一种基于TSN的智能变电站交换机流量调度方法及系统

一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法及系统
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法及系统。


背景技术：

2.随着现代通信网络的营运水平不断提高，电力通信网络也由以往传统的固定电话通信逐步发展成为集音频、视频和实时数据于一体的多媒体、大数据、多元化的综合通信，这就导致了其数据流量呈指数增长与对业务控制信息的实时性的矛盾产生，此时，传统的以太网网络已不能完全满足智能电网领域的技术要求；在智能变电站网络中，其主要特点是采用iec 61850标准设计，提供通信平台网络化、数字化和共享化。此时，必然会加大网络数据流量的增大，可能会导致网络拥塞、网络风暴、时延抖动加剧等问题出现；智能变电站很多业务对控制信令和采集数据的传输有迫切的低时延抖动、低丢包率的需求。现在变电站常用的做法是限制带宽利用率在30％以下，对资源造成较大的浪费。
3.针对智能变电站流量调度存在流量增加，导致传输时延也随之加大的问题，交换机的性能、功能、可靠性也有了更高的要求。解决传统交换机的数据流量时延特性成为了首要问题，因此本发明提出了一种基于tsn(time-sensitive networking)协议标准的流量调度方法，借助802.1qbv、802.1qbu、802.3br技术不仅可以使得数据包在链路上传输发生拥塞和碰撞的机会大大降低，还能够保证时间敏感的流量为电网提供稳定、可靠、低时延的服务，结合现有的智能变电站组网提出了带有tsn技术特性的网络改造思路，并为后续的实际tsn技术试点和设备部署提供了参考方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，为解决智能变电站中数据流量增长与控制信息实时性的矛盾通过tsn技术来对数据链路层流量进行调度。
5.为实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，包括以下步骤：
6.基于tsn特性，建立交换机流量调度机制；
7.基于所述交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和所述智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。
8.可选地，所述交换机流量调度机制包括：流量排队机制和帧抢占机制。
9.可选地，建立流量排队机制的方法包括：基于802.1qbv协议，通过控制交换机出口处闸门的开关来控制排队流量，获得流量排队机制。
10.可选地，建立帧抢占机制的方法包括：基于802.1qbu协议和802.3br协议，对流量在传输通道中的优先级别进行划分，获得帧抢占机制。
11.可选地，对流量在传输通道中的优先级别进行划分的方法包括：
12.将所述流量的以太网帧划分为高优先级帧和低优先级帧；
13.若交换机端口上所述高优先级帧到达时所述低优先级帧正在传输，首先判断所述低优先级帧已传输的部分和剩余部分是否均大于等于以太网的最小帧长，若满足则中断所述低优先级帧的传输，并将所述低优先级帧已传输的部分组装成完整的帧；然后在预设的帧间隙后传输所述高优先级帧，待所述高优先级帧传输完成后，将所述低优先级帧剩余部分补全为完整的帧继续传输。
14.可选地，对智能变电站报文流进行带宽分类的方程式为：
15.s＝(l
preamble
+l
sfd
+l
data
+l
ifg
)
·fsample
·f·
n。
16.另一方面，本发明提供一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度系统，包括：调度模块和分类模块；
17.所述调度模块用于基于tsn特性，获得交换机流量调度机制；
18.所述分类模块用于基于所述交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和所述智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。
19.可选地，所述调度模块包括：流量排队单元和帧抢占单元；
20.所述流量排队单元用于基于802.1qbv协议，通过控制交换机出口处闸门的开关来控制排队流量，获得流量排队机制；
21.所述帧抢占单元用于基于802.1qbu协议和802.3br协议，对流量在传输通道中的优先级别进行划分，获得帧抢占机制。
22.本发明公开了以下技术效果：
23.本发明将时间敏感网络用于智能变电站，借助802.1qbv、802.1qbu和802.3br协议改变并优化了交换机的流量调度机制，不仅可以使得数据包在链路上传输发生拥塞和碰撞的机会大大降低，还能够保证时间敏感的流量为电网提供稳定、可靠、低时延的服务。
24.本发明对智能变电站的报文按照时间敏感度进行分类，以便流可以更好的适应智能变电站的流量调度机制。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例一中一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法的流程示意图；
27.图2为本发明实施例一中802.1qbv协议下闸门开关控制流量排队示意图；
28.图3为本发明实施例一中802.1qbu、802.3br协议下干扰帧切片、保护示意图；
29.图4为本发明实施例一中tsn交换机流量调度示意图；
30.图5为本发明实施例一中tsn交换机智能变电站组网示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.实施例一
34.本发明提供一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，如图1所示，包括以下步骤：
35.s1、基于tsn特性，建立交换机流量调度机制。
36.流量调度是tsn的核心概念，根据时间同步协议802.1as提供的全局时间基准，创建调度任务并将其分发给参与的网络器件。将分为以下三个部分来实现：
37.(1)802.1qbv协议作用下的流量排队机制
38.如图2所示，802.1qbv定义了通过控制tsn交换机出口处闸门的开关来控制排队流量的机制，这些队列中的消息将在预设的时间窗口中进行传输。通常，在这些时间窗口内，其他队列的传输将被阻止，从而避免被调度流量被非调度流量阻塞，这样保证数据通过交换机的延迟是确定的。
39.(2)802.1qbu、802.3br协议作用下的帧抢占机制
40.如图3所示，虽然qbv的机制能保护关键消息免受其他流量的干扰，但它不完全能实现最佳带宽使用和最小通讯延迟。如果这些因素对于需要传输的数据很重要，可以采用802.1qbu和802.3br所定义的帧抢占机制来保障，它们共同定义了帧抢占机制以解决优先级反转问题，802.3br定义了mac(数据链路层)合并子层，以及帧抢占的切片操作、切片还原和验证等核心功能。802.1qbu协议提供了抢占接口及模块级别的定义.若端口上高优先级帧到达时低优先级帧正在传输，首先判断低优先级帧已传输的部分和剩余部分是否均大于等于以太网的最小帧长(60b)，若满足则允许切片操作：中断低优先级帧的传输，并将低优先级帧已传输的部分补上校验和组装成完整的帧，然后在1个帧间隙后传输高优先级帧，待高优先级帧传输完成后低优先级帧剩余部分补全为完整的帧继续传输。与保护带机制相比，帧抢占机制减少了带宽浪费。
41.(3)802.1qbv、802.1qbu和802.3br协议共同作用下的流量调度
42.基于以上，借助tsn下的qbv、qbu和br技术对变电站中交换机以往的流量调度方式进行优化。提出了将门控列表用于mac(数据链路层)中流量的调度开关，并在其合并子层实现分类和合并高速帧与低速帧，具体如图4所示。vlan(虚拟局域网)的8个优先级分别为q0至q7，队列的闸门是一个8bit的控制开关，对应位置的1/0代表对应的队列的闸门的开/关，使得时间敏感流在经过门控时是可以被调度的。通过qbv的传输选择后，qbu把以太网帧分为高速帧和低速帧，允许高速帧抢占低速帧，最后在mac合并子层控制模块再把被抢占的碎帧利用sfd(start of the frame delimiters)进行合并重组恢复成完整的数据帧出去。
43.s2、基于交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。
44.为了让qbv、qbu和br技术能够生效，首先需要按照时间敏感度对流进行分类，根据表1描述的变电站业务的类别和对时延的要求，通过802.1q的优先级可以划分出若干个时间敏感流和非时间敏感流。通常变电站中传输的报文所需带宽按照式(1)计算。
45.s＝(l
preamble
+l
sfd
+l
data
+l
ifg
)
·fsample
·f·nꢀꢀ
(1)
46.式中：l
preamble
、l
sfd
、l
data
、l
ifg
分别表示以太帧前导码、帧起始符、数据、帧间隔的长度；f
sample
表示采样点，包括测量电流和电压等原始数据；f表示交流电频率，一般固定值为50；n表示终端数量。按照iec618509-2规约标准，对于sv报文，按照80点/周期采样，单路采样数据量为80
×
50
×
984bit，带宽约为3.936mbps，按照200点/周期采样，带宽约9.84mbps；对于goose报文，按照5s的周期发送，最大l
data
长度为500字节，单路数据量为(56+8+500/5
×
8+96)bit，带宽约为960bps。可见goose报文所需带宽远远小于sv报文的。可见将goose报文流适合作为时间敏感流，在一定条件下sv报文流也可以选为时间敏感流来处理。
47.表1
[0048][0049]
如图5所示，本发明采用将时隙窗口独占和共享的思想用在流量传输时间上，采用帧抢占的机制用在流量传输通道中，根据流量特性实现流量分类，用来改进智能变电站的过程层对传统交换机的流量调度机制，提升确定时间敏感流量性时延调度的效果，为智能变电站的以太网网络提供具有低时延抖动的流量传输服务，为电力系统的服务质量(qos)的提升提出了一个新思路。
[0050]
实施例二
[0051]
本发明提供一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度系统，包括：调度模块和分类模块；
[0052]
调度模块用于基于tsn特性，获得交换机流量调度机制；
[0053]
调度模块包括：流量排队单元和帧抢占单元；
[0054]
流量排队单元用于基于802.1qbv协议，通过控制交换机出口处闸门的开关来控制排队流量，获得流量排队机制；
[0055]
帧抢占单元用于基于802.1qbu协议和802.3br协议，对流量在传输通道中的优先级别进行划分，获得帧抢占机制。
[0056]
分类模块用于基于所述交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和所述智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。
[0057]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发
明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法,其特征在于，包括：基于tsn特性，建立交换机流量调度机制；基于所述交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和所述智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。2.根据权利要求1所述的基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，其特征在于，所述交换机流量调度机制包括：流量排队机制和帧抢占机制。3.根据权利要求2所述的基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，其特征在于，建立流量排队机制的方法包括：基于802.1qbv协议，通过控制交换机出口处闸门的开关来控制排队流量，获得流量排队机制。4.根据权利要求2所述的基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，其特征在于，建立帧抢占机制的方法包括：基于802.1qbu协议和802.3br协议，对流量在传输通道中的优先级别进行划分，获得帧抢占机制。5.根据权利要求4所述的基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，其特征在于，对流量在传输通道中的优先级别进行划分的方法包括：将所述流量的以太网帧划分为高优先级帧和低优先级帧；若交换机端口上所述高优先级帧到达时所述低优先级帧正在传输，首先判断所述低优先级帧已传输的部分和剩余部分是否均大于等于以太网的最小帧长，若满足则中断所述低优先级帧的传输，并将所述低优先级帧已传输的部分组装成完整的帧；然后在预设的帧间隙后传输所述高优先级帧，待所述高优先级帧传输完成后，将所述低优先级帧剩余部分补全为完整的帧继续传输。6.根据权利要求1所述的基于tsn的智能变电站交换机流量调度方法，其特征在于，对智能变电站报文流进行带宽分类的方程式为：s＝(l
preamble
+l
sfd
+l
data
+l
ifg
)
·
f
sample
·
f
·
n。7.一种基于tsn的智能变电站交换机流量调度系统,其特征在于，包括：调度模块和分类模块；所述调度模块用于基于tsn特性，获得交换机流量调度机制；所述分类模块用于基于所述交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和所述智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。8.根据权利要求7所述的基于tsn的智能变电站交换机流量调度系统，其特征在于，所述调度模块包括：流量排队单元和帧抢占单元；所述流量排队单元用于基于802.1qbv协议，通过控制交换机出口处闸门的开关来控制排队流量，获得流量排队机制；所述帧抢占单元用于基于802.1qbu协议和802.3br协议，对流量在传输通道中的优先级别进行划分，获得帧抢占机制。

技术总结
本发明公开一种基于TSN的智能变电站交换机流量调度方法及系统，包括以下步骤：基于TSN特性，建立交换机流量调度机制；基于所述交换机流量调度机制、智能变电站业务的类别和所述智能变电站业务对时延的要求，对智能变电站报文流进行带宽分类，获得智能变电站交换机流量调度。本发明将时间敏感网络用于智能变电站，借助802.1Qbv、802.1Qbu和802.3br协议改变并优化了交换机的流量调度机制，不仅可以使得数据包在链路上传输发生拥塞和碰撞的机会大大降低，还能够保证时间敏感的流量为电网提供稳定、可靠、低时延的服务。低时延的服务。低时延的服务。


技术研发人员：龚钢军 袁琳琳 强仁 孟芷若 刘韧 苏畅
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/5/25