时间敏感网络流量调度的实现及评价方法与流程

本发明涉及一种流量调度的实现及评价方法，详细地，涉及在产业自动化系统中实现时间敏感网络(time-sensitive network)流量调度。

背景技术：

1、时间敏感网络(tsn：time-sensitive networking)正在成为下一代产业通信时代的主要技术。时间敏感网络利用以太网优秀的宽带和低成本，使用一系列先进的标准来补充自身实时性及确定性(deterministic)能力。ieee 802.1时间敏感网络任务组(taskgroup)开发、维护及管理高精度时钟同步、有限延迟、超高可靠性及灵活资源管理等标准。

2、与其他基于以太网的实时通信技术(例如，ethercat、profinet、sercos iii等)相比，时间敏感网络提供更好的标准合规性、供应商独立性及兼容性。由于低成本和使用便利性，时间敏感网络可以轻松扩展并与其他更高层通信技术(例如，opc ua)合并。

3、因此，时间敏感网络在多种产业应用程序的实施起到关键作用，且有助于产业用物联网中的信息技术及运营技术的合并。时间敏感网络并不局限于产业自动化，在车载网络、航空航天等需要实时通信的其他领域中也起到中枢作用。

4、之前的报告从时间同步、模拟、资源管理、流量调度等方面对时间敏感网络进行了调查。在现有研究中提出了可以确保ethercat节点之间的极为准确的时钟同步的基于时间敏感网络的时间同步方法。为了将时间敏感网络扩展到无线网络而开发了新型高精度无线时间同步策略。

5、在其他现有研究中，通过配置在实际产业系统来测试了ieee 802.1as的时钟同步准确性。分析了对时钟准确性产生影响的关键因素(phy抖动及时钟粒度)。在其他研究中，使用omnet++模拟器对ieee 802.1qbv进行了建模，在实际时间敏感网络测试台中追加验证了模拟。

6、在其他研究中提出了opc ua时间敏感网络配置架构，并在实验室级别制造系统中进行了验证。在其他研究中提出了用于自动配置时间敏感网络的基于sdn的自身配置框架。模拟结果表明不同拓扑的时间敏感网络已被适当地配置。

7、将时间敏感网络应用于流量调度仍是难题。满意度模型理论(smt)及整数线性规划(ilp)等最优化理论得到广泛应用。在现有研究中，使用满意度模型理论模型和阵列理论来制定了调度约束条件。在其他现有研究中，使用基于满意度模型理论的最优系数理论提出了无需等待的调度算法。在其他现有研究中，将时间敏感网络应用于基于虚拟机(vm)的控制网络并提出了用于流量调度的轻量启发式算法。基于整数线性规划的方法也得到了探索。在其他现有研究中，使用基于整数线性规划的算法调度进入系统的新型时间敏感网络流量。为了解决所提出的公式而使用了商业整数线性规划求解器(solver)(cplex)。在其他研究中提出了用于大规模时间敏感网络的基于整数线性规划的冲突程度(doc)感知迭代路由及调度算法。并且，在其他研究中开发了对联合路由及调度问题进行建模的整数线性规划公式并使用最先进的整数线性规划求解器和多种输入来探索了运行时间限制。

8、上述现有研究发现了最优化理论解决了时间敏感网络调度问题。但是，随着输入量的增加，运行时间将急剧增加，从而产业系统的实际实施变得复杂。与最优化理论不同，本发明人使用宽带分配概念发明了流量调度方法(tsm)。大部分现有研究大多集中在通过模拟的时间敏感网络调度理论，在实际制造场景中尚未实施调度算法。极少数的研究验证了基于实际实施的理论方法。一项研究在评价ieee 802.1qbv的性能时执行了概念证明实验。在其他研究中总结了由多个供应商提供的现成时间敏感网络装置。在其他研究中，使用了z3满意度模型理论求解器作为slate xns软件的核心结构要素以进行调度。因此，这种研究执行了实质性的时间敏感网络研究。但是，仅关注了对时间敏感网络标准的证明和对硬件解决方案的说明。在其他研究中，使用了实验用测试台来验证了算法，但尚未考虑实际产业应用或装置多样性。具体地，仅评价了传输或接收时间敏感网络流量的终端站，缺乏实际控制系统(控制器、传感器及执行器)的多个关键结构要素。因此，需要证明时间敏感网络调度的可行性。并且，所引用的作业取法技术细节，均没有说明算法实施或时间敏感网络测试台开发。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明考虑到如上所述的情况而创作，本发明的目的在于，开发用于时间敏感网络(tsn：time-sensitive networking)的流量调度方法(tsm)来构建实际环境。

3、本发明的另一目的在于，为了分析流量调度方法的实际可行性而探索多种实验结果。

4、技术方案

5、为此，本发明的方法为在产业自动化系统的控制装置中执行的方法，该方法包括：网络分区(network partition)执行步骤，根据网络拓扑g(network topology)、流量流(traffic flow)规格f及路由路径(routing path)将网络划分为子网络并调节流量流规格；以及调度步骤，根据上述子网络g'、所调节的上述流量流规格f'、链路规格(链路速度及长度)来确定对各流量流的消息开始传输瞬间及用于在特定时间打开或关闭路由路径上的开关sw的门控列表gcl。

6、本发明的装置为产业自动化系统的控制装置，该装置包括：中央网络配置器cnc，接收网络拓扑g、流量流规格f及链路规格(链路速度及长度)来计算各流量流的路由路径根据上述路由路径来生成对各流量流的发送者(发送器)的消息开始传输瞬间及用于在特定时间打开或关闭路由路径上的开关sw的门控列表gcl；以及中央用户配置器cuc，从上述中央网络配置器接收上述发送者(发送器)的消息传输瞬间来控制发送者(发送器)的消息传输工作。

7、发明的效果

8、如上所述，本发明用于通过构建现实性时间敏感网络系统并使机器人处理自动化场景验证验证流量调度方法调度器的效果。

9、将本发明的流量调度方法的实时性能与产业用调度器的性能进行比较的结果，流量调度方法可以保障产业用机器人应用的严格实时要求事项、排队延迟消除以及超低延迟时间。

10、本发明的流量调度方法可以在每毫秒调度500的流，这比商业调度器快571倍以上。即，本发明的流量调度方法具有如下效果，可以迅速处理industry 4.0背景下网络基础设施或用户指向应用的变更所需要的重新配置。

技术特征：

1.一种方法，在产业自动化系统的控制装置中执行，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，网络分区执行步骤包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述调度步骤包括如下步骤：

4.一种装置，为产业自动化系统的控制装置，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，上述中央网络配置器(cnc)将上述门控列表(gcl)变换成基于xml的配置数据并将其传输到开关，通过post方法向上述中央用户配置器(cuc)传输上述消息开始传输瞬间

技术总结在IEEE 802.1任务组(task group)标准化并维护的时间敏感网络(TSN，Time‑Sensitive Networking)将提高以太网的实时性及确定性(deterministic)能力。但是，流量调度尚未标准化，且得到了广泛的研究。大部分研究本质上停留在理论层面，而缺乏实用性验证研究。为了弥补这一空白，本发明首先构建基于实际时间敏感网络的处理自动化系统并提出了如何在产业设备部署流量调度方法(TSM：Traffic Scheduling Method)的详细方针。本申请人实验性调查了本发明的方法的可行性，并将其性能与商业时间敏感网络调度器的性能进行了比较。结果，本发明的方法准确地调度流量并去除排队延迟来实现超低等待时间(ultra‑low latency)以满足确切的实时要求事项。对500个随机事例的调度计算时间表明，流量调度方法能够以毫秒单位适当地调度流，这比商业调度器快571倍以上。技术研发人员：洪承镐,江俊慧,宋沅锡受保护的技术使用者：内斯特菲尔德公司技术研发日：技术公布日：2024/9/17