(高清版)GBT 40696-2021 信息技术 系统间远程通信和信息交换 基于SDN的网络联合调度

信息技术系统间远程通信和信息交换基于SDN的网络联合调度2022-05-01实施国家标准化管理委员会I前言 2规范性引用文件 3术语和定义 14缩略语 15联合调度结构 26联合调度流程 6.1联合调度总体流程 36.2路由设备通信资源分配的流程 46.3现场设备通信资源分配流程 5 67联合调度东西向接口 77.1概述 77.2获取拓扑信息 87.3获取设备信息 97.4设置超帧信息 7.5设置链路信息 7.6设置路由信息 7.7设置地址映射表 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口。本文件起草单位：重庆邮电大学、中国电子技术标准化研究院、重庆邮电大学工业互联网研究院、国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、中国互联网络信息中心、北京东土科技股份有限公司、重庆川仪自动化股份有限公司、江苏赛西科技发展有限公司、中国电子技术标准化研究院华东分院、深圳赛西信息技术有限公司、重庆集成天智机器人有限公司、上海交通大学、东北大学。IV本文件的发布机构提请注意，声明符合本文件时，可能涉及6.4、7.2～7.7与“基于SDN的WIA-PA现场网络/IPv6回程网络联合调度方法”(专利号：ZL201610981753.4)和“SDN-BasedWIA-PAFieldNetwork/IPV6BackhaulNetworkJointSchedulingMethod"(专利号：US10306706B2)相关的专利的使用。本文件的发布机构对于该专利的真实性、有效性和范围无任何立场。该专利持有人已向本文件的发布机构承诺，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下，就专利授权许可进行谈判。该专利持有人的声明已在本文件的发布机构备案。相关信息可以通过以下联系方式获得：专利持有人姓名：重庆邮电大学地址：重庆市南岸区崇文路2号请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。1信息技术系统间远程通信和信息交换基于SDN的网络联合调度本文件规定了工业场景下基于SDN的网络联合调度结构、联合调度流程和联合调度接口。本文件适用于工业场景下基于SDN的网络调度方案设计、实施部署。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。周期性重复的时隙集合。网络中交换数据所采用的基本时间单位。网络联合调度networkjointscheduling对多个工业网络的统一管理和调度。4缩略语下列缩略语适用于本文件。HTTP:超文本传输协议(HyperTextTransferProtocol)IPv6:互联网协议第6版(InternetProtocolVersion6)MAC:媒体访问控制(MediumAccessControl)SDN:软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork)UAO:用户应用对象(UserApplicationObject)URL:统一定位标识符(UniformResourceLocator)VCR:虚拟通信关系标识符(VirtualCommunicationRelationshipIdentifier)WIA-PA:工业自动化无线网络-过程自动化(WirelessNetworksforIndustrialAutomationProcessAutomation)XML:可扩展置标语言(ExtensibleMarkupLanguage)25联合调度结构基于SDN的网络联合调度主要在工业无线网络和工业回程网络调度流程的基础上，将工业无线网络和工业回程网络的资源配置集中归纳到SDN联合调度器，实现通信资源的统一调度和配置。其中，工业无线网络部署在工业现场，完成现场信息的无线传输；工业回程网络作为骨干网络，将各个工业无线网络相连，并支持IPv6协议。工业无线网络通过网关接入工业回程网络。基于SDN的网络联合调度结构由转发层、控制层和应用接口层组成。a)转发层：由工业无线网络和工业回程网络中的各类网络设备组成，包括SDN交换机、网关、路由设备和现场设备。工业回程网络中SDN交换机的路由转发策略由SDN联合调度器下发。SDN交换机将SDN联合调度器做出的管理决策转发至网关、路由设备和现场设备。b)控制层：由工业无线网络管理器和SDN联合调度器组成。工业无线网络管理器是用于配置工业无线网络的网络资源的设备，SDN联合调度器是用于配置工业无线网络和工业回程网络的网络资源的设备，SDN联合调度器可统一配置管理工业无线网络管理器。c)应用接口层：为使用者提供工业无线网络各类资源的统一接口。应用接口层可通过北向接口对工业无线网络现场设备配置路由资源、链路资源、超帧资源和VCR资源，对路由设备和网关配置路由资源、链路资源和超帧资源。基于SDN的网络联合调度包括北向接口、东西向接口和南向接口。控制层与转发层之间通过南向接口进行信息交互，控制层与应用接口层通过北向接口连接，SDN联合调度器与工业无线网络管理器之间通过东西向接口连接。联合调度相关接口见图1。工业无线网络采用其网络管理器所定义的南向接口，工业回程网络采用支持IPv6协议的SDN南向接口，控制层与应用接口层之间采用支持应用调度需求传递的北向接口。本文件不涉及南向接口和北向接口的要求。转发层--应用N北向接口东西向接口南向接π(工业回程网络东西向接口南向接π北向接口南向接门应用1应用2工业无线网络工业无线网络工业无线网络图1联合调度相关接口SDN联合调度器工业无线网络管理器网关路由设备现场设备36联合调度流程6.1联合调度总体流程工业无线网络管理器为新入网路由设备和新入网现场设备分配通信资源后，工业无线网络管理器向SDN联合调度器发起跨网传输请求，SDN联合调度器对现场设备、路由设备和网关分配通信资源。图2示出的联合调度流程说明如下。a)工业无线网络管理器初始化时，与SDN联合调度器建立连接。b)SDN联合调度器收到跨网传输请求后，向工业无线网络管理器发送获取拓扑信息请求。工业无线网络管理器在收到该请求后，将自身存储的拓扑信息反馈至SDN联合调度器。c)SDN联合调度器收到拓扑信息后，根据跨网传输需求和预设的调度算法计算工业无线网络资源分配信息。计算完成后，SDN联合调度器首先通过配置路由表请求为路由设备配置路由表，路由设备完成路由表配置后，路由设备发送配置路由表响应，工业无线网络管理器将响应转发至SDN联合调度器。d)SDN联合调度器完成路由设备的路由表配置后，通过配置超帧表请求为路由设备配置超帧表，路由设备完成超帧表配置后，路由设备发送配置超帧表响应，工业无线网络管理器将响应转发至SDN联合调度器。e)SDN联合调度器完成路由设备的超帧表配置后，通过配置链路表请求为路由设备配置链路表，路由设备完成链路表配置后，路由设备发送配置链路表响应，工业无线网络管理器将响应转发至SDN联合调度器。f)SDN联合调度器完成路由设备的资源配置后，通过类似的步骤为现场设备依次配置超帧表和链路表。g)SDN联合调度器完成现场设备和路由设备的资源配置后，向网关发送IPv6地址映射表，网关配置IPv6地址映射表完成之后，网关发送配置IPv6地址映射表响应，工业无线网络管理器将响应转发至SDN联合调度器。h)SDN联合调度器根据全网拓扑信息计算工业回程网络路径，并生成双向流表下发到SDN交换机。i)SDN联合调度器完成全部设备的资源配置后，向路由设备和现场设备发送配置完成标识。当路由设备和现场设备收到配置完成标识后，发送配置完成响应，工业无线网络管理器将响应转发给SDN联合调度器。4路由设备网关工业无线网络管理器一发送配置路由表响应-转发配置路山表响应一—转发配置路出表响应→—配置超帧表发送配置超帧表响应一—转发超帧表一一转发配置超帧表响应一—转发配置超帧表响应→一发送配置链路表响应一—转发链路表一—转发置链路表响应一一转发配置链路表响应→—置超帧表一-发送配置超帧表响应一-转发配置超帧表响应→一转发配置超帧表响应一一转发配置超帧表响应→—转发链路表一—转发链路表一发送配置链路表响应一转发配置链路表响应一—转发配置链路表响应一映射表响应—转发配置链路表响应一一配置IPv6地址映射表一转发配置IPv6地址映射表响应—发送配置完成标识一—转发配置完成标识一—转发配置完成标识一发送配置完成响应—一转发配置完成响应一一转发配置完成响应—一发送配置完成标识—-转发配置完成标识一—转发配置完成标识一-转发配置完成标识发送配置完成响应一-转发配置完成响应一-转发配置完成响应一-转发配置完成响应一图2联合调度流程图6.2路由设备通信资源分配的流程工业无线网络管理器为路由设备分配通信资源的流程见图3。简要说明如下：a)新入网路由设备首先将邻居设备信息汇报给工业无线网络管理器；b)工业无线网络管理器根据收到的邻居设备信息计算路由，发送配置路由表请求至新入网路由设备；c)路由设备在接收路由表后，修改自身的路由表，并回复路由表响应；d)工业无线网络管理器收到配置路由表响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置超帧请求下发到新入网路由设备；e)新入网路由设备完成配置超帧表后，回复配置超帧响应至工业无线网络管理器；5f)工业无线网络管理器收到配置超帧响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置链路请求下发到新入网路由设备；g)新入网路由设备完成配置链路表后，回复配置链路响应至工业无线网络管理器；h)网络设备完成配置超帧表和链路表后，回复配置结果；i)工业无线网络管理器在完成路由表、超帧表和链路表的配置后，向新入网路由设备发送配置完成标识；j)新入网路由设备收到标识后开始正常运行。新入网路由设备路由设备工业无线网络管理器一汇报邻居信息请求--转发汇报邻居信息请求—-配置路山表响应一—转发配置路出表请求一—转发配置路山表响应———转发配置超帧请求一一转发配置超帧响应一-转发配置链路请求一一转发配置超帧响应--配置链路请求一—配置链路响应一—转发配置完成标识一—配置完成标识响应——转发配置完成标识一—转发配置链路响应一图3路由设备资源分配流程6.3现场设备通信资源分配流程工业无线网络管理器为现场设备分配通信资源的流程见图4。简要说明如下：a)新入网现场设备首先将邻居设备信息汇报给工业无线网络管理器；b)工业无线网络管理器根据收到的邻居设备信息计算路由，发送配置路由表请求至新入网现场设备；c)新入网现场设备在接收路由表后，修改自身的路由表，并回复配置路由表响应；d)工业无线网络管理器收到配置路由表响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置超帧请求下发到新入网现场设备；e)新入网现场设备完成配置超帧表后，回复配置超帧响应至工业无线网络管理器；f)工业无线网络管理器收到配置超帧响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置链路请求下发到新入网现场设备；g)新入网现场设备完成配置链路表后，回复配置链路响应至工业无线网络管理器；h)工业无线网络管理器收到配置链路响应后，生成读取UAO请求下发到新入网现场设备；i)新入网现场设备回复读取UAO响应至工业无线网络管理器；j)工业无线网络管理器收到读取UAO响应后，生成配置VCR请求下发到新入网现场设备；k)新入网现场设备配置VCR信息，回复配置VCR响应至工业无线网络管理器；61)工业无线网络管理器完成资源配置后，向新入网现场设备发送配置完成标识；m)新入网现场设备收到标识后应开始正常运行。路由设备网关网络管理器—汇报邻居信息请求一—转发配置路由表请求一—转发配置超帧请求一—配置超恢响应--转发配置链路请求一一配置链路响应一-转发配置完成标识一配置完成标识响应——转发汇报邻居信息请求—更新请求一路由、赵帧、链路史新响应→-转发配置超帧响应一-转发配置链路响应——转发UAO读取请求一—转发UAO读取响应一一转发配置完成标识响应一—转发汇报邻居信息请求—一路山、超帧、链路更新请求一更新响应-配置路由表请求—-转发配置路由表响应——配置超帧请求——配置链路请求一一转发UAO读取响应一—转发VCR配置响应一—配置完成标识一-转发配置完成标识响应一图4为现场设备分配资源的流程6.4IPv6协议转换基于SDN的网络联合调度中跨网工业数据需要经过协议转换进入IPv6网络中，网关在空间位置上位于工业无线网络和IPv6网络的交际处，将IPv6协议数据与工业无线网络协议数据进行转换。SDN联合调度器为每个工业无线网络管理器分配一个16位网络标识符PAN_ID(个域网地址)。PAN_ID与WIA-PA网络之间建立映射关系。使用PAN_ID和设备短地址的组合唯一地标识设备。PAN_ID的格式、短地址的格式以及PAN_ID和设备短地址组合形式如下：a)PAN_ID:由16位组成，用于标识网络；b)短地址：由16位组成，由工业无线网络管理器进行分配；c)PAN_ID和设备短地址组合形式：由(PAN_ID,短地址)唯一标识网络中的设备。SDN联合调度器将包含源网关IPv6地址、目的网关IPv6地址和源网络路由ID(RouteID)、目的网络RouteID的IPv6地址映射表发送至网关。网关通过维护IPv6地址映射表，确定目的网络的IPv6地7址和目的网络设备地址。SDN联合调度器识别出工业无线网络数据流，根据工业无线网络中数据流的类型对数据流进行相应的资源分配。网关将工业无线网络数据包的RouteID和优先级填入IPv6头部的流标签域(见图5)。工业无线网络中采用RouteID用于标识一条数据流，根据RouteID识别一条工业数据流，通过通信类别域和流标签域实现QoS服务保障。优先级用于表示基于数据类型重要程度的工业网络数据包的传输优先等级。TPv6头部结构数据位4位4位20位16位8位8位128位数据内容版本号通信类别流标签域载荷长度下一报头跳数限制数据位16位4位数据内容RouteID优先级网关的IPv6协议转换涉及源网关和目的网关。网关收到SDN联合调度器配置的RouteID和IPv6地址映射后启动协议转换。转换过程如下：a)源网关接收到网内设备工业无线网络数据包，从数据包中解析出RouteID和优先级信息；然后根据RouteID在IPv6地址映射表中查找相应目的网关IPv6地址；b)源网关向目的网关发送工业无线网络数据包，进行IPv6格式封装，将RouteID和优先级填入IPv6头部的流标签域，不足字节用零填充；c)目的网关从工业回程网中接收到源网关IPv6数据包时，首先从IPv6头部提取RouteID,根据RouteID寻找到数据包在该网络域中的调度路径，然后开始后续调度流程。7联合调度东西向接口7.1概述联合调度东西向接口见表1。表1联合调度东西向接口接口方法获取拓扑信息GET(向指定资源发出获取请求)获取设备信息GET(向指定资源发出获取请求)设置路由信息POST(向指定资源提交信息)设置超帧信息POST(向指定资源提交信息)设置链路信息POST(向指定资源提交信息)设置地址映射表POST(向指定资源提交信息)联合调度东西向接口的报文传输规范采用HTTP协议。请求报文包含请求行、消息报头和请求数据三个请求报文字段，见表2。响应报文包含状态行、消息报头和响应数据三个响应报文字段，见表3。内容默认用XML描述。8表2请求报文格式请求报文字段内容说明请求行Request-methodURLVersionRequest-method,支持GET或POST,见表1;URL为统一资源定位符；Version为HTTP协议版本号，所采用的版本号为1.1消息报头Content-Type:application/xmlAccept:application/xmlContent-Length:valueContent-Type为请求数据的描述，格式默认为XML;Accept为接收数据的描述，格式默认为XML;Content-Length为请求数据内容的长度，当调用者未填入请求报文时，Content-Length为0请求数据具体说明见表9、表12、表14、表16表3响应报文格式响应报文字段内容说明状态行表示响应状态消息报头Content-Type:application/xmlAccept:application/xmlContent-Length:valueContent-Type为回复数据的描述，格式默认为XML;Accept为接收数据的描述，格式默认为XML;Content-Length为回复数据内容的长度，当调用者未填入响应数据时，value为0响应数据具体说明见表5、表77.2获取拓扑信息SDN联合调度器调用获取拓扑信息接口时，使用HTTP协议中的GET方法，协议版本号为1.1,URL为/device/topology。拓扑获取请求接口报文格式见表4。响应数据格式见表5,回复信息采用XML描述，其中字段0、字段1、字段2和字段3等都是XML元素，从字段0到字段3是元素包含关系，即字段0包含字段1、字段1包含字段2、字段2包含字段3,上述字段元素均拥有相应的属性。表4拓扑信息获取请求请求报文格式内容说明请求行GET/device/topologyHTTP/1.1拓扑请求命令消息报头Content-Type:application/xmlContent-Type为请求数据的描述，格式默认为XMLAccept:application/xmlAccept为接收数据的描述，格式默认为XMLContent-Length:valueContent-Length为请求数据内容的长度，当调用者未填入请求报文时，Content-Length为0请求数据9表5拓扑信息响应数据说明字段0字段1字段2字段3说明该字段为源节点设备短地址当category值为1时，表示设备类型为网关；值为2时，表示设备类型为路由；值为3时，表示设备类型为传感器或者执行器该字段为目的节点设备短地址当category值为1时，表示设备类型为网关；值为2时，表示设备类型为路由；值为3时，表示设备类型为传感器或者执行器该字段为源节点设备短地址当category值为1时，表示设备类型为网关；值为2时，表示设备类型为路由；值为3时，表示设备类型为传感器或者执行器该字段为目的节点设备短地址当category值为1时，表示设备类型为网关；值为2时，表示设备类型为路由；值为3时，表示设备类型为传感器或者执行器7.3获取设备信息SDN联合调度器调用获取拓扑信息接口时，使用HTTP协议中的GET方法，协议版本号为1.1,其URL为/ShortAddress/Property。请求报文格式见表6,响应数据报文格式见表7。表6设备信息获取请求请求报文格式内容说明请求行GET/ShortAddress/PropertyHTTP/1.1拓扑请求命令消息报头Content-Type:application/xmlContent-Type为请求数据的描述，格式默认XMLAccept:application/xmlAccept为接收数据的描述，格式默认为XMLContent-Length:valueContent-Length为请求数据内容的长度，当调用者未填入请求报文时，Content-Length为0请求数据表7设备信息响应数据说明字段0字段1说明shortAddressshortAddress元素表示该长地址设备对应的短地址PropertyProperty表示MAC地址、路由、链路、超帧等结构化属性7.4设置超帧信息SDN联合调度器调用设置超帧信息接口时，使用HTTP协议中的POST方法，协议版本号为1.1,其URL为/device/ShortAddress/superframe。请求报文格式见表8,请求数据报文格式见表9,响应报文格式见表10。表8设置超帧信息请求报文请求报文格式内容说明请求行POST/device/ShortAddress/superframeHTTP/1.1超帧信息设置请求消息报头Content-Type:application/xmlContent-Type为请求数据的描述，格式默Accept:application/xmlAccept为接收数据的描述，格式默认Content-Length:valueContent-Length为请求数据内容的长度，当调用者未填入请求报文时，Content-Length为0请求数据具体说明见表9表9设置超帧请求数据说明字段0字段1说明SperframeID超帧IDSperframeMultiple数据更新周期与最大周期比值numberSlots超帧长度activeSlot绝对时隙号activeFlag超帧激活标志表10设置信息响应报文响应报文格式内容说明状态行HTTP/1.1200OK表示成功响应，响应失败时会直接返回出错信息消息报头Content-Type:application/xmlContent-Type为响应数据的描述，格式默认为XMLAccept:application/xmlAccept为接收数据的描述，格式默认为XMLContent-Length:valueContent-Length为响应数据内容的长度7.5设置链路信息SDN联合调度器调用设置链路信息接口时，使用HTTP协议中的POST方法，协议版本号为1.1,其URL为/device/ShortAddress/link。请求报文格式见表11,响应报文格式见表10,请求数据报文格式见表12。表11设置链路信息请求报文请求报文格式内容说明请求行POST/device/ShortAddress/linkHTTP/1.1链路信息设置请求消息报头Content-Type:application/xmlContent-Type为请求数据的描述，格式默Accept:application/xmlAccept为接收数据的描述，格式默认Content-Length:valueContent-Length为响应数据内容的长度请求数据具体说明见表12表12设置链路请求数据说明字段0字段1字段2说明表示link元素的个数该条链路唯一标识NeighborlD邻居设备ID相对时隙号RelativeSlo