通信。
4.根据参与者的数目，整个tsn的配置可能非常复杂和耗时。


技术实现要素：

5.因此，本发明的一个目的是促进并允许tsn的配置的部分自动化。
6.该目的通过根据第一独立权利要求的用于操作tsn的方法以及通过根据第二独立权利要求的用于配置tsn的方法来实现。在相应的从属权利要求中详述了进一步的有利实施例。
7.本发明提供了一种用于操作时间敏感网络tsn的方法。该tsn至少包括第一高重要性段和第二低重要性段。术语“高重要性”和“低重要性”是相对于手头的具体应用的相对术语。在每一个应用中，将存在一些数据流，这些数据流的及时和可靠递送比其他数据流的递送更关键。例如，在工业过程中的某处捕获并且仅在控制室的某处显示的测量值在某种程度上仍然很重要(否则它不会首先被测量)。但是与更新作为闭合反馈回路的一部分的测量值相比，更新该测量值的时间要求较低。
8.段是独立的，因为一方面第一段内的流量和另一方面第二段内的流量通过tsn中的不同物理链路集传递。第一段和第二段通过边界网络元件连接。第一段被连接到边界网络元件的第一端口，第二段被连接到边界网络元件的第二端口。通过第三端口和更多端口，边界网络元件可以将第一段和第二段连接到外界，即tsn的另外段或因特网。
9.在第一端口和第二端口上接收的数据流具有被附加到它们的优先级标签。例如，这些优先级标签可以是时间感知流量整形tas优先级。根据tsn标准，存在八种不同的tas优先级。在该方法的过程中，边界网络元件将这些优先级标签重新映射到更新的优先级标签，使得最初在第一端口上接收的数据流与最初在第二端口上接收的任何数据流不具有相同的更新的优先级标签。
10.基于从更新的优先级标签到类的映射，边界网络元件将数据流拆分成“抢占”类和“可抢占”类。例如，如果存在从0到7的8个优先级水平，则优先级水平7到4可以被映射到“抢占”类，并且优先级水平3到0可以被映射到“可抢占”类。
11.边界网络元件将数据流转发到至少一个下一跳网络元件。至少在到下一跳网络元件的链路上拥塞的情况下，“抢占”数据流的转发优先于“可抢占”数据流的转发。即，“可抢占”数据流的帧可能必须在队列中等待被传送，直到属于“抢占”数据流的帧的传输完成。
12.第一网络段和第二网络段可以被独立管理。这意指第一网络段中的第一数据流可以被分配特定的优先级标签(例如，5)，并且第二网络段中的第二数据流可以被分配相同的优先级标签。在重新映射后，两个数据流将具有不同的更新的优先级标签。因此，在拆分为“抢占”类和“可抢占”类时，更新的优先级标签反映了第一数据流比第二数据流重要，因为它源自更重要的第一网络段。因此，第一数据流可以被映射到“抢占”类，并且第二数据流可以被映射到“可抢占”类，以便以牺牲第二数据流为代价，以更好的确定性递送第一数据流。
13.在最初在第一端口上接收的数据流与最初在第二端口上接收的任何数据流不具有相同的更新的优先级标签的条件上，重新映射和后续的拆分可以根据考虑到每个数据流相对于手头应用的重要性的任何适当规则集来进行。
14.在一个简单的示例中，来自第一高重要性段的所有数据流可以被分配将导致它们在拆分期间被映射到“抢占”类的更新的优先级标签，而来自第二低重要性段的所有数据流可以被分配将导致它们在拆分期间被映射到“可抢占”类的更新的优先级标签。
15.在另一个示例中，重新映射可以提高来自第一段的数据流的优先级标签，并且降低来自第二段的数据流的优先级标签。在拆分期间，具有高于预先确定阈值的优先级标签的所有数据流可以被映射到“抢占”类，而具有低于该阈值的优先级标签的数据流可以被映射到“可抢占”类。以该方式，数据流的原始优先级标签(该标签反映了它们在相应网络段内的相对优先级)，仍然对这些数据流将被映射到“抢占”还是将被映射到“可抢占”的最终决策有一定的影响。
16.因此，每个网络段内的优先级划分和边界网络元件上的处理可以协同工作，以改进通过tsn传送系统重要流量的确定性。但是，如果照原样采用现有的tsn并且仅边界网络元件上的处理被修改，也可以实现该确定性的改进。即，也可以通过仅在单个地方进行改变来改进确定性。仅在一个地方进行改变的一个优点是，在各个网络段内现有的、经过试验和测试的优先级和配置可以保持不变。在诸如化学或核过程的一些高风险应用中，任何配置改变都可能取决于事先的监管批准。对于只影响边界网络元件，并且因此使每个网络段内的通信保持原样的改变，获得这种批准要比对tsn的完全重新设计获得批准要容易得多。
17.在一个有利实施例中，下一跳网络元件可以恢复数据流的原始优先级标签。以该方式，重新映射的效果可以被限制于边界网络元件与下一跳网络元件之间的链路。例如，边界网络元件上的重新映射和拆分可以专门用于缓解边界网络元件与下一跳网络元件之间的链路上的拥塞，该链路是tsn内的瓶颈，但是一旦通过该瓶颈，就可以重新使用原始的优先级信息。例如，如果边界网络元件与下一跳网络元件之间的链路必须运载进出数个网络段的流量并且它具有比所述数个网络段的组合带宽小的带宽，则它可能变得易于成为瓶颈。
18.在另外的有利实施例中，数据流可以已经在第一段和第二段中的网络元件上被拆
分成“抢占”类和“可抢占”类。然后，这些网络元件可以将数据流转发到相应的下一跳网络元件，使得至少在到相应的下一跳网络元件的链路上拥塞的情况下，“抢占”数据流的转发优先于“可抢占”的数据流的转发。从优先级标签到类的映射在第一段与第二段之间不同。即，存在逐段抢占的配置。在该情况下，根据本方法的在边界网络元件上重新映射和拆分的组合，允许在从边界网络元件到外界的上行链路上使用tsn抢占机制，同时保留各个网络段中的现有抢占配置不变。但在各个网络段的配置与边界网络元件的配置之间也可以存在任何程度的协调和协作。
19.在一个示例中，在第一网络段和/或第二网络段内的优先级标签与类之间的映射、在边界网络元件上的优先级标签的重新映射、以及在边界网络元件上的从更新的优先级标签到类的映射可以被协调，使得在从边界网络元件转发时，在第一网络段和/或第二网络段内的“可抢占”类中的数据流都不在“抢占”类中。以该方式，避免了边界网络元件对数据流的特权处理“浪费”：由于在到达边界网络元件之前在其始发网络段中已在“可抢占”类中，该数据流已经被不确定性“污染”。该数据流的传输不再能够通过边界网络元件上的特权处理来实现高度确定性。
20.在另一个示例中，在第一网络段和/或第二网络段内的优先级标签与类之间的映射、在边界网络元件上的优先级标签的重新映射、以及在边界网络元件上的从更新的优先级标签到类的映射被协调，使得在第一网络段和/或第二网络段内以及在从边界网络元件转发时，至少一个系统重要数据流均在“抢占”类中。以该方式，该特定的系统重要数据流可以以高度确定性方式通过整个tsn传输。数据流在其始发网络段中的特权处理不会由于边界网络元件上的非确定性处理而被“浪费”。
21.如前所述，tsn可以被选择为包括分布式控制系统dcs的控制器、传感器和致动器，以作为参与者用于工业工厂。以该方式，tsn可以在不牺牲确定性的情况下代替先前的专有现场总线网络。
22.在dcs的上下文中，作为工业过程的闭合反馈回路的一部分的至少一个数据流可以被选择为系统重要数据流。这种数据流的传输是时间关键的，因为不适当的延迟可能会导致过程升级到无法控制。例如，如果容器中的压力的测量值在网络中延迟并且没有及时到达控制器以做出反应，或者如果来自控制器的打开泄压阀的命令在网络中丢失并且该阀未打开，则容器中的压力可能在很短的时间内超过容器的物理极限。
23.在另外的有利实施例中，在边界网络元件上分配用于接收的数据流的帧的排队的存储器，使得针对“可抢占”数据流的帧的队列能够比针对“抢占”数据流的帧的队列容纳更多的帧。边界网络通常将接收的数据流帧存储在队列中，并且按照“先进先出”(fifo)的原则转发它们。例如，每个可能的优先级标签可以有一个队列。如果存在拥塞并且一个“可抢占”数据流必须等待另一个“抢占”数据流，则针对该优先级标签的队列可以填满。一旦队列已满，则针对该队列的新到达帧可以被丢弃，或者这些新到达帧可以使队列前面的最旧帧被丢弃。队列越大，数据以该方式丢失的可能性就越小。如果利用其工作的队列空间的量有限，则将该队列空间集中在具有较高等待倾向的数据流上是有利的。相比之下，高优先级的“抢占”数据流不需要大队列，因为帧将不会在那里等待很长时间。此外，还可以使队列的大小取决于数据流的更新的优先级标签，更新的优先级标签是特定数据流的帧将必须等待被传送的概率的另外的指示符。
24.本发明还提供了一种用于配置时间敏感网络tsn的方法。该tsn包括通过链路互连的多个网络元件。网络元件被配置为将数据流转发到相应的下一跳网络元件。
25.方法开始于将tsn的至少一个段标识为易拥塞段，该至少一个段提供去往或来自tsn的至少第一另外段和第二另外段的连接性。特别地，如果该段中的可用带宽小于第一另外段和第二另外段的组合带宽，则两个另外段中的同时高活动性可以使易拥塞段过载。
26.接下来，将通过第一端口被连接到第一另外段、通过第二端口被连接到第二另外段以及通过第三端口被连接到易拥塞段的网络元件标识为边界网络元件。然后，该边界网络元件被配置为：
27.·
使用每个端口的tsn优先级再生，将被附加到在第一端口和第二端口上接收的数据流的优先级标签重新映射到更新的优先级标签，使得最初在第一端口上接收的数据流与最初在第二端口上接收的任何数据流不具有相同的更新的优先级标签；
28.·
基于从更新的优先级标签到类的映射，将数据流拆分为“抢占”类和“可抢占”类；以及
29.·
将在第一端口和第二端口上接收的数据流转发到第三端口，其中“抢占”数据流的转发优先于“可抢占”数据流的转发。
30.以该方式，如上所述，tsn网络得到了改进，因为在易拥塞段上来自更重要网络段的数据流可以优先于其他数据流，即使它们在相应的第一另外网络段和第二另外网络段的上下文中都被标记为“重要”。
31.可以以全自动方式执行配置。关于网络的几何结构的信息通常以电子形式可用，并且可以由机器解析。边界网络元件可以由软件进行配置。不需要对整个tsn进行手动工程，而已经进入各个另外网络段的任何工程都被保留。
32.在另外的有利实施例中，tsn的至少一个关键性能指示符被监控和/或模拟。然后，以改进关键性能指示符为目标，对优先级标签的重新映射和/或数据流到“抢占”类和“可抢占”类中的拆分进行优化。例如，可以设置重新映射和/或拆分的多个候选配置，并且针对每个这种候选配置，可以计算关键性能指示符。然后可以在边界网络元件上实现具有最佳关键性能指示符值的候选配置。
33.特别地，关键性能指示符可以包括以下中的一个或多个：
34.·
易拥塞网络段的数据吞吐量；
35.·
至少一个数据流的递送的延时；
36.·
至少一个数据流的帧丢失率；以及
37.·
至少一个数据流的递送的确定性的度量。
38.同样，可以以全自动方式执行对一个或多个关键性能指示符的优化。因此，根据当前tas特征将数据流的优先级细粒度分解为8个不同的优先级标签不再被绑定到对整个tsn进行更多手动配置的要求。不再需要在八个优先级与大量手动配置之间进行选择，或者只有两个抢占类和较少手动配置。
39.方法可以完全或部分地由计算机实现。因此，本发明还提供了具有机器可读指令的一种或多种计算机程序，该机器可读指令当在一个或多个计算机上执行时，使一个或多个计算机执行上述方法中的一种方法。特别地，虚拟化平台和一个或多个硬件控制器可以被视为计算机。
40.本发明还提供了具有一种或多种计算机程序的一种或多种非暂态存储介质和/或下载产品。下载产品是可以在在线商店中出售以通过下载立即实现的产品。本发明还提供了具有一种或多种计算机程序和/或具有一种或多种非暂态机器可读存储介质和/或下载产品的一个或多个计算机。
附图说明
41.在下文中，使用附图来说明本发明，但无意限制本发明的范围。
42.附图显示：
43.图1：用于操作tsn 1的方法100的示例性实施例；
44.图2：具有易拥塞段1c的示例性网络几何结构；
45.图3：用于配置tsn 1的方法200的示例性实施例。
具体实施方式
46.图1是用于操作tsn 1的方法100的实施例的示意流程图。如将在图2中更详细地示出的，tsn 1包括通过物理链路2a-2i互连的网络元件3a-3i、4。tsn 1包括具有网络元件3a-3b的第一高重要性段1a和具有网络元件3c-3e的第二低重要性段1b。
47.在步骤110中，在段1a和段1b中的网络元件3a-3e上，基于从优先级标签6a-6g到类7a、7b的映射(对每个段1a、1b分开配置该映射)，携带优先级标签6a-6g的数据流5a-5g被拆分为“抢占”类7a和“可抢占”类7b。
48.在步骤120中，数据流5a-5g被转发到相应的下一跳网络元件3a-3e、4，其中“抢占”类7a中的数据流5a-5g的转发优先于“可抢占”类7b中的数据流5a-5g的转发。
49.在步骤130中，边界网络元件4采用每个端口的tsn优先级再生，来将被附加到在第一端口4a和第二端口4b上接收的数据流5a-5g的优先级标签6a-6g重新映射到更新的优先级标签6a*-6g*。执行该重新映射，使得最初在第一端口4a上接收的数据流5a-5c与最初在第二端口4b上接收的任何数据流5d-5g不具有相同的更新的优先级标签6a*-6g*。
50.在步骤140中，在边界网络元件4上，关于转发到下一跳网络元件8，数据流5a-5g被拆分成“抢占”类7a和“可抢占”类7b。这种拆分是基于从更新的优先级标签6a*-6g*到在边界网络元件4上配置的类7a、7b的映射。
51.根据框141，在边界网络元件4上，可以为接收的数据流5a-5g的帧的排队分配存储器，使得针对“可抢占”数据流5a-5g的帧的队列能够比针对“抢占”数据流5a-5g的帧的队列容纳更多的帧。根据框141a，还可以使队列的大小取决于数据流5a-5g的更新的优先级标签6a*-6g*。
52.在步骤150中，将数据流5a-5g从边界网络元件4转发到至少一个下一跳网络元件8。至少在到下一跳网络元件8的链路2f上拥塞的情况下，“抢占”类7a中的数据流5a-5g的转发优先于“可抢占”类7b中的数据流5a-5g的转发。
53.在步骤160中，下一跳网络元件8可以可选地恢复原始优先级标签6a-6g。
54.图2示出了tsn 1的示例性网络几何结构。tsn 1包括通过物理链路2a-2i互连的网络元件3a-3i、4。具有链路2a和2b的网络元件3a和3b形成第一高重要性段1a。具有链路2c、2d和2e的网络元件3c、3d和3e形成第二低重要性段1b。第一段1a产生具有优先级标签6a-6c
的数据流5a-5c。第二段1b产生具有优先级标签6d-6g的数据流5d-5g。
55.段1a和段1b两者都被连接到边界网络元件4。第一段1a被连接到网络元件4的第一端口4a，并且第二段1b被连接到网络元件4的第二端口4b。边界网络元件4将优先级标签6a-6g重新映射到更新的优先级标签6a*-6g*，并且将所有数据流5a-5g转发到边界网络元件4经由第三端口4c被连接到的下一跳网络元件3g、8。由于所有数据流5a-5g必须跨边界网络元件4与下一跳网络元件8之间的单个物理链路2f行进，因此包括边界网络元件4、下一跳网络元件8和物理链路2f的段1c是易拥塞段。
56.当下一跳网络元件3g、8将数据流进一步转发到其他网络元件3f和3i时，它经由多个链路2g、2i这样做，因此这些链路2g、2i中的一个链路的拥塞倾向较小。
57.图3是用于配置tsn1(例如图2中所示的tsn1)的方法200的示意流程图。
58.在步骤210中，标识tsn1的至少一个段1c，该段1c提供去往或来自tsn1的至少第一另外段1a和第二另外段1b的连接性。即，第一另外段1a、第二另外段1b以及段1a和段1b两者都需要的段1c的星座被标识。如前所述，段1c是易拥塞段，因为同时进出段1a和段1b两者的高流量可能使它超载。
59.在步骤220中，网络元件4被标识为边界网络元件4，该网络元件4通过第一端口4a被连接到第一另外段1a、通过第二端口4b被连接到第二另外段1b并且通过第三端口4c被连接到易拥塞段1c。
60.在步骤230中，边界网络元件4被配置为：
61.·
使用每个端口的tsn优先级再生，将被附加到在第一端口4a和第二端口4b上接收的数据流5a-5g的优先级标签6a-6g重新映射到更新的优先级标签6a*-6g*，使得最初在第一端口4a上接收的数据流5a-5g与最初在第二端口4b上接收的任何数据流5a-5g不具有相同的更新的优先级标签6a*-6g*；
62.·
基于从更新的优先级标签6a*-6g*到类7a、7b的映射，将数据流5a-5g拆分为“抢占”类7a和“可抢占”类7b；以及
63.·
将在第一端口4a和第二端口4b上接收的数据流转发到第三端口4c。“抢占”类7a中的数据流5a-5g的转发优先于“可抢占”类7b中的数据流5a-5g的转发。
64.在步骤240中，监控和/或模拟tsn1的至少一个关键性能指示符1*。
65.在步骤250中，以改进关键性能指示符1*为目标，对优先级标签6a-6g的重新映射，和/或数据流5a-5g到“抢占”类7a和“可抢占”类7b的拆分进行优化。
66.附图标记列表
67.1时间敏感网络tsn
68.1atsn1的第一高重要性段
69.1btsn1的第二低重要性段
70.1ctsn1的易拥塞段
71.1*tsn1的关键性能指示符
72.2a-2itsn1的物理链路
73.3a-3itsn1中的网络元件
74.4tsn1中的边界网络元件
75.4a-4c边界网络元件4的端口
76.5a-5g数据流
77.6a-6g数据流5a-5g的优先级标签
78.6a*-6g*由边界网络元件4产生的更新的优先级标签
79.7a数据流5a-5g的“抢占”类
80.7b数据流5a-5g的“可抢占”类
81.8下一跳网络元件
82.100操作tsn1的方法
83.110将数据流5a-5g拆分成段1a、1b中的类7a、7b
84.120在段1a、1b内转发数据流5a-5g
85.130在边界网络元件4上重新映射优先级标签6a-6g
86.140基于新标签6a*-6g*将数据流5a-5g拆分成类7a、7a
87.141基于类7a、7b，分配队列存储器
88.141a基于新标签6a*-6g*，分配队列存储器
89.150将数据流5a-5g转发到下一跳网络元件8
90.160恢复原始优先级标签6a-6g
91.200配置tsn1的方法
92.210标识服务于段1a、1b的易拥塞段1c
93.220标识边界网络元件4
94.230配置边界网络元件4
95.240监控和/或模拟关键性能指示符1*
96.250以改进关键性能指示符1*为目标进行优化