一种时间敏感网络的运行信息收集方法与流程

本申请涉及时间敏感网络(tsn，time sensitive network)领域，具体涉及一种时间敏感网络的运行信息收集方法。

背景技术：

1、网络运行状态信息涵盖了时延、路由、链路状态等关键数据。为了维护网络正常运行，我们需要提取出良好和稳健的实时运行状态信息。挖掘网络相关信息的内在价值，对于维护网络正常运行、扩展网络功能、流量监控等方面具有很重要的指导意义。目前为了实现对网络的运维，包括使用ping指令、带内遥测、netflow等方式获取网络的运行信息，大致可以被分为主动收集以及被动收集两种主要方式。

2、由于tsn技术作为数十年兴起的新型技术，对tsn运行信息获取的研究相对欠缺。现有的方法主要针对实时网络监测和故障定位的方案。一个工作提出了tsn-insight，通过扩展gptp分组实现对tsn网络的低成本实时监测；另一个工作，其聚焦于在网络运行出现故障时，采用某种方式如发送数据包对错误信息进行收集，提出了网络故障信息收集方案，利用网络拓扑分析构建探针分组路径，以实现确定性时延的故障信息收集。

3、尽管这些方法能够获取tsn网络运行信息，但不足之处在于，没有能够根据网络的实时运行状态动态调节监控流的配置信息，不能够低时延、低开销的收集网络中的实时运行信息，虽然实现了网络运行信息的收集，但造成了较大的额外开销。且但当故障已经发生后，尽管能快速地找出错误，但是由于故障产生的后果和损失已经不可挽回。因此，为了实现对故障的检测与预警，亟需一种能够实时对tsn交换和传输设备进行监控的方法。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种时间敏感网络的运行信息收集方法，采用发送额外的监控流量帧，遍历网络中的所有交换机，收集交换设备和传输链路的运行信息；该方法能够实时地实现对tsn的各种物理网元的实时监测，检查网络是否正常运行；同时根据网络实时运行状态，动态调整监控流probe_message的路由，降低监控流对网络的额外开销。

2、为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种时间敏感网络的运行信息收集方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获得tsn网络的全局拓扑，计算单元完成最佳路由的计算，进行帧属性{period,len,pri…}以及路由配置，将相关的配置和路由信息打包，以控制流的方式发送给产生监控流的终端设备；终端设备根据指定的发送时间，发送初始的监控流数据帧probe_message(1)；

4、步骤2：在计算的最优路由{h,s1,s2,s3,…,s1,h}下，监控流数据帧probe_message(1)经过所有的交换机swi，并将每跳交换机的运行信息，添加到帧尾部，得到新的监控流数据帧probe_message(i)，交换机再把得到的新监控流数据帧probe_message(i)按照路由顺序转发出去；

5、步骤3：在访问了tsn网络中的所有交换机后，将包含所有交换机的运行信息的监控流数据帧转发至控制平面；控制平面对这些原始数据进行预处理和数学计算，更新权值状态矩阵δ，并根据新的权值状态矩阵δ计算新的最佳路由；

6、步骤4：将预处理和数学计算的结果发给控制中心，由控制中心将新的路由和配置信息打包后发给产生监控流的终端设备，以产生新的监控流。

7、监控流是额外的控制平面开销，其通过额外的流量帧收集链路物理信息。

8、监控流需要实时地感知交换机状态，是时间敏感数据，根据tsn的优先级调度机制，赋予监控流的优先级为7。

9、初始的监控流probe_message(1)按照满足以太网最小帧长的要求产生，即64字节，帧头部header包括18字节，剩下46个字节携带识别、描述控制流基础配置信息，在每次经过一个交换机后，监控流帧长度增加运行信息的n字节。

10、每个交换机的运行信息按照字典方式存储，按照以下形式：{[qoccupy:,a],[qcapacity:,b],[t:,c],[sr:,{si,sj}]}，每个字典内容占据4字节的内存空间；

11、每个交换机的运行信息包括地址addressi，链路xi，队列qi及路由{si，sj}等。

12、每个交换机都能够识别监控流量probe_message和网络流量traffic_message。

13、状态矩阵δ的更新规则如下：

14、在监控开始时，根据全局拓扑，初始化一个运行链路边的权值状态矩阵δ，在交换机swi和交换机swj之间有连接的权值设置为0，没有连接的权值wij设置为∞，得到运行边的权值状态矩阵δ；

15、在每一轮监控流收集完毕后，权值状态矩阵δ都会进行更新，交换机的任意某个端口的队列容量为qcapacity，队列目前已经占据帧长度为qoccupy，交换机swi和交换机swj之间的边权值由下式计算：

16、wij＝qoccupy(i)/qcapacity(j)；

17、其中qoccupy(i)和qcapacity(j)是指交换机swi到达交换机swj的对应端口的队列信息；

18、如果监控流在一次路由过程中，经过某个交换机多次，则按照最后一次经过获取的信息更新权值状态矩阵δ，如果发现链路出现故障断开，则权值为∞。

19、根据新的边权值状态矩阵δ计算新的最佳路由，具体为：

20、根据权值状态矩阵定义监控流的路径代价函数其中路由为{h,si,sj,…,si,h}，则最小化代价优化目标如下：

21、

22、cost表示单条路由路径的总代价函数值，p表示数对(x,y)，(x,y)表示路径从交换机x到交换机y，路由路径集合序列l为{(a,b),(b,c),(c,d),……(z,a)}。

23、对优化目标求解可规约为旅行商(travelling salesman problem，tsp)问题，tsn网络拓扑可抽象为图g(v,w)，其中v为图中的交换机和终端节点，w为不同交换机之间连接边的权值，将g(v,w)转化为g'(v,w)，g'中的任何边w是v中任意两点间的最短距离，可采用广度优先搜索算法得到任意两点之间的最短距离，在g'(v,w)中添加两个辅助点x和y，构成新图g”(v,w)，实现x到所有点的权重为0，y到固定起点的权重为0；对优化目标求解问题抽象为经典的tsp的求解。

24、步骤4中，同时将预处理和数学计算的结果发给cnc配置器，cnc配置器根据当前各个交换机的不同端口队列负载情况，计算下一个超周期内的流量调度的顺序和偏移量。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、发明了一种实时地感知tsn各种交换设备物理运行信息的获取方法，填补了相关领域的空白，增强了对tsn运行信息监测的实时性；利用单条监控流以及动态路由计算的方法，减少了网络监控流量信息对网络正常流量传输的影响，降低了由于监控和运维产生的额外流量。

技术特征：

1.一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：监控流是额外的控制平面开销，其通过额外的流量帧收集链路物理信息。

3.根据权利要求1或2所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：监控流需要实时地感知交换机状态，是时间敏感数据，根据tsn的优先级调度机制，赋予监控流的优先级为7。

4.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：初始的监控流probe_message(1)按照满足以太网最小帧长的要求产生，即64字节，帧头部header包括18字节，剩下46个字节携带识别、描述控制流基础配置信息，在每次经过一个交换机后，监控流帧长度增加运行信息的n字节。

5.根据权利要求2所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：每个交换机都能够识别监控流量probe_message和网络流量traffic_message。

7.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：状态矩阵δ的更新规则如下：

8.根据权利要求1或7所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：根据新的边权值状态矩阵δ计算新的最佳路由，具体为：

9.根据权利要求8所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：

10.根据权利要求1所述的一种时间敏感网络的运行信息收集方法，其特征在于：步骤4中，同时将预处理和数学计算的结果发给cnc配置器，cnc配置器根据当前各个交换机的不同端口队列负载情况，计算下一个超周期内的流量调度的顺序和偏移量。

技术总结
一种时间敏感网络的运行信息收集方法，指定的终端设备可以周期性地发送监控流，遍历并收集网络中每个交换机的队列、地址和链路信息等数据，对原始数据进行处理、计算并更新监控流的路由，并将运行信息反馈到CNC配置器进行调节。实现了对TSN实时运行信息的感知，提高了网络维护和故障感知的效率，降低了监控流对数据平面的额外开销。

技术研发人员：李磊,刘昕,廖荣涛,王逸兮,贺广成,王晟玮,胡欢君,叶宇轩,张剑,宁昊,张玉洁,郭岳,罗弦,王敬靖,李想,王博涛,陈家璘,郑蕾,徐宁,胡晨,邱学晶
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司信息通信公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10