一种工业无线网络融合时间敏感网络的统一配置方法

本发明属于网络配置管理领域，涉及一种工业无线网络融合时间敏感网络的统一配置方法。

背景技术：

1、在智能工厂中，由于工业现场中传感器、智能设备类型复杂，往往同时存在多种工业无线网络，工业无线网络作为广泛应用的通信技术，通过无线形式将设备连接起来，为工业现场级业务提供低成本、高可靠性的通信系统。随着工业规模的发展，众多现场生产业务对工业物联网灵活、便捷接入及确定性低时延网络承载需求愈发迫切。针对确定性低时延网络承载需求，时间敏感网络(time-sensitive network,tsn)作为工业领域中工业网络的演进方向，能满足工业网络低时延、低抖动、高可靠的业务数据传输需求，能够提供确定性的以太网功能，并能够完全兼容现有的以太网体系，实现异构网络之间实时数据的交换。工业无线网络与tsn相互融合，互联互通，即可满足工厂设备的通信需求，又能满足工业控制对可靠性的严格要求。当前国内外关于有线和无线融合组网的基础架构以及调度机制已开展了一定研究，但是由于异构网络之间协议存在差异性、网络配置模式各有不同，如何实现工业无线网络融合tsn组成的异构网络统一配置的相关方法，还需要进一步研究。

2、在异构工业无线网络配置方面，目前一般的方法基于软件定义的异构无线网络设计架构(见文献：倪光华，王光辉，张春晖.一种基于软件定义的异构无线网络设计架构[j].无线电通信技术，2020，46(3):300－303)，对于异构无线网络配置方法差异，此文采用集中调度的方式统一调配系统中时隙、频率等传输资源，通过流表报文下发的机制，对设备管理控制，并对动态组网架构中功能、管理流程进行了研究。然而并未考虑如何消除传输平面中异构无线网络设备配置差异，并且大多数无线网络设备也难以支持基于流表报文的配置方式，因此对于实际应用中，难以进行异构工业无线网络集中配置。吴晓东等人结合wsn特点和sdn思想设计了sd-wsn网络架构(见文献：吴晓东,王海涛.基于sdn的新型无线传感网体系架构探究[j].数据通信,2021(01):1-4.)，通过自定义的网络控制器来灵活控制和管理传感节点的组网，并采用下发流表的形式实现管理和配置。opc ua可以为智能生产线设备建立统一的信息模型(见文献：a.chai,y.ma,z.yin and m.li,"real-time communicationmodel based on opc ua wireless network for intelligent production line,"inieee access,vol.9,pp.102312-102326,2021,doi:10.1109/access.2021.3097399.)，提高异构无线网络的连通性，能够为智能生产线设备之间通信数据交换提供标准，然而并没有涉及到对于利用opc ua，实现无线网络配置方法的研究。

3、在工业无线网络融合时间敏感网络统一配置方面，等人提出使用tssdn作为tsn和sdn的统一控制平面(见文献：m,ohms j,kumar m,et al.time-sensitivesoftware-defined networking:a unified control-plane for tsn and sdn[c]//mobile communication-technologies and applications；24.itg-symposium.vde,2019:1-6.)，对tsn网络与其他网络统一控制平面的概念进行了研究，然而对于异构网络信息交互、管理机制还缺乏研究。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业无线网络融合时间敏感网络的统一配置方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种工业无线网络融合时间敏感网络的统一配置方法，该方法包括以下步骤：

4、s1：建立用户面app获取业务流量信息和网络拓扑结构；

5、s2：用户面app通过北向接口将业务流量信息传递到控制面，并通过北向接口能够获取数据面网络状态；

6、s3：统一配置系统对业务流量信息和网络拓扑结构建模，调度计算模块解析业务流量信息模型，进行调度计算，并得到调度计算结果；

7、s4：设计工业无线网络和tsn网络的网络设备配置方法，实现对异构网络中网络设备进行配置；

8、s5：设计基于xml格式的异构网络配置信息；

9、s6：统一配置系统下发配置信息，异构网络中网络设备及现场设备配置。

10、可选的，所述s1具体为：用户面app交互界面通过用户手动输入或者用户配置协议获取业务流量信息和异构网络拓扑结构；其中业务流量信息包括网络协议标识、业务流量帧长、业务流量周期、抖动约束和延迟约束信息；用户面app并且能够建立异构网络拓扑结构，作为调度计算的输入条件信息，进行调度计算。

11、可选的，所述s2具体为：用户面app通过北向接口与控制面中的工业软件定义控制器建立连接，能够对异构网络进行编程、部署和配置；北向接口满足业务流量需求传递的功能，获取数据面中网络状态信息的功能；

12、设计统一配置北向接口满足以下需求：

13、(1)实现外部软件系统集成；

14、(2)具备调度算法选择接口、调度算法计算接口、配置信息查询接口、调度计算结果上传接口、网络拓扑查询接口、业务流量变化通知接口、网络拓扑变化通知接口；

15、api地址前缀设计为：http://localhost:8088，根据功能需求，统一配置系统北向接口设计为：

16、调度算法选择接口的资源标识为/ucs/selectalgo，请求方法为post，交互格式为json；

17、调度算法计算接口的资源标识为/ucs/startalgo，请求方法为get，交互格式为json；

18、配置信息查询接口的资源标识为/ucs/queconinfo，请求方法为post，交互格式为json；

19、调度计算结果上传接口的资源标识为/ucs/postconinfo，请求方法为post，交互格式为json；

20、网络拓扑查询接口的资源标识为/ucs/quetopo，请求方法为get，交互格式为json；

21、业务流量变化通知接口的资源标识为/ucs/streamchange，请求方法为post，交互格式为json；

22、拓扑变化通知接口的资源标识为/ucs/topochange，请求方法为post，交互格式为json。

23、可选的，所述s3具体为：

24、(1)业务流量信息建模

25、统一配置系统利用json格式对业务流量信息构建业务流量信息模型；统一配置系统将业务流量信息中的网络协议标识、业务流量帧长、业务流量周期、抖动和延迟约束信息对业务流量信息模型进行数据封装，数据封装之后的业务流量信息模型能够有效提升统一配置系统的语义互操作能力；

26、通过分析tsn和工业无线网络中业务流量信息，进行业务流量信息建模；定义网络协议标识、帧长、周期、最大抖动和延迟流量信息为“key”，对网络协议标识、帧长、周期、最大抖动和延迟的属性值“value”进行赋值；其中，时间敏感网络标准中按照业务流量类型和需求划分了八个优先级，即tsn侧流量优先级取值为0～7；工业无线网络侧业务流量根据相关标准定义，分为多个优先级，还包括超帧长度、协议标识流量信息；

27、(2)网络拓扑结构建模

28、将网络拓扑结构通过网络有向图g＝(,e)进行处理，并通过json格式对网络拓扑结构中连接关系进行保存；其中网络拓扑中每台设备均具有独立的ip地址，设备之间通过设备ip进行区分，通过获取设备之间的连接情况，建立json拓扑模型；其中对于json拓扑模型中的符号说明为：

29、viewdevlinklist的参数类型为string，表示主键id；

30、sourcedevip的参数类型为string，表示源设备ip；

31、targetdevip的参数类型为string，表示目标设备ip；

32、soudevport的参数类型为integer，表示源设备端口；

33、tardevport的参数类型为integer，表示目标设备端口；

34、soudevportenable的参数类型为string，表示源设备端口使能状态；

35、tardevportenable的参数类型为string，表示目标设备端口使能状态；

36、解析网络设备中拓扑连接关系，得到设备之间的连接关系，构建输入网络有向图g＝(,e)，其中v是节点集合，e是边集合，得到网络中发送端到接收端的传输路径。

37、可选的，所述s4具体为：

38、在统一配置系统与工业无线网络中建立opc ua客户端/服务器，对配置信息通过opc ua进行信息建模，并进行数据传输，实现配置系统和设备的信息交互；在统一配置系统和工业无线网关设备分别建立opc ua客户端和opc ua服务器，opc ua服务器以服务的形式为opc ua客户端提供访问接口，利用udp协议建立连接，进行信息交互；opc ua服务器部署完成之后，opc ua客户端通过opc ua协议与opc ua服务器进行信息交换，将统一配置系统中的无线网络配置信息发送至工业无线网关设备；

39、对于tsn网络配置，根据ieee 802.1qcc标准规定，采用netconf网络管理协议来对tsn网络设备进行配置管理，通过yang(yet another next generation)模型进行数据建模；在统一配置系统与tsn中建立netconf连接，netconf客户端与服务器之间通过ssh协议建立netconf连接，ssh能够传输xml配置信息，统一配置系统将xml配置信息发送到tsn网络设备，netconf服务器校验并解析xml配置信息，完成相应的操作，完成tsn网络设备配置，并返回状态消息到netconf客户端。

40、可选的，所述s5具体为：

41、(1)工业无线网络配置信息

42、网关设备信息模型建立完成后，使用xml对信息模型进行描述，通过xml文件得到网关设备的基本信息，定义出opc ua中各种属性的信息及引用和继承关系；信息模型具备在不同系统之间进行传输、读取和写入的功能，通过访问opc ua服务器对外暴露的信息接口，实现配置信息的下发；

43、(2)tsn配置信息

44、使用yang模型对tsn网络设备的配置模型进行建模，建立网络设备配置模型，统一配置系统将调度计算结果填充到yang模型中，并通过xml语言对调度计算结果进行存储和传输。

45、可选的，所述s6具体为：

46、(1)工业无线网络设备及现场设备配置

47、工业无线网络中，包括工业无线网关设备、工业无线路由设备、现场无线节点三种设备，对三种设备进行功能配置，满足业务流量传输需求；

48、其中工业无线网关设备作为网络设备，统一配置系统通过opc ua传输机制，与工业无线网关设备建立连接，将工业无线网络配置信息发送到工业无线网关设备；工业无线网关设备再获取到配置信息后，生成路由表、超帧表和链路表，对网络中的工业无线路由设备发送配置信息帧，工业无线路由设备发送信标帧，发送超帧配置信息至现场无线节点，现场无线节点根据配置信息完成超帧配置任务；

49、(2)时间敏感网络设备及现场设备配置

50、时间敏感网络设备包括支持时间敏感网络技术标准的交换机，对交换机进行门控列表配置、端口使能状态功能进行配置，将xml配置信息下发到交换机中，交换机中部署的netconf服务端进行校验解析，根据解析得到的配置结果进行功能配置；tsn网络中的网络设备将现场设备配置信息转发到tsn现场设备，tsn现场设备对配置信息进行校验，如果是本设备的配置信息即进行解析，并进行对应的配置操作；如果不是本设备的配置信息，则丢弃而不作处理。

51、本发明的有益效果在于：

52、(1)针对工业无线网络组成的异构网络配置，这些方法采用软件定义的异构无线网络架构，通过流表报文下发的配置方式进行网络配置，然而大多数无线网络设备难以支持流表报文的配置方式。本发明基于opc ua的异构无线网络配置方法，采用xml标准配置格式进行网络配置，更具有普适性。

53、(2)针对工业无线网络融合tsn网络统一配置方法，基于tssdn的统一控制平面概念中，还未考虑到异构网络信息交互和集中配置机制，本发明将设计工业无线网络融合时间敏感网络统一配置架构，设计层级之间的信息交互格式，设计工业无线网络融合tsn网络集中配置方法，实现工业无线网络融合tsn网络的统一配置。

54、(3)异构网络中大多数网络配置方法仍需要手动进行静态配置，配置过程中往往需要将设备离线操作，且配置过程繁琐，本发明设计异构网络统一配置系统，设计动态配置机制，统一配置系统能够根据数据面中网络变化情况，自动实现网络配置信息动态更新，保证工业异构网络场景中业务流量的传输需求。

55、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。