面向电力控制类业务的流量分类及编排方法和装置

技术领域

本发明属于数据通信技术领域，具体涉及面向电力控制类业务的流量分类及编排方法和装置。

背景技术

电力通信作为分布式能源高效运用的重要部分，已经广泛的应用到电网运行的各个环节，大大提高了电网运行的智能化水平，使电网高效、稳定、安全运行，并且将电力通信技术应用到电网当中，还有利于降低电网运行的成本。

电力通信网的基本组成包括电力骨干通信网、电力厂站实时监控网以及电力通信接入网等，各类网络均需要在一定程度上满足电力业务的时间同步、通信服务质量保障、网络冗余、网络安全等确定性通信需求。电力行业中数据传输方案应用场景总体上可以划分为：采集、控制和电力业务信息传递三大类。在控制类应用场景中，随着分布式能源调控、负荷精确控制等应用的发展，智能分布式配电自动化、精准负荷控制、分布式能源调控以及移动现场施工作业管控等关键控制业务对通信系统的确定性、实时性和可靠性提出了极高的要求，时延的需求将达到ms级。

目前，电网通信网在发展光通信的基础上逐渐发展了语音交换网、数据网、时钟同步网以及电力载波网等，成为电力通信的主要方式，并且还发展了卫星通信和公共通信作为应急通信方式和辅助通信方式。随着技术水平的不断提高，光通信技术已经在继电保护、全自动装置以及自动化等方面进行了广泛的应用，有效解决了原有通信条件的限制，大大提高了通道的可靠性。并且目前为止，传输网、数据网、视频会议等系统已经逐渐得到全面的覆盖，大大提高了通信资源的共享性。另外，这还有效解决了同一变电站重复建设的问题，节约了建设的成本。公网通信作为电力通信的主要组成部分，主要应用在应急通道、日常办公、营销自动化以及农网信息化等方面。但是，由于公网通信主要是面相社会大众的，因此，还没有制定专门针对电力企业工业化控制以及信息安全需要的技术服务，导致在实际的使用中会出现一些网络不稳定、故障处理滞后等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了面向电力控制类业务的流量分类及编排方法，优先保证对时间敏感的时间触发流量的传输问题，并最小化时间触发流量的业务流队列，防止对时间不敏感的业务流等待时间过长，造成流堵塞或丢包现象，能够满足电力控制类关键业务对通信系统的确定性、实时性的高要求。

为达到上述目的，本发明所述面向电力控制类业务的流量分类及编排方法，包括以下步骤：

S1、收集当前业务流的包长和报文类信息；

S2、基于当前业务流的包长和报文类等信息，根据业务流对端到端时延和抖动的需求将信息流分为时间触发的业务流、音视频流量业务流和尽力而为业务流；

S3、对时间触发的业务流进行排序，包括以下步骤：

S3.1、建立优化目标函数，目标定为使时间触发的业务流所用的队列编号最小；

S3.2、确定约束条件，所述约束条件包含队列约束条件、周期约束条件以及端到端时延约束条件；

S3.3，基于以上的约束条件对优化目标进行求解，得到时间触发的业务流的编排结果。

进一步的，S2中，将时延为ms级，抖动为us级的业务流分为时间触发的业务流。

进一步的，S3.1中，优化目标函数为：

其中，m为流编号，M为流总数，k为流m在公周期内的小周期数编号，K(m)表示公周期内流m的小周期个数，

进一步的，S3.2中，队列约束条件为：

式中第一个式子代表流m

进一步的，S3.2中，周期约束条件为：

式中

进一步的，S3.2中，端到端时延约束条件为：

式中

进一步的，S3.3包括以下步骤：

S3.3.1、计算无冲突情况下每条时间触发的业务流的上下界；

S3.3.2、计算剩余时间指标；

S3.3.3、按照链路顺序，根据每条流下界时间和剩余时间指标编排每条流；

S3.3.4、根据编排好的每条链路上所有流的发出时间决定每条流进入哪个队列。

进一步的，S3.3.2中，剩余时间指标计算公式为：lefttime

式中，lefttime

进一步的，S3.3.3包括以下步骤：

1)根据每条链路和每条流构建链路E-M的矩阵Tiao

2)求出每条链路的跳数最大值

3)按照跳数最大值maxtiao

4)根据每条链路上所有流剩余时间指标大小从高到低开始，按照链路发出时间最小值依次编排每条流，若链路发出时间最小值不在链路占用时间内，将此链路上的流的发出时间存入该条链路占用时间内，并且将链路发出时间最小值作为流m在此条链路的发出时间；若该条流m的链路发出时间最小值已在链路占用时间内，则从剩余时间指标最高的流开始，依次将传输、传播一条流的时间加到此条流m链路发出时间最小值上，直到该流m链路发出时间最小值不在链路占用时间内，将将链路发出时间最小值作为流m在此条链路的发出时间，并存入该条链路占用时间内。

一种面向电力控制类业务的流量分类及编排装置，包括流量采集模块、优化计算模块与中央控制器模块；所述流量感知分析模块用于收集当前业务流的包长和报文类型等信息，并将数据输送到优化计算模块；优化计算模块用于根据当前业务流的包长和报文类型信息对流量进行分类和编排，并将分类和编排结果输送到中央控制器；中央控制器模块通过以太网和5G网络与电力控制系统中各设备相连，用于根据分类和编排结果控制各设备的开关机与运行状态。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的编排方法针对典型电力控制网络中不同种类的流的端到端时延不同问题，引入时间敏感网络中的关于流量分类的概念，将业务流分为时间触发流量(TT)、音视频流量(AVB)和尽力而为流量(BE)。时间触发流量(TT)时延要求严格，而音视频流量(AVB)和尽力而为流量(BE)对于时延并不敏感，因此，优先对对时间敏感的TT业务流进行编排，而对于时间不敏感的AVB业务流和BE业务流有带宽就发送，没有带宽就等待，避免了关键业务的通讯延迟。

进一步的，该方法针对典型电力控制网络时间敏感网络中业务数据流的控制问题，提出利用时间敏感网络可以通过门控精准的实现流控制技术，根据TT业务流的周期及时延特性，通过寻找所有业务数据流的公周期，在公周期内对流量基于时间原点的时间偏移量进行合理的编排，从而对对时间敏感的TT业务流进行优先编排，并最小化TT业务流队列，防止AVB业务流和BE业务流等待时间过长，造成流堵塞或丢包现象。

进一步的，该方法基于时间敏感网络中的时间感知整形器(TAS)，通过门控列表(Gate Control List，GCL)周期性的控制交换机内部队列门控的开关，精确控制数据在所有端口上的传输，可以满足控制类关键业务确定性、实时性的高要求。

附图说明

图1为面向电力控制类业务的流量分类及编排方法的系统示意图；

图2为面向电力控制类业务的流量分类及编排的运行装置图；

图3为面向电力控制类业务的流量分类及编排方法的运行流程图；

图4为业务流的混合传输模型图；

图5为模型求解算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明的实施例提供了面向电力控制类业务的流量分类及编排方法，首先研究了电力控制时间敏感网络中典型控制类业务数据流模式，建立了基于混合整数规划的时间敏感网络电力控制周期性流量门控调度模型，以解决业务流控制问题。针对流控制和混合整数规划模型求解需求，利用门控调度编排算法得到合理的业务流编排结果。

参照图2，一种面向电力控制类业务的流量分类及编排的运行装置示意图，其特征在于，包括流量采集模块、优化计算模块与中央控制器模块；流量感知分析模块收集当前业务流的包长、报文类型等信息，将数据输送到优化计算模块；优化计算模块用于根据当前业务流的包长、报文类型等信息对流量进行分类和编排，并将该最优运行策略集输送到中央控制器；中央控制器模块通过以太网和5G网络与电力控制系统中各设备相连，控制各设备的开关机与运行状态。

参照图3所示，面向电力控制类业务的流量分类及编排方法的系统运行流程包含如下步骤：

S201，流量感知分析模块收集当前业务流的包长、报文类型等信息，将数据输送到优化计算模块，进行下一步。

S202，参照图4所示，根据201得到的当前业务流的包长、报文类型等信息，针对不同种类的流的端到端时延不同问题，1)引入时间敏感网络中的关于流量分类的概念，根据业务流对端到端时延和抖动的需求将业务流分为时间触发的业务流、AVB业务流和BE业务流：

(1)时间触发的业务流(Time-triggered flows)简称为TT业务流。这类业务流对端到端的时延和抖动都有严格要求，时延ms级，抖动us级。在TSN中，802.1Qbv为每条业务流都定义了对应的门控列表(Gate control list，简称GCL),在精准的时间打开或者关闭业务流所在队列的门控，从而实现对业务流发送时间的精准控制，即确定性传输。TT业务流的端到端时延抖动理论上可达时间同步的精度。

(2)AVB(Audio Video Bridging，简称AVB)业务流。这类业务流对时延上界有要求，而对时延和抖动比较宽松，时延s级，抖动s级，比如视频通话为了使视频不卡顿，最小帧率应达到24帧/秒。在TSN中，802.1Qav定义了基于信用的流量整形器(Credit-basedShaper，简称CBS)来平滑业务流的突发情况，从而实现时延在理论上的有界性。

(3)BE(Best-effort，简称BE)业务流。这类业务流对时延和抖动都没有严格要求，比如浏览网页、文件传输等业务。

三种业务流，即TT、AVB和BE，拥有不同的优先级，TT业务流的优先级最高，其次是AVB业务流，最后是BE业务流。

2)由于TT业务流时延要求严格，而AVB业务流和BE业务流对于时延并不敏感，因此，优先对对时间敏感的TT业务流进行编排，而对于时间不敏感的AVB业务流和BE业务流有带宽就发送，没有带宽就等待。

其中，TSN的门控列表(GCL)由若干个表项构成，每个表项包括两部分信息：起始执行时间和8个队列的开关状态，如图4所示，“T1”就是队列的起始执行时间，“10010010”就是8个队列的开关状态(1表示队列关闭，0表示队列打开)。表项的数量以及门控的开关状态由TSN根据电力网络的拓扑、业务流的需求通过调度决定，调度的结果即门控列表。在TSN中，GCL被周期性的执行，当执行完最后一个表项后，又从第一个表项开始，周期性地循环。循环周期通常是所有TT业务流周期的最小公倍数。TSN通过GCL在精确的时间点打开或者关闭相应的队列，精准的控制TT业务流的发送时间，从而实现TT业务流的确定性传输。

S203，建立优化目标函数。在TSN中，调度的目的是为了能够保证所有的流按照各自周期无冲突的在所有端口中传输，并且在保证端到端时延的情况下，顺利到达目的结点。由于每个输出端口在同一个时刻只能处理一个队列中一帧，在同一端口中，一条流的所有帧都会被放入同一队列，所以流与流之间存在以下两种冲突，一种是在输出端口发出的时间冲突，在某帧被传输过程中，该输出端口其他所有帧(包括同属一条流的帧)均不能进行传输；另一种是是否需要将不同的流放进同一队列。

为了简化问题，只考虑对最高优先级的流即TT流进行调度，但是网络中不会只有最高优先级的流，所以必须为其他优先级的流留出足够多的队列，以保证这些低优先级的流不会由于队列数过少一直在网络中积累而无法传输或者传输的时延过大。所以解决问题的目标定为使TT流所用的队列编号最小化。

队列数最小，自然会想到如果每个端口上将所有流都放入同一队列，那么理所当然队列数最少，为1，如果问题的端到端时延限制足够松弛，自然可以得出结果，甚至得到多个结果。然而如果端到端时延没有那么松弛，必然会引入多个队列以满足此限制，为的是不让较大端到端时延限制的流先进入队列然后占据较小端到端时延限制的流的传输时间。

仅仅考虑队列数是不够的，因为这样会引入非常多的最优解，虽然能够解决问题，但无法评估同样队列数的解对问题的影响。为了能够在最优解中找到更佳的可行解，在最小队列数的基础上，在目标中加入了平均意义下的端到端时延。用这个指标来衡量找到的最优解性能的好坏，平均意义下的端到端时延越小，自然最优解就越好。

所以，可以将问题总结为：保证同步TSN网络无冲突的情况下，使所需传输的全部周期性流量有序通过链路，不违反端到端时延限制，尽量使用较少队列，在此基础上使得平均意义下的端到端时延最小。

针对电力控制业务网络采用最小化队列数作为时间敏感网络优化目标，目的是为了能够尽可能将所有流集中到一个或几个队列中，从而保证所针对的最高优先级流不会长时间占用整个网络的传输，并在最大程度上保证更多低优先级的流进入队列等待传输。如下所示。

min q

其中，q为队列数；

除了队列数外，流量的端到端时延也应当重视，满足规定的端到端时延只是保证了最差情况下的传输，远远没有达到对问题进行优化的效果，并且队列数最少会引入较多的最优解，需要另一个指标对问题进行优化，于是将平均意义下的端到端时延添加进优化目标，改进后的优化目标如下所示。

其中，m为流编号，M为流总数，k为流m在公周期内的小周期数编号，K(m)表示公周期内流m的小周期个数，

平均意义下的端到端时延之和指的每条流其每个周期的端到端时延之和与每条流要求的端到端时延之和的商，由于编排结果的端到端时延一定是严格小于所规定的端到端时延之和，而且最后一跳最后一帧发出的时间一定是大于等于第一跳第一帧发出的时间，所以改进后的优化目标的第二部分一定是一个在区间[0,1)内的数。这样做的目的是为了不让端到端时延之和作为较大的影响因素，主要目的还是要保证最小化队列数。

S204，针对电力控制网络时间敏感网络中不同周期流的编排问题，其约束条件主要包含队列约束条件、周期约束条件以及端到端时延约束条件。

队列约束条件，即如果两条流经过同一个出口端口，两条流在各自任意个小周期内的两帧要么位于不同队列，要么进入同一队列，但是要保证先进队列的帧先被传输。具体公式表示为：

式中第一个式子代表流m

周期约束条件。每条流在不同周期内的传输跳满足其开始的时间点到达起始端口，所以该流在每个小周期内，其所有帧必须在该周期开始之后发出。对每条流每周期第一跳第一帧来说，具体如下：

式中

端到端时延约束条件，即限定每条流的最大传输时延，约束条件如下：

式中

考虑到不必每次求得问题最优解，将每条流看成一个整体，先在每条链路上对流进行编排，根据链路的编排结果，在保证使用最小队列的情况下，反推出每条流在每个出口端口进入的队列编号。有了链路上编排的结果和相应的队列编号，就可以得各端口每个时刻的门控列表。

算法具体流程如下：

S501,计算无冲突情况下每条流的上下界。由于端到端时延约束的存在，需要充分考虑每条流在每一跳每个小周期内的上下界，从而保证求出的结果是满足端到端时延的。无冲突情况下，不需要考虑其他任何流，那么每条流的下界必然是从此周期开始的时刻算起，因为只有此周期开始，这条流才会在第一个出口端口准备发出。所以对于每条流而言，其第一跳每个周期的下界都是这个周期开始时间点，而同一周期的相邻跳上，最少需要间隔一帧的传输时间和传播时间。计算公式如下所示：

式中，m表示流的编号；k表示周期编号；j表示跳编号；

无冲突情况下，不需要考虑其他任何流，那么每条流的上界可以有两种情况，由其给定的端到端时延大小确定。

情况1：端到端时延较小

当端到端时延和传输、传播一条流的时间之和小于或等于其小周期时，意味着这条流一定是在一个小周期完成其传输传播的过程，所以其上界就是其每个小周期结束的时间点，从每个小周期结束时间点向前反推就可以推出其每一跳的上界时间点。其第一周期第一跳上界为其第一周期结束时间点减去其传输和传播时间，和下界相同，同样可以从第一周期第一跳正向推出其同一跳不同周期只需要加上其小周期的数值，而同一周期的相邻跳上，最少需要间隔一帧的传输时间和传播时间。

情况2：端到端时延较大

当端到端时延和传输、传播一条流的时间之和大于其小周期时，意味着这条流可以不在一个小周期内完成其传输、传播的过程，但是由于在一个大的公周期内，需要完成全部流的传输、传播，所以可以从一个大的公周期结束的时间点反推求得其每一跳每个周期的上界时间点。其最后一周期最后一跳上界为其公周期结束时间点减去其传输和传播时间，和下界相同，同样可以从第一周期第一跳正向推出其同一跳不同周期只需要加上其小周期的数值，而同一周期的相邻跳上，最少需要间隔一帧的传输时间和传播时间。如下所示：

式中，e

S502,计算剩余时间指标。为了能更快传输链路中的所有流，所以需要根据时间下界

lefttime

式中，lefttime

此剩余时间指标越大表示此条流越难编排，所以应当优先编排此条流，只有这条流编排完，剩余的流才可以相对简单的编排。

S503，按照链路顺序，根据每条流下界时间和剩余时间指标编排每条流。

(1)根据每条链路和每条流构建链路E-M的矩阵Tiao

(2)求出每条链路的跳数最大值

(3)按照跳数最大值maxtiao

(4)根据每条链路上所有流剩余时间指标大小从高到低开始，按照链路发出时间最小值

(5)如果该条流m的链路发出时间最小值

S504，根据编排好的每条链路上所有流的发出时间决定每条流进入哪个队列。当所有链路编排完后，编排每条流在出口端口的队列，在编排开始时默认所有出口端口中的所有流进入同一个队列。从每条流的第二跳开始考虑，因为可以将每条流的第一跳看成是需要将流发出的时间点才到达出口端口，所以可以不考虑每条流第一跳的队列编号，默认其值为0；从第二跳开始考虑，不重复的两两对比每条链路上的所有流，如果两条流队列相同且不满足先进先出，即这两条流在此链路前一跳发出的时间顺序与此条链路的时间顺序不同，则将队列数增加，对比另外一组流，直到遍历完全部流。这种方法可以在编排好链路的流之后，找到最少的队列数。

由于本发明实施例提供的面向电力控制类业务的流量分类及编排方法，其所能获得的技术效果可参考上述方法实施例，本发明实施例在此不再赘述。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式来实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digitalsubscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可以用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)，光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。