[發明專利]一種工業物聯網中多服務共存及IP層數據包的調度方法

有效

• 申請號: 202110010472.5
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112822268B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 丁男;王艷紅;吳迪;孫希明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;H04L12/865
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 楊翠翠

一種工業物聯網中面向多服務共存以及確定性網絡需求的IP層數據包調度算法，其屬于工業物聯網數據實時傳輸和多網絡融合的技術領域。目前的數據包調度算法缺乏對工業物聯網中連續的周期性數據和離散的控制數據并存問題的分析。該算法同時考慮了數據包的優先級和傳輸時延，并通過各個優先級的數據包最大傳輸時延的計算公式得到混雜切換系統的部分切換條件，使用混雜切換系統模型對數據包調度過程進行分析，從而設計了IP層的數據包調度算法。利用本發明算法可以對來自不同類型網絡的數據包進行調度，實現多網絡融合，同時可以滿足工業物聯網中數據包的實時性需求，降低了丟包率。

技術領域

本發明屬于工業物聯網數據實時傳輸和多網絡融合的技術領域，涉及到一種在IP層根據數據包優先級、傳輸時間以及基于混雜切換系統模型進行數據包調度的調度算法。

背景技術

隨著無線網絡和5G技術的發展，多網絡融合以及多服務共存已經成為目前工業物聯網研究領域必須攻克的問題。同時，隨著確定性網絡應用需求的提出，如何在這種混合網絡應用場景中，確保各個數據包能夠按照要求及時進行網絡發送，已成為關鍵。為了滿足工業物聯網數據包端到端的低時延需求，IEEE802.1工作組發布了一系列時間敏感網絡(TSN)相關標準，通過時鐘同步、數據流調度策略等技術標準在數據鏈路層確保數據包傳輸的實時性。但是，時間敏感網絡的相關標準僅僅適用于數據鏈路層，為了將TSN中開發的技術擴展到路由器，互聯網工程任務組(IETF)提出了確定性網絡(DetNet)。確定性網絡是一項幫助實現IP網絡從提供“盡力而為”的網絡服務到提供“準時、準確、快速”的網絡服務，控制并降低端到端時延的技術，在數據鏈路層和IP層上實現確定傳輸路徑，這些路徑可以提供延遲、丟包和抖動的最壞情況界限，以此提供確定的延遲。目前在IP層和數據鏈路層之間，如何根據需求設計數據包調度算法尚不成熟，尤其是根據數據包的優先級和傳輸時間進行數據包調度，尚未見相關報道。

發明內容

本發明目的是在于克服現存技術的不足，提供一種針對工業物聯網中來自多種不同類型或多個相同類型的網絡的數據包以及來自多個應用服務的數據包在IP層中進行轉發時的調度算法。該方法同時考慮了數據包的優先級和傳輸時間，并通過各個優先級的數據包最大傳輸時延的計算公式得到混雜切換系統的部分切換條件，使用混雜切換系統模型對數據包調度過程進行分析，從而設計了IP層的數據包調度算法，克服當前工業物聯網中控制類等對時延有高要求的數據包實時性不能保證的問題，同時也降低了網絡的丟包率。

為了達到上述目的，本發明提供了一種面向工業物聯網的基于數據優先級、傳輸時間以及最大傳輸時延的數據包調度算法，該方法是在現有TCP/IP協議架構中IP協議層的基礎上的一個擴充。安裝時，需要將該方法加到IP層中。同時該方法所需要的數據優先級、傳輸時間與最大傳輸時延三個參數信息，都可以通過網絡直接獲取，或經過簡單計算得到。其中，數據優先級可以根據數據數據包中的固定字段信息獲得，這部分是協議中規定的。在時鐘同步的前提下，傳輸時間可以通過同步的時鐘時間與協議規定的IP報文可選字段時間戳選項記錄的時間簡單計算獲得。最大傳輸時延可以通過工業生產要求的預設采樣周期值以及協議規定的時延計算得到。

本發明的技術方案是：

首先，將數據包調度過程設計為包含兩個子系統的混雜切換模型，兩個子系統分別為優先級優先子系統以及時間優先子系統。優先級優先子系統中待發送列中的數據包采用優先級優先的排序方式，即從隊首至隊尾數據包的優先級逐漸降低，優先級相同的數據包按照傳輸時間由大到小的順序排序，時間優先子系統中待發送隊列中的數據包采用時間優先的排序方式，即從隊首至隊尾數據包的剩余傳輸時間(最大傳輸時延與傳輸時間之差)逐漸增大，剩余傳輸時間相同的數據包按照優先級由高到低的順序排序；其次，通過相關參數計算得到切換條件中待發送隊列數據包平均已傳輸時間的最值；最后，根據子系統的狀態參數(平均已傳輸時間)是否滿足切換條件以及離散事件是否發生共同決定子系統之間的切換，離散事件包括接收到控制數據包以及待發送隊列中存在即將超時數據包。

數據包調度算法的具體步驟如下：