信息技術系統間遠程通信和信息交換基于SDN的網絡聯合調度2022-05-01實施國家標準化管理委員會I前言 2規范性引用文件 3術語和定義 14縮略語 15聯合調度結構 26聯合調度流程 6.1聯合調度總體流程 36.2路由設備通信資源分配的流程 46.3現場設備通信資源分配流程 5 67聯合調度東西向接口 77.1概述 77.2獲取拓撲信息 87.3獲取設備信息 97.4設置超幀信息 7.5設置鏈路信息 7.6設置路由信息 7.7設置地址映射表 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。本文件由全國信息技術標準化技術委員會(SAC/TC28)提出并歸口。本文件起草單位：重慶郵電大學、中國電子技術標準化研究院、重慶郵電大學工業互聯網研究院、國網湖北省電力有限公司電力科學研究院、中國互聯網絡信息中心、北京東土科技股份有限公司、重慶川儀自動化股份有限公司、江蘇賽西科技發展有限公司、中國電子技術標準化研究院華東分院、深圳賽西信息技術有限公司、重慶集成天智機器人有限公司、上海交通大學、東北大學。IV本文件的發布機構提請注意，聲明符合本文件時，可能涉及6.4、7.2～7.7與“基于SDN的WIA-PA現場網絡/IPv6回程網絡聯合調度方法”(專利號：ZL201610981753.4)和“SDN-BasedWIA-PAFieldNetwork/IPV6BackhaulNetworkJointSchedulingMethod"(專利號：US10306706B2)相關的專利的使用。本文件的發布機構對于該專利的真實性、有效性和范圍無任何立場。該專利持有人已向本文件的發布機構承諾，他愿意同任何申請人在合理且無歧視的條款和條件下，就專利授權許可進行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發布機構備案。相關信息可以通過以下聯系方式獲得：專利持有人姓名：重慶郵電大學地址：重慶市南岸區崇文路2號請注意除上述專利外，本文件的某些內容仍可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。1信息技術系統間遠程通信和信息交換基于SDN的網絡聯合調度本文件規定了工業場景下基于SDN的網絡聯合調度結構、聯合調度流程和聯合調度接口。本文件適用于工業場景下基于SDN的網絡調度方案設計、實施部署。2規范性引用文件本文件沒有規范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。周期性重復的時隙集合。網絡中交換數據所采用的基本時間單位。網絡聯合調度networkjointscheduling對多個工業網絡的統一管理和調度。4縮略語下列縮略語適用于本文件。HTTP:超文本傳輸協議(HyperTextTransferProtocol)IPv6:互聯網協議第6版(InternetProtocolVersion6)MAC:媒體訪問控制(MediumAccessControl)SDN:軟件定義網絡(SoftwareDefinedNetwork)UAO:用戶應用對象(UserApplicationObject)URL:統一定位標識符(UniformResourceLocator)VCR:虛擬通信關系標識符(VirtualCommunicationRelationshipIdentifier)WIA-PA:工業自動化無線網絡-過程自動化(WirelessNetworksforIndustrialAutomationProcessAutomation)XML:可擴展置標語言(ExtensibleMarkupLanguage)25聯合調度結構基于SDN的網絡聯合調度主要在工業無線網絡和工業回程網絡調度流程的基礎上，將工業無線網絡和工業回程網絡的資源配置集中歸納到SDN聯合調度器，實現通信資源的統一調度和配置。其中，工業無線網絡部署在工業現場，完成現場信息的無線傳輸；工業回程網絡作為骨干網絡，將各個工業無線網絡相連，并支持IPv6協議。工業無線網絡通過網關接入工業回程網絡?；赟DN的網絡聯合調度結構由轉發層、控制層和應用接口層組成。a)轉發層：由工業無線網絡和工業回程網絡中的各類網絡設備組成，包括SDN交換機、網關、路由設備和現場設備。工業回程網絡中SDN交換機的路由轉發策略由SDN聯合調度器下發。SDN交換機將SDN聯合調度器做出的管理決策轉發至網關、路由設備和現場設備。b)控制層：由工業無線網絡管理器和SDN聯合調度器組成。工業無線網絡管理器是用于配置工業無線網絡的網絡資源的設備，SDN聯合調度器是用于配置工業無線網絡和工業回程網絡的網絡資源的設備，SDN聯合調度器可統一配置管理工業無線網絡管理器。c)應用接口層：為使用者提供工業無線網絡各類資源的統一接口。應用接口層可通過北向接口對工業無線網絡現場設備配置路由資源、鏈路資源、超幀資源和VCR資源，對路由設備和網關配置路由資源、鏈路資源和超幀資源?；赟DN的網絡聯合調度包括北向接口、東西向接口和南向接口?？刂茖优c轉發層之間通過南向接口進行信息交互，控制層與應用接口層通過北向接口連接，SDN聯合調度器與工業無線網絡管理器之間通過東西向接口連接。聯合調度相關接口見圖1。工業無線網絡采用其網絡管理器所定義的南向接口，工業回程網絡采用支持IPv6協議的SDN南向接口，控制層與應用接口層之間采用支持應用調度需求傳遞的北向接口。本文件不涉及南向接口和北向接口的要求。轉發層--應用N北向接口東西向接口南向接π(工業回程網絡東西向接口南向接π北向接口南向接門應用1應用2工業無線網絡工業無線網絡工業無線網絡圖1聯合調度相關接口SDN聯合調度器工業無線網絡管理器網關路由設備現場設備36聯合調度流程6.1聯合調度總體流程工業無線網絡管理器為新入網路由設備和新入網現場設備分配通信資源后，工業無線網絡管理器向SDN聯合調度器發起跨網傳輸請求，SDN聯合調度器對現場設備、路由設備和網關分配通信資源。圖2示出的聯合調度流程說明如下。a)工業無線網絡管理器初始化時，與SDN聯合調度器建立連接。b)SDN聯合調度器收到跨網傳輸請求后，向工業無線網絡管理器發送獲取拓撲信息請求。工業無線網絡管理器在收到該請求后，將自身存儲的拓撲信息反饋至SDN聯合調度器。c)SDN聯合調度器收到拓撲信息后，根據跨網傳輸需求和預設的調度算法計算工業無線網絡資源分配信息。計算完成后，SDN聯合調度器首先通過配置路由表請求為路由設備配置路由表，路由設備完成路由表配置后，路由設備發送配置路由表響應，工業無線網絡管理器將響應轉發至SDN聯合調度器。d)SDN聯合調度器完成路由設備的路由表配置后，通過配置超幀表請求為路由設備配置超幀表，路由設備完成超幀表配置后，路由設備發送配置超幀表響應，工業無線網絡管理器將響應轉發至SDN聯合調度器。e)SDN聯合調度器完成路由設備的超幀表配置后，通過配置鏈路表請求為路由設備配置鏈路表，路由設備完成鏈路表配置后，路由設備發送配置鏈路表響應，工業無線網絡管理器將響應轉發至SDN聯合調度器。f)SDN聯合調度器完成路由設備的資源配置后，通過類似的步驟為現場設備依次配置超幀表和鏈路表。g)SDN聯合調度器完成現場設備和路由設備的資源配置后，向網關發送IPv6地址映射表，網關配置IPv6地址映射表完成之后，網關發送配置IPv6地址映射表響應，工業無線網絡管理器將響應轉發至SDN聯合調度器。h)SDN聯合調度器根據全網拓撲信息計算工業回程網絡路徑，并生成雙向流表下發到SDN交換機。i)SDN聯合調度器完成全部設備的資源配置后，向路由設備和現場設備發送配置完成標識。當路由設備和現場設備收到配置完成標識后，發送配置完成響應，工業無線網絡管理器將響應轉發給SDN聯合調度器。4路由設備網關工業無線網絡管理器一發送配置路由表響應-轉發配置路山表響應一—轉發配置路出表響應→—配置超幀表發送配置超幀表響應一—轉發超幀表一一轉發配置超幀表響應一—轉發配置超幀表響應→一發送配置鏈路表響應一—轉發鏈路表一—轉發置鏈路表響應一一轉發配置鏈路表響應→—置超幀表一-發送配置超幀表響應一-轉發配置超幀表響應→一轉發配置超幀表響應一一轉發配置超幀表響應→—轉發鏈路表一—轉發鏈路表一發送配置鏈路表響應一轉發配置鏈路表響應一—轉發配置鏈路表響應一映射表響應—轉發配置鏈路表響應一一配置IPv6地址映射表一轉發配置IPv6地址映射表響應—發送配置完成標識一—轉發配置完成標識一—轉發配置完成標識一發送配置完成響應—一轉發配置完成響應一一轉發配置完成響應—一發送配置完成標識—-轉發配置完成標識一—轉發配置完成標識一-轉發配置完成標識發送配置完成響應一-轉發配置完成響應一-轉發配置完成響應一-轉發配置完成響應一圖2聯合調度流程圖6.2路由設備通信資源分配的流程工業無線網絡管理器為路由設備分配通信資源的流程見圖3。簡要說明如下：a)新入網路由設備首先將鄰居設備信息匯報給工業無線網絡管理器；b)工業無線網絡管理器根據收到的鄰居設備信息計算路由，發送配置路由表請求至新入網路由設備；c)路由設備在接收路由表后，修改自身的路由表，并回復路由表響應；d)工業無線網絡管理器收到配置路由表響應后，計算網絡中的時隙資源和信道資源，生成配置超幀請求下發到新入網路由設備；e)新入網路由設備完成配置超幀表后，回復配置超幀響應至工業無線網絡管理器；5f)工業無線網絡管理器收到配置超幀響應后，計算網絡中的時隙資源和信道資源，生成配置鏈路請求下發到新入網路由設備；g)新入網路由設備完成配置鏈路表后，回復配置鏈路響應至工業無線網絡管理器；h)網絡設備完成配置超幀表和鏈路表后，回復配置結果；i)工業無線網絡管理器在完成路由表、超幀表和鏈路表的配置后，向新入網路由設備發送配置完成標識；j)新入網路由設備收到標識后開始正常運行。新入網路由設備路由設備工業無線網絡管理器一匯報鄰居信息請求--轉發匯報鄰居信息請求—-配置路山表響應一—轉發配置路出表請求一—轉發配置路山表響應———轉發配置超幀請求一一轉發配置超幀響應一-轉發配置鏈路請求一一轉發配置超幀響應--配置鏈路請求一—配置鏈路響應一—轉發配置完成標識一—配置完成標識響應——轉發配置完成標識一—轉發配置鏈路響應一圖3路由設備資源分配流程6.3現場設備通信資源分配流程工業無線網絡管理器為現場設備分配通信資源的流程見圖4。簡要說明如下：a)新入網現場設備首先將鄰居設備信息匯報給工業無線網絡管理器；b)工業無線網絡管理器根據收到的鄰居設備信息計算路由，發送配置路由表請求至新入網現場設備；c)新入網現場設備在接收路由表后，修改自身的路由表，并回復配置路由表響應；d)工業無線網絡管理器收到配置路由表響應后，計算網絡中的時隙資源和信道資源，生成配置超幀請求下發到新入網現場設備；e)新入網現場設備完成配置超幀表后，回復配置超幀響應至工業無線網絡管理器；f)工業無線網絡管理器收到配置超幀響應后，計算網絡中的時隙資源和信道資源，生成配置鏈路請求下發到新入網現場設備；g)新入網現場設備完成配置鏈路表后，回復配置鏈路響應至工業無線網絡管理器；h)工業無線網絡管理器收到配置鏈路響應后，生成讀取UAO請求下發到新入網現場設備；i)新入網現場設備回復讀取UAO響應至工業無線網絡管理器；j)工業無線網絡管理器收到讀取UAO響應后，生成配置VCR請求下發到新入網現場設備；k)新入網現場設備配置VCR信息，回復配置VCR響應至工業無線網絡管理器；61)工業無線網絡管理器完成資源配置后，向新入網現場設備發送配置完成標識；m)新入網現場設備收到標識后應開始正常運行。路由設備網關網絡管理器—匯報鄰居信息請求一—轉發配置路由表請求一—轉發配置超幀請求一—配置超恢響應--轉發配置鏈路請求一一配置鏈路響應一-轉發配置完成標識一配置完成標識響應——轉發匯報鄰居信息請求—更新請求一路由、趙幀、鏈路史新響應→-轉發配置超幀響應一-轉發配置鏈路響應——轉發UAO讀取請求一—轉發UAO讀取響應一一轉發配置完成標識響應一—轉發匯報鄰居信息請求—一路山、超幀、鏈路更新請求一更新響應-配置路由表請求—-轉發配置路由表響應——配置超幀請求——配置鏈路請求一一轉發UAO讀取響應一—轉發VCR配置響應一—配置完成標識一-轉發配置完成標識響應一圖4為現場設備分配資源的流程6.4IPv6協議轉換基于SDN的網絡聯合調度中跨網工業數據需要經過協議轉換進入IPv6網絡中，網關在空間位置上位于工業無線網絡和IPv6網絡的交際處，將IPv6協議數據與工業無線網絡協議數據進行轉換。SDN聯合調度器為每個工業無線網絡管理器分配一個16位網絡標識符PAN_ID(個域網地址)。PAN_ID與WIA-PA網絡之間建立映射關系。使用PAN_ID和設備短地址的組合唯一地標識設備。PAN_ID的格式、短地址的格式以及PAN_ID和設備短地址組合形式如下：a)PAN_ID:由16位組成，用于標識網絡；b)短地址：由16位組成，由工業無線網絡管理器進行分配；c)PAN_ID和設備短地址組合形式：由(PAN_ID,短地址)唯一標識網絡中的設備。SDN聯合調度器將包含源網關IPv6地址、目的網關IPv6地址和源網絡路由ID(RouteID)、目的網絡RouteID的IPv6地址映射表發送至網關。網關通過維護IPv6地址映射表，確定目的網絡的IPv6地7址和目的網絡設備地址。SDN聯合調度器識別出工業無線網絡數據流，根據工業無線網絡中數據流的類型對數據流進行相應的資源分配。網關將工業無線網絡數據包的RouteID和優先級填入IPv6頭部的流標簽域(見圖5)。工業無線網絡中采用RouteID用于標識一條數據流，根據RouteID識別一條工業數據流，通過通信類別域和流標簽域實現QoS服務保障。優先級用于表示基于數據類型重要程度的工業網絡數據包的傳輸優先等級。TPv6頭部結構數據位4位4位20位16位8位8位128位數據內容版本號通信類別流標簽域載荷長度下一報頭跳數限制數據位16位4位數據內容RouteID優先級網關的IPv6協議轉換涉及源網關和目的網關。網關收到SDN聯合調度器配置的RouteID和IPv6地址映射后啟動協議轉換。轉換過程如下：a)源網關接收到網內設備工業無線網絡數據包，從數據包中解析出RouteID和優先級信息；然后根據RouteID在IPv6地址映射表中查找相應目的網關IPv6地址；b)源網關向目的網關發送工業無線網絡數據包，進行IPv6格式封裝，將RouteID和優先級填入IPv6頭部的流標簽域，不足字節用零填充；c)目的網關從工業回程網中接收到源網關IPv6數據包時，首先從IPv6頭部提取RouteID,根據RouteID尋找到數據包在該網絡域中的調度路徑，然后開始后續調度流程。7聯合調度東西向接口7.1概述聯合調度東西向接口見表1。表1聯合調度東西向接口接口方法獲取拓撲信息GET(向指定資源發出獲取請求)獲取設備信息GET(向指定資源發出獲取請求)設置路由信息POST(向指定資源提交信息)設置超幀信息POST(向指定資源提交信息)設置鏈路信息POST(向指定資源提交信息)設置地址映射表POST(向指定資源提交信息)聯合調度東西向接口的報文傳輸規范采用HTTP協議。請求報文包含請求行、消息報頭和請求數據三個請求報文字段，見表2。響應報文包含狀態行、消息報頭和響應數據三個響應報文字段，見表3。內容默認用XML描述。8表2請求報文格式請求報文字段內容說明請求行Request-methodURLVersionRequest-method,支持GET或POST,見表1;URL為統一資源定位符；Version為HTTP協議版本號，所采用的版本號為1.1消息報頭Content-Type:application/xmlAccept:application/xmlContent-Length:valueContent-Type為請求數據的描述，格式默認為XML;Accept為接收數據的描述，格式默認為XML;Content-Length為請求數據內容的長度，當調用者未填入請求報文時，Content-Length為0請求數據具體說明見表9、表12、表14、表16表3響應報文格式響應報文字段內容說明狀態行表示響應狀態消息報頭Content-Type:application/xmlAccept:application/xmlContent-Length:valueContent-Type為回復數據的描述，格式默認為XML;Accept為接收數據的描述，格式默認為XML;Content-Length為回復數據內容的長度，當調用者未填入響應數據時，value為0響應數據具體說明見表5、表77.2獲取拓撲信息SDN聯合調度器調用獲取拓撲信息接口時，使用HTTP協議中的GET方法，協議版本號為1.1,URL為/device/topology。拓撲獲取請求接口報文格式見表4。響應數據格式見表5,回復信息采用XML描述，其中字段0、字段1、字段2和字段3等都是XML元素，從字段0到字段3是元素包含關系，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,上述字段元素均擁有相應的屬性。表4拓撲信息獲取請求請求報文格式內容說明請求行GET/device/topologyHTTP/1.1拓撲請求命令消息報頭Content-Type:application/xmlContent-Type為請求數據的描述，格式默認為XMLAccept:application/xmlAccept為接收數據的描述，格式默認為XMLContent-Length:valueContent-Length為請求數據內容的長度，當調用者未填入請求報文時，Content-Length為0請求數據9表5拓撲信息響應數據說明字段0字段1字段2字段3說明該字段為源節點設備短地址當category值為1時，表示設備類型為網關；值為2時，表示設備類型為路由；值為3時，表示設備類型為傳感器或者執行器該字段為目的節點設備短地址當category值為1時，表示設備類型為網關；值為2時，表示設備類型為路由；值為3時，表示設備類型為傳感器或者執行器該字段為源節點設備短地址當category值為1時，表示設備類型為網關；值為2時，表示設備類型為路由；值為3時，表示設備類型為傳感器或者執行器該字段為目的節點設備短地址當category值為1時，表示設備類型為網關；值為2時，表示設備類型為路由；值為3時，表示設備類型為傳感器或者執行器7.3獲取設備信息SDN聯合調度器調用獲取拓撲信息接口時，使用HTTP協議中的GET方法，協議版本號為1.1,其URL為/ShortAddress/Property。請求報文格式見表6,響應數據報文格式見表7。表6設備信息獲取請求請求報文格式內容說明請求行GET/ShortAddress/PropertyHTTP/1.1拓撲請求命令消息報頭Content-Type:application/xmlContent-Type為請求數據的描述，格式默認XMLAccept:application/xmlAccept為接收數據的描述，格式默認為XMLContent-Length:valueContent-Length為請求數據內容的長度，當調用者未填入請求報文時，Content-Length為0請求數據表7設備信息響應數據說明字段0字段1說明shortAddressshortAddress元素表示該長地址設備對應的短地址PropertyProperty表示MAC地址、路由、鏈路、超幀等結構化屬性7.4設置超幀信息SDN聯合調度器調用設置超幀信息接口時，使用HTTP協議中的POST方法，協議版本號為1.1,其URL為/device/ShortAddress/superframe。請求報文格式見表8,請求數據報文格式見表9,響應報文格式見表10。表8設置超幀信息請求報文請求報文格式內容說明請求行POST/device/ShortAddress/superframeHTTP/1.1超幀信息設置請求消息報頭Content-Type:application/xmlContent-Type為請求數據的描述，格式默Accept:application/xmlAccept為接收數據的描述，格式默認Content-Length:valueContent-Length為請求數據內容的長度，當調用者未填入請求報文時，Content-Length為0請求數據具體說明見表9表9設置超幀請求數據說明字段0字段1說明SperframeID超幀IDSperframeMultiple數據更新周期與最大周期比值numberSlots超幀長度activeSlot絕對時隙號activeFlag超幀激活標志表10設置信息響應報文響應報文格式內容說明狀態行HTTP/1.1200OK表示成功響應，響應失敗時會直接返回出錯信息消息報頭Content-Type:application/xmlContent-Type為響應數據的描述，格式默認為XMLAccept:application/xmlAccept為接收數據的描述，格式默認為XMLContent-Length:valueContent-Length為響應數據內容的長度7.5設置鏈路信息SDN聯合調度器調用設置鏈路信息接口時，使用HTTP協議中的POST方法，協議版本號為1.1,其URL為/device/ShortAddress/link。請求報文格式見表11,響應報文格式見表10,請求數據報文格式見表12。表11設置鏈路信息請求報文請求報文格式內容說明請求行POST/device/ShortAddress/linkHTTP/1.1鏈路信息設置請求消息報頭Content-Type:application/xmlContent-Type為請求數據的描述，格式默Accept:application/xmlAccept為接收數據的描述，格式默認Content-Length:valueContent-Length為響應數據內容的長度請求數據具體說明見表12表12設置鏈路請求數據說明字段0字段1字段2說明表示link元素的個數該條鏈路唯一標識NeighborlD鄰居設備ID相對時隙號RelativeSlo