摘要：工業(yè)4.0、《中國制造2025》戰略不斷推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)向網(wǎng)絡(luò )化、智能化升級，基于SDN&TSN的網(wǎng)絡(luò )架構以其靈活性、開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性、高效集中管控的特點(diǎn)普適于未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )各種業(yè)務(wù)需求。SDN架構的控制平面與數據平面分離機制便于集中管控工業(yè)網(wǎng)絡(luò )資源，靈活、合理地為不同QoS需求的業(yè)務(wù)分配不同的網(wǎng)絡(luò )資源集，提高網(wǎng)絡(luò )利用率的同時(shí)保障時(shí)間敏感應用的實(shí)時(shí)性需求。TSN主要技術(shù)包括時(shí)間窗口整形、隊列調度、流過(guò)濾、路徑控制等。未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構的趨勢是將SDN和TSN技術(shù)有機結合，通過(guò)集中式控制實(shí)現網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)規劃與調度以滿(mǎn)足工業(yè)應用實(shí)時(shí)性要求。

關(guān)鍵詞：軟件定義網(wǎng)絡(luò )；時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )

Abstract: Made-in-China 2025 and “Industry 4.0” strategy continually promote industrial production upgrade to networked and intelligent. The network architecture based on SDN&TSN is suitable for various business needs of future industrial networks because of its flexibility, openness, real-time and efficient centralized management. The separation mechanism of control plane and data plane facilitate centralized management and control of industrial network resources, flexibly and reasonably allocating different network resource sets for different QoS requirements, improving network utilization while ensuring delay requirements for time-sensitive applications. The main technologies of TSN include time window shaping, queue scheduling, flow filtering, and path control. The trend of future industrial network architecture is to combine SDN and TSN technologies to achieve dynamic network planning and scheduling through centralized control and then meet the real-time requirements of industrial applications.

Key words: SDN; TSN

1 引言

隨著(zhù)控制、通信、計算機等技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)現場(chǎng)也呈現出以網(wǎng)絡(luò )為中心的趨勢，越來(lái)越多的企業(yè)需要建立包含從工廠(chǎng)現場(chǎng)設備層到控制層、管理層等各個(gè)層次的綜合網(wǎng)絡(luò )管控平臺，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為基礎的企業(yè)信息化系統。然而工業(yè)網(wǎng)絡(luò )對實(shí)時(shí)性、靈活性、動(dòng)態(tài)性等都有更高的要求，這就決定了傳統的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)難以適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，因此引入了基于SDN&TSN的新的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構。

軟件定義網(wǎng)絡(luò )SDN技術(shù)將數據平面和控制平面分離，解決因快速更替的通信技術(shù)引起不斷更新硬件和網(wǎng)絡(luò )基礎設施的問(wèn)題。SDN技術(shù)通過(guò)集中控制機制以滿(mǎn)足定制化的工業(yè)業(yè)務(wù)需求，加快部署時(shí)間、提高網(wǎng)絡(luò )資源利用率，同時(shí)穩定硬件投入成本增長(cháng)速度。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中的生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)具有時(shí)間敏感性，該類(lèi)業(yè)務(wù)對底層通信系統的服務(wù)質(zhì)量提出了巨大挑戰。TSN通過(guò)使用全局時(shí)延調度機制為跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò )組件的數據流規劃消息路徑以實(shí)現確定性實(shí)時(shí)通信。

基于SDN&TSN的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構新思路以其靈活的組網(wǎng)特點(diǎn)實(shí)現細粒度按需動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )規劃，能夠有效地支撐工業(yè)時(shí)間敏感應用，提高網(wǎng)絡(luò )資源利用率，同時(shí)保障網(wǎng)絡(luò )安全性，最大限度的滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

2 基于SDN&TSN的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構分析

2.1 網(wǎng)絡(luò )總體架構

基于SDN&TSN的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構可以分為四層，包括現場(chǎng)層、數據交換層、控制層、應用層，如圖1所示。

圖1 基于SDN&TSN的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構

（1）現場(chǎng)層由工業(yè)現場(chǎng)設備構成，包括工控機、智能終端、機器人、可編程邏輯器件、數控機床等，即傳統工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)部分。

（2）數據交換層由SDN交換機和網(wǎng)關(guān)構成，SDN交換機用于實(shí)現數據轉發(fā)傳遞，網(wǎng)關(guān)用于將工業(yè)現場(chǎng)數據轉換為IP數據格式，OPC-UA是目前前景較好的網(wǎng)關(guān)協(xié)議。

（3）集中管控層是由SDN控制器組成，主要功能包括制定轉發(fā)規則、生成優(yōu)先級隊列調度策略及帶寬分配策略等。

（4）應用層包含不同QoS需求的應用，應用請求發(fā)送到SDN控制器，由控制器解析具體QoS需求，并通過(guò)流表規則約束各項需求，下發(fā)到數據平面，進(jìn)而傳遞到工業(yè)現場(chǎng)層。

該架構的核心是SDN控制器，具有集中式管理控制能力，通過(guò)下發(fā)流表配置TSN規則，滿(mǎn)足時(shí)間敏感應用的時(shí)延要求。

2.2 集中管控平臺

該架構中的集中管控平臺功能結構如圖2所示，包括處理模塊、規劃模塊、網(wǎng)絡(luò )監測模塊和執行模塊。其主要功能是將不同應用的QoS映射到SDN網(wǎng)絡(luò )基礎設施上。

（1）處理模塊與應用層相連，用于解析不同應用的QoS參數，并將該需求傳遞到規劃器中。

（2）網(wǎng)絡(luò )監測模塊用于收集網(wǎng)絡(luò )底層信息，包括設備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò )拓撲、網(wǎng)絡(luò )容量、隊列狀態(tài)、數據流時(shí)延和速率等。

（3）規劃模塊利用網(wǎng)絡(luò )監測模塊獲得的監測數據計算出網(wǎng)絡(luò )資源的最優(yōu)集合，同時(shí)滿(mǎn)足數據流的QoS參數需求。

（4）執行模塊將規劃模塊計算出的結果應用到網(wǎng)絡(luò )中，通過(guò)下發(fā)流表的形式配置SDN交換機。

圖2 集中管控平臺功能結構圖

2.3 SDN交換機

該架構中的SDN交換機是一種為滿(mǎn)足時(shí)間敏感應用設計的支持TSN的自適應交換機，包括隊列狀態(tài)獲取模塊、帶寬調節模塊、流處理模塊、帶寬控制模塊、優(yōu)先級調度模塊和其他功能模塊。

圖3 SDN交換機功能結構圖

（1）隊列狀態(tài)獲取模塊用于監測端口發(fā)送隊列緩存的數據長(cháng)度，并根據預設的擁塞閾值和正常閾值設置隊列狀態(tài)信息，使其它模塊能夠通過(guò)其獲取端口發(fā)送隊列擁塞情況，具體包括：

·隊列狀態(tài)信息獲取單元：用于讀取隊列狀態(tài)信息存儲單元中保存的隊列狀態(tài)信息，并將獲取的所述隊列狀態(tài)信息提供給帶寬調節模塊處理。

·隊列狀態(tài)信息存儲單元：用于存儲所述隊列狀態(tài)信息。

·隊列狀態(tài)監測單元：用于對發(fā)送隊列的長(cháng)度進(jìn)行監測，當所述發(fā)送隊列長(cháng)度超出預設的擁塞閾值時(shí)，將所述隊列狀態(tài)信息設置為擁塞狀態(tài)，當所述發(fā)送隊列長(cháng)度小于正常閾值時(shí)，將所述隊列狀態(tài)信息設置為正常狀態(tài)。

·發(fā)送隊列：用于緩存等待發(fā)送數據的隊列。

（2）帶寬調節模塊用于當帶寬調整觸發(fā)時(shí)，根據隊列狀態(tài)信息自動(dòng)調整端口隊列的帶寬，并將調整完成的所述端口隊列帶寬參數存儲到對應的Meter表中，具體包括：

·觸發(fā)單元：用于觸發(fā)帶寬調節單元的執行。

·帶寬調節單元：用于根據隊列狀態(tài)信息對端口隊列的帶寬進(jìn)行自動(dòng)調節，得到端口隊列帶寬參數。

·Meter表更新單元：用于將帶寬調節單元調整完成的所述端口隊列帶寬參數存儲到對應的Meter表中。

（3）流處理模塊用于對接收的數據包進(jìn)行數據解析，流表匹配和流表的執行，具體包括：

·Meter表單元：用于存儲Meter表項。

·流表存儲單元：用于存儲流表項。

·數據包解析單元：用于對Openflow交換機接收到的數據包進(jìn)行解析，提取出所述數據包的關(guān)鍵信息。

·流表匹配單元：用于將所述數據包解析單元提取的數據包的關(guān)鍵信息與所述流表存儲單元中的所有流表的頭域進(jìn)行匹配，如果有匹配流表項，則由流表執行單元進(jìn)行處理；如果沒(méi)有，則按照openflow協(xié)議發(fā)送給openflow控制器。

·流表執行單元：用于按照流表的指定動(dòng)作對數據包進(jìn)行操作，發(fā)送到對應Meter表，調用所述Meter表對應的端口隊列的帶寬控制單元（令牌桶）進(jìn)行帶寬控制，如果當前數據包在所述端口隊列的帶寬控制范圍內，則執行流表的下一項操作，最后將數據包放入指定的優(yōu)先級隊列中等待調度單元的調度。

（4）帶寬控制模塊用于根據Meter表中參數設置帶寬控制參數，并根據設置的所述帶寬控制參數對端口隊列帶寬進(jìn)行控制，具體包括：

·帶寬設置單元：用于根據所述Meter表中相應端口隊列的參數信息對帶寬控制單元進(jìn)行參數設置。

·帶寬控制單元：用于根據設置的參數對所述端口隊列的帶寬進(jìn)行控制，如果當前數據包在所述端口隊列的帶寬控制范圍內，將數據包交給下一模塊處理，如果當前數據包超出所述端口隊列帶寬，則按照Meter中設置的操作丟棄或者等待。

（5）優(yōu)先級調度模塊用于對端口隊列進(jìn)行優(yōu)先級調度，并按調度完成后的順序將數據放入發(fā)送隊列，具體包括：

·優(yōu)先級隊列單元：用于緩存各個(gè)優(yōu)先級的數據包，不同優(yōu)先級隊列代表不同的優(yōu)先級別，同一個(gè)優(yōu)先級隊列中數據包按照先入先出順序排列。

·調度單元：用于對所述優(yōu)先級隊列中的數據包按照隊列優(yōu)先級的高低排列發(fā)送順序，高優(yōu)先級隊列中的數據包先發(fā)送，低優(yōu)先級隊列中的數據包等高優(yōu)先級隊列數據包發(fā)送完成后再發(fā)送。

（6）其它功能模塊用于實(shí)現交換機的其他功能，與現有技術(shù)相同。

3 時(shí)間敏感業(yè)務(wù)處理方法

時(shí)間敏感業(yè)務(wù)是指工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景中對時(shí)延要求苛刻的應用，在基于SDN&TSN的未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，時(shí)間敏感應用的處理分為兩部分，一部分是在集中控制器中，另一部分是在SDN交換機中。以下內容分別介紹具體處理過(guò)程。

SDN控制器中的工作流程描述如下：

step1：處理模塊將QoS參數解析為能夠被SDN網(wǎng)絡(luò )架構實(shí)現的消息命令；

step2：該消息命令傳送到規劃模塊中，規劃模塊在滿(mǎn)足QoS需求的前提下，根據網(wǎng)絡(luò )監控模塊提供的網(wǎng)絡(luò )數據計算出網(wǎng)絡(luò )資源的最優(yōu)集合；

step3：規劃模塊將該網(wǎng)絡(luò )資源最優(yōu)集合傳輸到執行模塊，執行模塊下發(fā)流表配置SDN交換機的轉發(fā)規則。
SDN交換機中處理過(guò)程如圖4所示，具體描述如下：

當接收到數據時(shí)，交換機流處理模塊解析接收到的數據，提取出所述數據幀各層的關(guān)鍵信息，與流表項進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則按照流表中的action 列表執行操作。當操作是Meter時(shí)，以Meter Action中的arguments項為key，匹配Meter中所有Band的type specific arguments項標示的隊列號，找到與其匹配的Band，進(jìn)而利用該Band對應的令牌桶進(jìn)行帶寬控制。如圖4所示，Meter Action的Meter_id是Port_1，arguments項為3，即匹配的是Port 1的Band為Band3（Queue 3），因此由Queue 3對應的令牌桶進(jìn)行帶寬控制處理，從令牌桶中取出與數據包流量對應數量的令牌。如果數據率超出令牌桶限制（桶中令牌數據不足），則按照Band type指示執行丟棄或者其他操作；如果數據流的速率沒(méi)有超出令牌桶的限制，不對數據包進(jìn)行處理，接著(zhù)執行下一個(gè)Action操作。經(jīng)過(guò)令牌桶操作后，各個(gè)隊列的帶寬被限制在Meter表設定的帶寬范圍內。

接下來(lái)的Output/Enqueue操作中，交換機會(huì )將數據包發(fā)送到指定端口的指定隊列中，然后等待優(yōu)先級調度模塊的調度。如圖4所示，這里action的內容是 Enqueue  1  3，表示輸出到端口是Port 1，隊列號是3的隊列中，即Queue 3隊列。交換機將該數據報放入Queue 3隊列中，等待調度器的調度。交換機的優(yōu)先級調度單元按照隊列的優(yōu)先級發(fā)送數據：高優(yōu)先級隊列數據先發(fā)送，待高優(yōu)先級隊列中所有數據發(fā)送完成后再發(fā)送低優(yōu)先級隊列的數據。即Queue 1隊列中的數據包進(jìn)行發(fā)送，當所有Queue 1中數據包都發(fā)送完成后再一次讀取Queue 2、Queue 3中的數據包發(fā)送，完成優(yōu)先級控制方式的功能。

圖4  SDN交換機中數據處理過(guò)程示意圖

4 結論及未來(lái)工作

本文中針對工業(yè)場(chǎng)景中業(yè)務(wù)特點(diǎn)，提出了基于SDN&TSN的未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構構想，并對該架構下的業(yè)務(wù)處理方法進(jìn)行了描述。對SDN控制器和交換機的通用功能進(jìn)行擴充，以滿(mǎn)足工業(yè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中存在的多種數據流類(lèi)型的不同的特性和傳輸實(shí)時(shí)性、帶寬需求。該架構實(shí)用化之路任重道遠，還有很多問(wèn)題亟待解決，如網(wǎng)關(guān)設計、多控制器管控機制、實(shí)時(shí)隊列調度算法及pub/sub中間件系統等。

作者簡(jiǎn)介：

劉金娣（1988-），女，遼寧普蘭店人，碩士，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所助理研究員，主要從事工業(yè)網(wǎng)絡(luò )相關(guān)技術(shù)研究。

李棟（1986-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副研究員，主要從事工業(yè)網(wǎng)絡(luò )相關(guān)技術(shù)研究及工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準制定工作。

曾鵬（1976-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研究員，科學(xué)院網(wǎng)絡(luò )化控制系統重點(diǎn)實(shí)驗室副主任，博士生導師，主要從事無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)通信技術(shù)的研究工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年10月刊