摘要：工业4.0、《中国制造2025》战略不断推动工业生产向网络化、智能化升级，基于SDN&TSN的网络架构以其灵活性、开放性、实时性、高效集中管控的特点普适于未来工业网络各种业务需求。SDN架构的控制平面与数据平面分离机制便于集中管控工业网络资源，灵活、合理地为不同QoS需求的业务分配不同的网络资源集，提高网络利用率的同时保障时间敏感应用的实时性需求。TSN主要技术包括时间窗口整形、队列调度、流过滤、路径控制等。未来工业网络架构的趋势是将SDN和TSN技术有机结合，通过集中式控制实现网络动态规划与调度以满足工业应用实时性要求。

关键词：软件定义网络；时间敏感网络

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

随着控制、通信、计算机等技术的飞速发展，工业现场也呈现出以网络为中心的趋势，越来越多的企业需要建立包含从工厂现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合网络管控平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。然而工业网络对实时性、灵活性、动态性等都有更高的要求，这就决定了传统的网络技术难以适用于工业网络，因此引入了基于SDN&TSN的新的工业网络架构。

软件定义网络SDN技术将数据平面和控制平面分离，解决因快速更替的通信技术引起不断更新硬件和网络基础设施的问题。SDN技术通过集中控制机制以满足定制化的工业业务需求，加快部署时间、提高网络资源利用率，同时稳定硬件投入成本增长速度。

工业网络中的生产制造业务具有时间敏感性，该类业务对底层通信系统的服务质量提出了巨大挑战。TSN通过使用全局时延调度机制为跨多个网络组件的数据流规划消息路径以实现确定性实时通信。

基于SDN&TSN的工业网络架构新思路以其灵活的组网特点实现细粒度按需动态网络规划，能够有效地支撑工业时间敏感应用，提高网络资源利用率，同时保障网络安全性，最大限度的满足工业生产的需求。

2 基于SDN&TSN的工业网络架构分析

2.1 网络总体架构

基于SDN&TSN的工业网络架构可以分为四层，包括现场层、数据交换层、控制层、应用层，如图1所示。

图1 基于SDN&TSN的工业网络架构

（1）现场层由工业现场设备构成，包括工控机、智能终端、机器人、可编程逻辑器件、数控机床等，即传统工业生产网部分。

（2）数据交换层由SDN交换机和网关构成，SDN交换机用于实现数据转发传递，网关用于将工业现场数据转换为IP数据格式，OPC-UA是目前前景较好的网关协议。

（3）集中管控层是由SDN控制器组成，主要功能包括制定转发规则、生成优先级队列调度策略及带宽分配策略等。

（4）应用层包含不同QoS需求的应用，应用请求发送到SDN控制器，由控制器解析具体QoS需求，并通过流表规则约束各项需求，下发到数据平面，进而传递到工业现场层。

该架构的核心是SDN控制器，具有集中式管理控制能力，通过下发流表配置TSN规则，满足时间敏感应用的时延要求。

2.2 集中管控平台

该架构中的集中管控平台功能结构如图2所示，包括处理模块、规划模块、网络监测模块和执行模块。其主要功能是将不同应用的QoS映射到SDN网络基础设施上。

（1）处理模块与应用层相连，用于解析不同应用的QoS参数，并将该需求传递到规划器中。

（2）网络监测模块用于收集网络底层信息，包括设备状态、网络拓扑、网络容量、队列状态、数据流时延和速率等。

（3）规划模块利用网络监测模块获得的监测数据计算出网络资源的最优集合，同时满足数据流的QoS参数需求。

（4）执行模块将规划模块计算出的结果应用到网络中，通过下发流表的形式配置SDN交换机。

图2 集中管控平台功能结构图

2.3 SDN交换机

该架构中的SDN交换机是一种为满足时间敏感应用设计的支持TSN的自适应交换机，包括队列状态获取模块、带宽调节模块、流处理模块、带宽控制模块、优先级调度模块和其他功能模块。

图3 SDN交换机功能结构图

（1）队列状态获取模块用于监测端口发送队列缓存的数据长度，并根据预设的拥塞阈值和正常阈值设置队列状态信息，使其它模块能够通过其获取端口发送队列拥塞情况，具体包括：

·队列状态信息获取单元：用于读取队列状态信息存储单元中保存的队列状态信息，并将获取的所述队列状态信息提供给带宽调节模块处理。

·队列状态信息存储单元：用于存储所述队列状态信息。

·队列状态监测单元：用于对发送队列的长度进行监测，当所述发送队列长度超出预设的拥塞阈值时，将所述队列状态信息设置为拥塞状态，当所述发送队列长度小于正常阈值时，将所述队列状态信息设置为正常状态。

·发送队列：用于缓存等待发送数据的队列。

（2）带宽调节模块用于当带宽调整触发时，根据队列状态信息自动调整端口队列的带宽，并将调整完成的所述端口队列带宽参数存储到对应的Meter表中，具体包括：

·触发单元：用于触发带宽调节单元的执行。

·带宽调节单元：用于根据队列状态信息对端口队列的带宽进行自动调节，得到端口队列带宽参数。

·Meter表更新单元：用于将带宽调节单元调整完成的所述端口队列带宽参数存储到对应的Meter表中。

（3）流处理模块用于对接收的数据包进行数据解析，流表匹配和流表的执行，具体包括：

·Meter表单元：用于存储Meter表项。

·流表存储单元：用于存储流表项。

·数据包解析单元：用于对Openflow交换机接收到的数据包进行解析，提取出所述数据包的关键信息。

·流表匹配单元：用于将所述数据包解析单元提取的数据包的关键信息与所述流表存储单元中的所有流表的头域进行匹配，如果有匹配流表项，则由流表执行单元进行处理；如果没有，则按照openflow协议发送给openflow控制器。

·流表执行单元：用于按照流表的指定动作对数据包进行操作，发送到对应Meter表，调用所述Meter表对应的端口队列的带宽控制单元（令牌桶）进行带宽控制，如果当前数据包在所述端口队列的带宽控制范围内，则执行流表的下一项操作，最后将数据包放入指定的优先级队列中等待调度单元的调度。

（4）带宽控制模块用于根据Meter表中参数设置带宽控制参数，并根据设置的所述带宽控制参数对端口队列带宽进行控制，具体包括：

·带宽设置单元：用于根据所述Meter表中相应端口队列的参数信息对带宽控制单元进行参数设置。

·带宽控制单元：用于根据设置的参数对所述端口队列的带宽进行控制，如果当前数据包在所述端口队列的带宽控制范围内，将数据包交给下一模块处理，如果当前数据包超出所述端口队列带宽，则按照Meter中设置的操作丢弃或者等待。

（5）优先级调度模块用于对端口队列进行优先级调度，并按调度完成后的顺序将数据放入发送队列，具体包括：

·优先级队列单元：用于缓存各个优先级的数据包，不同优先级队列代表不同的优先级别，同一个优先级队列中数据包按照先入先出顺序排列。

·调度单元：用于对所述优先级队列中的数据包按照队列优先级的高低排列发送顺序，高优先级队列中的数据包先发送，低优先级队列中的数据包等高优先级队列数据包发送完成后再发送。

（6）其它功能模块用于实现交换机的其他功能，与现有技术相同。

3 时间敏感业务处理方法

时间敏感业务是指工业生产场景中对时延要求苛刻的应用，在基于SDN&TSN的未来工业网络中，时间敏感应用的处理分为两部分，一部分是在集中控制器中，另一部分是在SDN交换机中。以下内容分别介绍具体处理过程。

SDN控制器中的工作流程描述如下：

step1：处理模块将QoS参数解析为能够被SDN网络架构实现的消息命令；

step2：该消息命令传送到规划模块中，规划模块在满足QoS需求的前提下，根据网络监控模块提供的网络数据计算出网络资源的最优集合；

step3：规划模块将该网络资源最优集合传输到执行模块，执行模块下发流表配置SDN交换机的转发规则。
SDN交换机中处理过程如图4所示，具体描述如下：

当接收到数据时，交换机流处理模块解析接收到的数据，提取出所述数据帧各层的关键信息，与流表项进行匹配，如果匹配成功，则按照流表中的action 列表执行操作。当操作是Meter时，以Meter Action中的arguments项为key，匹配Meter中所有Band的type specific arguments项标示的队列号，找到与其匹配的Band，进而利用该Band对应的令牌桶进行带宽控制。如图4所示，Meter Action的Meter_id是Port_1，arguments项为3，即匹配的是Port 1的Band为Band3（Queue 3），因此由Queue 3对应的令牌桶进行带宽控制处理，从令牌桶中取出与数据包流量对应数量的令牌。如果数据率超出令牌桶限制（桶中令牌数据不足），则按照Band type指示执行丢弃或者其他操作；如果数据流的速率没有超出令牌桶的限制，不对数据包进行处理，接着执行下一个Action操作。经过令牌桶操作后，各个队列的带宽被限制在Meter表设定的带宽范围内。

接下来的Output/Enqueue操作中，交换机会将数据包发送到指定端口的指定队列中，然后等待优先级调度模块的调度。如图4所示，这里action的内容是 Enqueue  1  3，表示输出到端口是Port 1，队列号是3的队列中，即Queue 3队列。交换机将该数据报放入Queue 3队列中，等待调度器的调度。交换机的优先级调度单元按照队列的优先级发送数据：高优先级队列数据先发送，待高优先级队列中所有数据发送完成后再发送低优先级队列的数据。即Queue 1队列中的数据包进行发送，当所有Queue 1中数据包都发送完成后再一次读取Queue 2、Queue 3中的数据包发送，完成优先级控制方式的功能。

图4  SDN交换机中数据处理过程示意图

4 结论及未来工作

本文中针对工业场景中业务特点，提出了基于SDN&TSN的未来工业网络架构构想，并对该架构下的业务处理方法进行了描述。对SDN控制器和交换机的通用功能进行扩充，以满足工业工业控制网络中存在的多种数据流类型的不同的特性和传输实时性、带宽需求。该架构实用化之路任重道远，还有很多问题亟待解决，如网关设计、多控制器管控机制、实时队列调度算法及pub/sub中间件系统等。

作者简介：

刘金娣（1988-），女，辽宁普兰店人，硕士，中科院沈阳自动化研究所助理研究员，主要从事工业网络相关技术研究。

李栋（1986-），男，辽宁沈阳人，博士，中科院沈阳自动化研究所副研究员，主要从事工业网络相关技术研究及工业网络标准制定工作。

曾鹏（1976-），男，辽宁沈阳人，博士，中科院沈阳自动化所研究员，科学院网络化控制系统重点实验室副主任，博士生导师，主要从事无线传感器网络、工业通信技术的研究工作。

摘自《自动化博览》2018年10月刊