一种用于时间敏感网络的流量映射方法

技术领域

本发明涉及网络传输技术领域，特别是涉及一种用于时间敏感网络的流量映射方法。

背景技术

时间敏感型网络（timesensitive network，TSN）是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势，并通过厂商独立的标准化进程，已成为广泛聚焦的关键技术。目前，IEEE、IEC等组织均在制定基于TSN的工业应用网络的底层互操作性标准与规范。TSN是以以太网为基础的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。

标准以太网报文在TSN交换网络中传输，往往需要进行应用流量与网络流量的映射。也就是说，报文在进入TSN交换网络之前，需要先将标准以太网报文转换成带有TSN标签的TSN报文，完成应用流量到网络流量的映射；报文离开TSN交换网络之前，又需要将TSN标签去掉逆转换成标准以太网报文，完成网络流量到应用流量的映射。

目前，TSN基于IEEE 802.1Q的虚拟局域网（virtual local area network，VLAN）和优先级标准，该标准在标准以太网中VLAN域放置4个字节的TSN标签。那么标准以太网报文映射成TSN报文，首先需要根据标准以太网报文特征获取TSN标签，然后在标准以太网中插入4个字节的TSN标签。这种方法缺陷：所有数据报文都需要经过专有的网络适配器（如TSN网卡或者TSN网关）进行协议转换，以完成标准以太网报文到TSN报文的映射。这种协议转换如果使用硬件方式实现，为了支持大规模的流量映射，就需要硬件具有大容量的存储资源，这就使得成本昂贵。如果使用软件方式实现，所有应用流量都需要先经过软件的处理，再进入TSN交换网络，这就会大大的降低性能。产生这个缺陷的根本原因就是：这种方法必须在标准以太网中插入4个字节的TSN标签以完成流量的映射。

因此，在TSN网络中，提供一种可以简单、便捷、能提高网络流量映射性能的流量映射方法是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于时间敏感网络的流量映射方法，该方案简单、安全、有效、可靠且操作简便，能有效地提高在网络中的流量映射性能。

基于以上目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于时间敏感网络的流量映射方法，包括如下步骤：

第一设备根据第二设备的IP地址向网络控制器发送请求报文以获取TSN标签；

所述第一设备将所述TSN标签写入IP-MAC表中；

所述第一设备根据所述第二设备的IP地址和所述TSN标签与所述第二设备通信。

优选地，在第一设备根据第二设备的目的IP向网络控制器发送请求报文以获取TSN标签之前，还包括：

预设流量映射表与流量逆映射表；

部署所述流量映射表至所述网络控制器中；

下发所述流量逆映射表至TSN交换机中；

其中，所述流量映射表包括：源IP、目的IP和TSN标签；

所述流量逆映射表包括TSN标签中的流标识、源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号。

优选地，所述TSN交换机设有多个，其中，第一交换机与所述第一设备连接，第二交换机与所述网络控制器连接。

优选地，所述第一设备根据第二设备的IP地址向网络控制器发送请求报文以获取TSN标签，包括如下步骤：

所述第一交换机接收到所述请求报文后，封装所述请求报文并传输至所述TSN网络中；

所述第二交换机接收到已封装的请求报文后，传输所述已封装的请求报文至所述网络控制器中；

所述网络控制器解析所述已封装的请求报文，获取TSN标签。

优选地，所述所述网络控制器解析所述已封装的请求报文，获取TSN标签之后，还包括如下步骤：

所述网络控制器根据所述TSN标签构建已封装的响应报文，并将所述已封装的响应报文发送至所述第二交换机中；

所述第二交换机将所述已封装的响应报文传输至所述TSN网络中；

所述第一交换机接收到已封装的响应报文，还原所述已封装的响应报文，并将已还原的响应报文传输至所述第一设备中；

所述第一设备根据所述已还原的响应报文获取所述TSN标签。

优选地，所述第一设备根据所述第二设备的IP地址和所述TSN标签与所述第二设备通信，包括如下步骤：

所述第一设备根据所述第二设备的IP地址向所述第二设备发送包含所述TSN标签的数据报文；

所述TSN交换机接收到所述数据报文后，根据所述流量逆映射表对所述数据报文还原，并将还原后的数据报文传输至所述第二设备。

优选地，所述TSN交换机接收到所述数据报文后，根据所述流量逆映射表对所述数据报文还原，并将还原后的数据报文传输至所述第二设备，具体为：

所述TSN交换机接收到所述数据报文后，根据所述数据报文中TSN标签中的流标识查找所述流量逆映射表，获取相应的源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号；

将所述数据报文中的TSN标签替换为所述目的地址;

根据所述输出端口号，将所述数据报文传输至第二设备。

优选地，在将所述数据报文中的TSN标签替换为所述目的地址之后，根据所述输出端口号，将所述数据报文传输至第二设备之前，还包括：

若所述第二设备的IP-MAC表根据所述数据报文进行更新，则替换所述数据报文的源MAC地址为所述流量逆映射表中的源MAC地址。

本发明提供的用于时间敏感网络的流量映射方法，工作过程中，第一设备根据对端通信设备的目的IP向网络控制器发送请求报文，请求报文在TSN网络中进行传输，直至到达网络控制器；网络控制器生成带有TSN标签的回应报文，并将回应报文传输给第一设备；第一设备提取出TSN标签并将其写入自身的IP-MAC映射表中。

在TSN网络中，在第一设备向对端通信设备访问时，仅需向网络控制器发送请求报文以获取TSN标签，并将TSN标签写入第一设备的IP-MAC表中，调用IP-MAC表中的TSN标签结合对端设备的IP地址即可完成第一设备与对端设备的通信。

本技术方案中第一设备已经向网络控制器请求以获取TSN标签，在访问对端通信设备时，仅需读取自身的IP-MAC表即可。因此，也就无需为每一个通信的数据报文添加TSN标签，避免了该种处理方式所导致的流量映射性能降低。因此，本技术方案简单、便捷，能显著提高网络流量映射性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于时间敏感网络的流量映射方法流程图；

图2为本发明实施例提供的流量映射方法中步骤S1之前的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的流量映射方法中步骤S1具体的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的流量映射方法中步骤B3之后的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的流量映射方法中TSN交换机对数据报文还原并发送的具体方法流程图。

具体实施方式

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。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

本发明实施例提供了一种用于时间敏感网络的流量映射方法。主要解决现有技术中，流量映射成本昂贵以及性能较低的技术问题。

在实际运用过程中，根据不同的使用需求或所需的效果，各方法步骤有具体的使用细节，各步骤所采用的具体设备可以根据实际需要进行选择。在本实施例中，第一设备最初向控制发送的请求报文为标准以太网arp请求报文。

请参照图1，一种用于时间敏感网络的流量映射方法，包括如下步骤：

S1.第一设备根据第二设备的IP地址向网络控制器发送ARP请求报文以获取TSN标签；

S2.第一设备将TSN标签写入IP-MAC表中；

S3.第一设备根据第二设备的IP地址和TSN标签与第二设备通信。

步骤S1中，第一设备根据对端通信设备的目的IP向网络控制器发送ARP请求报文，请求报文在TSN网络中进行传输，直至到达网络控制器；网络控制器生成带有TSN标签的回应报文，并将回应报文传输给第一设备。

步骤S2中，第一设备提取出TSN标签并将其写入自身的IP-MAC映射表中。

步骤S3中，第一设备调用IP-MAC映射表中的TSN标签结合对端通信设备的目的IP，与对端设备通信。

需要说明的是，IP协议是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。

IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其它设备都规定了一个唯一的地址，叫做“IP地址”。由于有这种唯一的地址，才保证了用户在连网的计算机上操作时，能够高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。

IP地址就像是我们的家庭住址一样，如果你要写信给一个人，你就要知道他（她）的地址，这样邮递员才能把信送到。计算机发送信息就好比是邮递员，它必须知道唯一的“家庭地址”才能不至于把信送错人家。只不过我们的地址是用文字来表示的，计算机的地址用二进制数字表示。

MAC地址：网络中每台设备都有一个唯一的网络标识，这个地址叫MAC地址或网卡地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。

数据包传送的关键是将目标节点的IP地址映射到中间节点的MAC地址。IP地址与MAC地址的映射要通过ARP地址解析协议来完成，它可将网络中的IP地址映射到主机的MAC地址，如交换机可以根据网络中的IP地址来找到本地主机的MAC地址。具体过程是：当交换机接收到来自网上一个数据包时，会根据该数据包的目标IP地址，查看交换机内部是否有跟该IP地址对应的MAC地址 ，如果有上次保留下来的对应的MAC地址，就会将该数据包转发到对应MAC地址的主机上去。如果在交换机内部没有与目标地址对应的MAC地址，则交换机会根据ARP协议将目标IP地址按照“表”中的对应关系映射成MAC地址 ，数据包就被转送到对应的MAC地址的主机上。

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，局域网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存。

也就是说，在TSN网络中，将TSN标签视为对端设备的MAC地址，根据ARP协议结合对端设备的IP地址，即可完成与对端设备的通信。实际运用过程中，仅需在离线网络中配置好参数以实现第一设备与网络控制器的互通，即可获取TSN标签。在访问对端通信设备时，只需读取自身的IP-MAC表即可获取对端设备的MAC地址，根据IP地址和MAC地址即可完成访问。因此，也就无需为每一个通信的数据报文添加TSN标签，避免了该种处理方式所导致的流量映射性能降低。

请参阅图2，优选地，在第一设备根据第二设备的目的IP向网络控制器发送请求报文以获取TSN标签之前，还包括：

A1.预设流量映射表与流量逆映射表；

A2.部署流量映射表至网络控制器中；

A3.下发流量逆映射表至TSN交换机中；

其中，流量映射表包括：源IP、目的IP和TSN标签；

流量逆映射表包括TSN标签中的流标识、源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号。

步骤A1中，流量映射表用于应用流量到网络流量的映射，流量映射表项包含三部分：源IP、目的IP和TSN标签。源IP表示报文发送端设备的IP地址，目的IP表示报文接收端设备的IP地址，TSN标签表示这条报文流量的TSN网络识别信息；

流量逆映射表用于网络流量到应用流量的映射，流量逆映射表项包含四部分：TSN标签中的流标识、源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号。TSN标签中的流标识为TSN标签的一个字段，用于在TSN网络中唯一标识这条流。源MAC地址（smac）表示这条流反方向传输的TSN标签，也就是这条流的接收端设备往这条流发送端设备的报文流量所对应的TSN标签。目的MAC地址（dmac）表示这条流接收端设备的真实物理地址。输出端口号（outport）表示这条流从TSN交换机的哪个物理端口输出。同样的，由于TSN网络主要应用在相对封闭网络，网络中的资源、网络拓扑、网络流量路径等预先可知，网络控制器可以在离线环境下部署流量逆映射表至交换机中。

流量映射表与流量逆映射表的预设并非每次都需要进行，而是在第一次使用本方法时，需要提前预设，但此预设可以在离线环境中完成。

步骤A2与A3中，将流量映射表部署在网络控制器中。实际操作上，网络控制器部署其自身已有的流量映射表，并将已部署好的流量逆映射表下发至TSN交换机中。

由于TSN网络主要应用在相对封闭网络，网络中的资源、网络拓扑、网络流量路径等预先可知，因此TSN网络网络控制器可以离线规划好网络中所有的应用流量，每条应用流量对应一个TSN标签。

优选地，TSN交换机设有多个，其中，第一交换机与第一设备连接，第二交换机与网络控制器连接。

需要说明的是，第一跳交换机是指报文流量进入TSN交换网络后，最先接收报文流量的交换机；最后一跳交换机是指报文流量在离开TSN交换网络之前，最后一个处理报文流量的交换机。根据报文流量的传输方向不同，第一跳交换机与最后一跳交换机是可以互相转换的。

本实施例中，在第一设备向网络控制器发送请求报文过程中，第一跳交换机即为第一交换机，最后一跳交换机即为第二交换机。在网络控制器向第一设备发送响应报文过程中，第一跳交换机即为第二交换机，最后一跳交换机即为第一交换机。

请参阅图3，优选地，第一设备根据第二设备的IP地址向网络控制器发送请求报文以获取TSN标签，包括如下步骤：

B1.第一交换机接收到请求报文后，封装请求报文并传输至TSN网络中；

B2.第二交换机接收到已封装的请求报文后，传输已封装的请求报文至网络控制器中；

B3.网络控制器解析已封装的请求报文，获取TSN标签。

步骤B1中，第一交换机根据预设规则对请求报文进行封装，封装过程具体为：给请求报文数据添加一个包含TSN标签、源MAC地址和报文类型的TSN报文头，以及在请求报文数据之前增加端口号字段。已封装的请求报文通过第一交换机发送，在TSN网络中传输，最终到达第二交换机中。

需要说明的是，添加报文头与端口号字段就是增加了TSN标签、源MAC地址、报文类型和端口号，只是TSN标签、源MAC地址、报文类型在逻辑上是作为TSN报文头，而端口号是作为TSN报文的数据域。之所以要增加这个端口号是为了保留arp请求报文输入端口号，以便在之后的步骤里第一交换机知道从哪个端口号将arp响应报文发送给第一设备。

步骤B2中，已封装的请求报文为TSN网络arp请求报文。第二交换机接收到该报文后传输至网络控制器中。

步骤B3中，网络控制器对该报文进行解析，解析过程具体为：先保存TSN报文头和端口号信息，然后去掉TSN报文头和端口号信息,获取标准以太网arp请求报文，再然后解析标准以太网arp请求报文获取源IP和目的IP，最后根据所获取的源IP和目的IP查找流量映射表以获取相应的TSN标签。

请参阅图4，优选地，网络控制器解析已封装的请求报文，获取TSN标签之后，还包括如下步骤：

C1.网络控制器根据TSN标签构建已封装的响应报文，并将已封装的响应报文发送至第二交换机中；

C2.第二交换机将已封装的响应报文传输至TSN网络中；

C3.第一交换机接收到已封装的响应报文，还原已封装的响应报文，并将已还原的响应报文传输至第一设备中；

C4.第一设备根据已还原的响应报文获取TSN标签。

步骤C1中，网络控制器根据TSN标签构建响应报文，构建过程具体为：先构造TSN报文头，将所保存的TSN报文头信息取出且将TSN标签和源地址进行互换，再将互换后的TSN报文头作为TSN网络arp响应报文的TSN报文头。然后构造TSN报文数据域，将所保存的端口号和标准以太网arp响应报文作为TSN报文数据域，所获取的TSN标签填充至标准以太网arp响应报文的是源MAC地址和发送端以太网地址域。完成构建过程后，将已封装的响应报文发送至第二交换机中。

步骤C2中，已封装的响应报文通过第二交换机发送，在TSN网络中传输，最终到达第一交换机中。

步骤C3中，第一交换机接收到已封装的响应报文，对该报文进行还原，具体过程为：首先提取端口号信息，然后将TSN网络arp响应报文的TSN报文头和端口号去掉，最后再根据端口号把标准以太网arp响应报文从指定的端口发送至第一设备中

步骤C4中，第一设备接收到标准以太网arp响应报文后，从中取出TSN标签。

优选地，第一设备根据第二设备的IP地址和TSN标签与第二设备通信，包括如下步骤：

第一设备根据第二设备的IP地址向第二设备发送包含TSN标签的数据报文；

TSN交换机接收到数据报文后，根据流量逆映射表对数据报文还原，并将还原后的数据报文传输至第二设备。

实际运用过程中，在第一设备向网络控制器请求以取得了TSN标签后，第一设备即可向第二设备访问了。

具体过程为：第一设备在根据前序步骤将已经获取的TSN标签写入IP-MAC映射表后，在第一设备与第二设备通信的过程中，将其通信的数据报文传输至TSN网络中，此数据报文相当于网络流量中的一种。网络流量进入TSN网络后，首先到达的是第一跳交换机，然后第一跳交换机将报文转发至其他交换机，最后网络流量到达与最后一跳交换机，最后一跳交换机根据流量逆映射表对数据报文进行还原。最后一跳交换机将还原后的数据报文传输至第二设备。该还原过程即为网络流量到应用流量的映射。

请参阅图5，优选地，TSN交换机接收到数据报文后，根据流量逆映射表对数据报文还原，并将还原后的数据报文传输至第二设备，具体为：

D1.TSN交换机接收到数据报文后，根据数据报文中TSN标签中的流标识查找流量逆映射表，获取相应的源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号；

D2.将数据报文中的TSN标签替换为目的地址;

D3.根据输出端口号，将数据报文传输至第二设备。

步骤D1中，TSN交换机根据TSN标签中的流标识查找流量逆映射表，获取相应的源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号。需要说明的是，流量逆映射表中的流标识、源MAC地址、目的MAC地址和输出端口号存在对应关系，这是在离线部署过程中就已经确定下来的。根据需要可以通过其中任何一项查询其他项。而在本实施例中，需要通过TSN标签的流标识查询其他对应项，主要是为了获得目标MAC地址，结合目标IP，实现第一设备与第二设备的通信。

步骤D2中，将网络流量的TSN标签替换成目的地址dmac，完成网络流量到应用流量的映射。

步骤D3中，将已映射的应用流量按指定输出端口号发送至第二设备，实现第一设备对第二设备的访问。

优选地，在将数据报文中的TSN标签替换为目的地址之后，根据输出端口号，将数据报文传输至第二设备之前，还包括：

若第二设备的IP-MAC表根据数据报文进行更新，则替换数据报文的源MAC地址为流量逆映射表中的源MAC地址。

实际运用过程中，判断网络流量的源地址是否需要替换成流量逆映射表中的源MAC地址（smac），根据具体的应用场景来决定，如果第二设备的IP-MAC表会随时根据收到的数据报文进行更新，则需要替换；如果第二设备的IP-MAC表只会根据收到的arp报文进行更新，则无需替换。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上对本发明所提供的一种用于时间敏感网络的流量映射方法进行了详细介绍。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。