在时间敏感网络中支援类别本位排程的装置、方法、及时间敏感网络交换器

摘要

一种在时间敏感网络中支援类别本位排程的装置，其包括收发器、存储媒体、以及控制器。存储媒体存储流量类别与时隙之间的第一映射、以及时间敏感网络串流的讯框型式与流量类别之间的第二映射。控制器耦接至收发器与存储媒体，并根据时间敏感网络的网络拓朴、第一映射、以及第二映射决定对应至时间敏感网络串流的路由路径与闸道控制清单，并且通过收发器将闸道控制清单配置到路由路径上的每一时间敏感网络交换器。

说明书

技术领域

本申请有关于时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，TSN)，特别有关于在时间敏感网络中支援类别本位排程(class-based scheduling)的装置、方法、及时间敏感网络交换器。

背景技术

工业4.0是一种崭新的数字工业科技，其主要借由跨机具的数据搜集与分析而改善制造工艺的速度、弹性、以及效率，在降低成本的同时还能产出更高质量的产品。工业4.0的核心实体之一为网宇实体系统(Cyber Physical System，CPS)，根据定义，这些系统需要在网络空间中能够被数字化表示，为此，就必须将负责连接生产设备的营运技术(Operations Technology，OT)网络以及厂房层级的信息技术(Information Technology，IT)网络整合起来。

遗憾的是，目前大多数的工业用以太网标准都需要配合使用各自专属的硬件装置，这使得上述网络的整合难上加难，造成的结果是不同阶层的网络之间各自孤立而必须借由特定的闸道来连接才能实现不同阶层的网络之间的通信。为了解决这个问题，电机电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.1工作小组制定了一套时间敏感网络标准，以实现实时确定性的操作，同时满足垂直及水平向度上的可扩展性。

传统上，OT网络会将流量(traffic)归类为不同类别(class)，并且在不同的时隙(time slot)传送不同类别的流量，使得重要类别流量可以不受其它类别流量的干扰。另一方面，IT网络并不会以相同的类别本位排程来管理流量的传送。如此一来，当IT网络要整合到OT网络时，OT网络的重要类别流量势必会受到IT网络流量的干扰。这个情形在从OT网络推进到时间敏感网络的过程中尤其常见，因为在整合的网络中，时间敏感网络交换器可能会与时间敏感网络终端装置及非时间敏感网络终端装置共存。

因此，亟需有一种稳健的方法能够允许数据串流在时间敏感网络中以类别本位排程的方式传送的同时也满足端到端延迟保证。

发明内容

本申请的一实施例提供了一种在时间敏感网络中支援类别本位排程的装置，连接至位于时间敏感网络内的时间敏感网络交换器，上述装置包括：收发器、存储媒体、以及控制器。上述存储媒体用以存储流量类别(traffic class)与时隙(time slot)之间的第一映射(mapping)、以及时间敏感网络串流(stream)的讯框型式(frame type)与上述流量类别之间的第二映射。上述控制器耦接至上述收发器以及上述存储媒体，并用以根据上述时间敏感网络的网络拓朴(topology)、上述第一映射、以及上述第二映射决定对应至上述时间敏感网络串流的路由路径与闸道控制清单，并且通过上述收发器将上述闸道控制清单配置到上述路由路径上的每一时间敏感网络交换器。

本申请的另一实施例提供了一种在时间敏感网络中支援类别本位排程的方法，适用于连接至位于时间敏感网络内的时间敏感网络交换器的装置，上述方法包括：接收流量类别与时隙之间的第一映射、以及时间敏感网络串流的讯框型式与上述流量类别之间的第二映射；根据上述时间敏感网络的网络拓朴、上述第一映射、以及上述第二映射决定对应至上述时间敏感网络串流的路由路径与闸道控制清单；以及将上述闸道控制清单配置到上述路由路径上的每一时间敏感网络交换器。

本申请的又一实施例提供了一种时间敏感网络交换器，包括：入口(ingress)端口、出口(egress)端口、以及控制器。上述出口端口包括复数队列(queue)以及对应至上述队列的复数闸道。上述控制器耦接至上述入口端口以及上述出口端口，并用以通过上述入口端口从中央网络设定服务器接收时间敏感网络串流的讯框型式所对应的闸道控制清单，以及使用上述闸道控制清单设定上述出口端口于时隙打开上述闸道的一者以传送对应的上述队列的一者中的讯框；其中上述讯框型式对应至上述时隙所对应的流量类别。

关于本申请其他附加的特征与优点，本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，当可根据本案实施方法中所揭露在时间敏感网络中支援类别本位排程的装置、方法、及时间敏感网络交换器做些许的更动与润饰而得到。

附图说明

图1根据本申请一实施例所述的时间敏感网络的示意图。

图2根据本申请一实施例所述的中央网络设定服务器的示意图。

图3根据本申请一实施例所述的时间敏感网络交换器的示意图。

图4根据本申请一实施例所述在时间敏感网络中支援类别本位排程的方法流程图。

图5根据本申请一实施例所述用于设定时间周期的图形用户界面的示意图。

图6根据本申请一实施例所述用于设定单播群组的图形用户界面的示意图。

图7根据本申请一实施例所述用于设定多播群组的图形用户界面的示意图。

图8根据本申请一实施例所述时间敏感网络串流的优先权代码点以及虚拟区网识别码的示意图。

图9根据本申请一实施例所述每一时间敏感网络交换器被配置的闸道控制清单的示意图。

图10显示图9的实施例中的闸道控制清单所对应的时间敏感网络串流的路由路径示意图。

图11根据本申请另一实施例所述在时间敏感网络中支援类别本位排程的方法流程图。

具体实施方式

本章节所叙述的是实施本申请的较佳方式，目的在于说明本申请的精神而非用以限定本申请的保护范围，当可理解的是，使用于本说明书中的“包含”、“包括”等词，用以表示存在特定的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、元件以及/或组件，但并不排除可加上更多的技术特征、数值、方法步骤、作业处理、元件、组件，或以上的任意组合。

图1根据本申请一实施例所述的时间敏感网络的示意图。

如图1所示，时间敏感网络110包括复数网络装置111A～111B，其中网络装置111A～111B的每一者皆可为时间敏感网络闸道/交换器/路由器/网桥，且网络装置111A～111B的每一者皆可连接至一或多台终端装置，每台终端装置可为时间敏感网络终端装置或非时间敏感网络终端装置。举例来说，网络装置111A可连接至终端装置112A(如：机具)、终端装置112B(如：监视摄影机)、以及终端装置112C(如：机器手臂)，而网络装置111B可连接至终端装置112D(如：输送器)、终端装置112E(如：打印机)、以及终端装置112F(如：保全锁)。

此外，时间敏感网络110还可包括中央网络设定(Central NetworkConfiguration，CNC)服务器113，其主要负责管理网络装置111A～111B的设定，以于时间敏感网络110内实现实时确定性通信。更重要的是，中央网络设定服务器113还负责设定网络装置111A～111B以允许数据串流(包括：时间敏感网络串流、以及非时间敏感网络串流)能够在时间敏感网络110中以类别本位排程(意即：在不同的时隙传送不同类别的流量)的方式传送的同时也满足端到端延迟保证。明确来说，中央网络设定服务器113可执行拓朴探索(topology discovery)程序以决定时间敏感网络110的拓朴，或者，可从用户输入接收网络拓朴。中央网络设定服务器113可根据网络拓朴、应用周期设定、以及单播/多播群组设定而决定数据串流在时间敏感网络110中的路由路径，以及决定数据串流所对应的闸道控制清单(Gate Control List，GCL)。之后，中央网络设定服务器113可将闸道控制清单配置(deploy)到路由路径上的每个时间敏感网络交换器。

当可理解的是，图1所示的元件仅用以提供说明的范例，并非用以限制本申请的保护范围。举例来说，时间敏感网络110的网络拓朴可以是以下任意组合：线形(line)拓朴、星状(star)拓朴、环状(ring)拓朴、以及网状(mesh)拓朴。

图2根据本申请一实施例所述的中央网络设定服务器的示意图。

如图2所示，中央网络设定服务器可包括收发器10、控制器20、以及存储媒体30。

收发器10用以提供数据串流在时间敏感网络110内传送的功能。

控制器20可为通用处理器、微处理器(Micro-Control Unit，MCU)、或数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)等，其包括了各式逻辑电路，用以提供数据处理及运算的功能、控制收发器10让数据串流能够在时间敏感网络110内传送、以及对存储媒体30进行数据(如：流量类别与时隙之间的第一映射、以及时间敏感网络串流的讯框型式与流量类别之间的第二映射)的存储及读取。

特别是，控制器20还协调收发器10以及存储媒体30的作业，以执行本申请所述的方法。

本领域技术人员当可理解，控制器20中的逻辑电路通常可包括多个晶体管，用以控制该逻辑电路的运作以提供所需的功能及作业。更进一步的，晶体管的特定结构及其之间的链接关系通常是由编译程序所决定，例如：暂存器转移语言(Register TransferLanguage，RTL)编译器可由处理器所运作，将类似汇编语言码的脚本文件(script)编译成适用于设计或制造该逻辑电路所需的形式。的确，暂存器转移语言在促进电子数字系统的设计程序中扮演着不可或缺的角色。

存储媒体30可为非瞬时(non-transitory)的计算机可读取存储媒体，包括：内存(如：闪存、非挥发性随机存取内存(Non-volatile Random Access Memory，NVRAM))、或磁性存储装置(如：硬盘、磁带)、或光盘、或上述媒体的任意组合，用以存储数据(如：应用周期设定、单播群组设定、以及多播群组设定)、指令、以及应用、操作系统、以及/或本申请所述方法的程序代码。在一范例，可通过收发器10或图形用户界面(Graphical UserInterface，GUI)从用户端接收应用周期设定以及单播/多播群组设定，或端视实作时所采用的形式而定。

当可理解的是，图2所示的元件仅用以提供说明的范例，并非用以限制本申请的保护范围。举例来说，中央网络设定服务器可包括更多元件，例如：输入输出(Input/Output，I/O)装置(可包括：一或多个按钮、发光装置、喇叭、键盘、鼠标、触碰板、以及/或显示设备等)。

图3根据本申请一实施例所述的时间敏感网络交换器的示意图。

如图3所示，时间敏感网络交换器可包括入口端口40、出口端口50、以及控制器60。

入口端口40用以从中央网络设定服务器113接收时间敏感网络串流的讯框型式所对应的闸道控制清单，以及接收在时间敏感网络110内传送的讯框(或可称为封包)。

出口端口50包括存储媒体51、复数队列Q0～Q7、复数闸道G0～G7、以及传送选择电路。存储媒体51用以存储闸道控制清单，队列Q0～Q7用以暂存要被路由的讯框，闸道G0～G7用以控制队列Q0～Q7所暂存的讯框的传送作业，传送选择电路用以根据被设定的单播/多播目的媒体存储控制(Media Access Control，MAC)位址以及虚拟区网识别码(VLAN ID，VID)而执行讯框的传送作业。特别是，队列Q0～Q7与闸道G0～G7之间具有一对一的对应关系。

控制器60可为通用处理器、微处理器、或数字信号处理器等，其包括了各式逻辑电路，用以提供数据处理及运算的功能、控制入口端口40以接收闸道控制清单与讯框、以及使用闸道控制清单设定出口端口50于特定时隙打开闸道G0～G7的一者以传送对应队列的讯框。

本领域技术人员当可理解，控制器60中的逻辑电路通常可包括多个晶体管，用以控制该逻辑电路的运作以提供所需的功能及作业。更进一步的，晶体管的特定结构及其之间的链接关系通常是由编译器所决定，例如：暂存器转移语言编译器可由处理器所运作，将类似汇编语言码的脚本文件编译成适用于设计或制造该逻辑电路所需的形式。的确，暂存器转移语言在促进电子数字系统的设计程序中扮演着不可或缺的角色。

当可理解的是，图3所示的元件仅用以提供一说明的范例，并非用以限制本申请的保护范围。举例来说，时间敏感网络交换器可包括更多元件，例如：更多入口端口、更多出口端口、以及/或输入输出装置(可包括：一或多个按钮、发光装置、喇叭、键盘、鼠标、触碰板、以及/或显示设备等)。

图4根据本申请一实施例所述在时间敏感网络中支援类别本位排程的方法流程图。

在此实施例，本申请所述的方法适用于被设定为中央网络设定服务器(如：中央网络设定服务器113)的装置，以管理时间敏感网络交换器的设定。

在步骤S410，所述装置接收(如：来自于用户)应用周期设定。明确来说，应用周期设定指包括一或多个时隙的时间周期(time cycle)的设定，例如，应用周期设定可包括以下信息：(1)时间周期的名称；(2)时间周期的起始时间(或可称为基线时间(base time))；(3)时间周期的时长(duration)；(4)每个时隙的索引；(5)每个时隙的时长；(6)每个时隙对应的流量类别(此信息亦可被视为流量类别与时隙之间的映射)。也就是说，应用周期设定可被理解为包括流量类别与时隙之间的映射信息。

在一范例，流量类别可分为以下四类：尽力而为(Best Effort，BE)、周期性(Cyclic)、时序同步(Time Synchronization，TimeSync)、以及使用者自订(User-Define，UD)，但本申请不在此限。图5根据本申请一实施例所述用于设定时间周期的图形用户界面的示意图。如图5所示，时间周期的名称可被设定为“FA1”，时间周期的基线时间以“年:月:日:时:分:秒:微秒”的格式可被设定为“2020:02:10/12:01:01:00”，时间周期的时长可被设定为“1000微秒”。

在步骤S420，所述装置接收(如：来自于使用者)单播/群播群组设定。明确来说，单播群组设定指关连至时间敏感网络串流的单播群组的设定，例如，单播群组设定可包括以下信息：(1)时间敏感网络串流的名称；(2)单播的目的媒体存储控制位址；(3)发话者(talker)的网络协定(Internet Protocol，IP)位址；(4)受话者(listener)的网络协定位址；(5)属于流量类别的时间敏感网络串流的讯框型式(关于讯框型式的信息亦可被视为讯框型式与流量类别之间的映射)。也就是说，讯框型式与流量类别之间的映射关系可从单播群组设定中取得。

在一范例，讯框型式可分为以下六类：工业以太网控制及通信链接(Control andCommunication Link using Industrial Ethernet，CC-Link IE)、以太网络控制自动化技术(Ethernet for Control Automation Technology，EtherCAT)、程序总线网络(ProcessField Net，PROFINET)、以太网或工业协定(Ethernet/Industrial Protocol，Ethernet/IP)、使用者自订、以及时间敏感网络，但本申请不在此限。图6根据本申请一实施例所述用于设定单播群组的图形用户界面的示意图。针对CC-Link IE的讯框型式，用户可勾选核取方块以启用/停用子类型(Subtype)栏位的设定。需注意的是，只有对应到流量类别为BE、Cyclic、或UD(在图6中以灰底标示)的时隙才需要设定进行单播群组设定。

明确来说，多播群组设定指关连至时间敏感网络串流的多播群组的设定，例如，多播群组设定可包括以下信息：(1)时间敏感网络串流的名称；(2)多播的目的媒体存储控制位址；(3)发话者的网络协定位址；(4)受话者的网络协定位址；(5)属于流量类别的时间敏感网络串流的讯框型式(关于讯框型式的信息亦可被视为讯框型式与流量类别之间的映射)。也就是说，讯框型式与流量类别之间的映射关系可从多播群组设定中取得。图7根据本申请一实施例所述用于设定多播群组的图形用户界面的示意图。需注意的是，只有对应到流量类别为BE、Cyclic、或UD(在图7中以灰底标示)的时隙才需要设定进行多播群组设定。

在步骤S430，所述装置根据时间敏感网络串流的网络拓朴、应用周期设定、以及单播/多播群组设定而决定时间敏感网络串流所对应的路由路径、优先权代码点(PriorityCode Point，PCP)、以及闸道控制清单。明确来说，该装置可根据讯框型式以及单播/多播群组设定来决定优先权代码点以及虚拟区网识别码，或者，优先权代码点以及虚拟区网识别码可由使用者设定，至于闸道控制清单则可根据优先权代码点来决定。图8根据本申请一实施例所述一时间敏感网络串流的优先权代码点以及虚拟区网识别码的示意图。

在步骤S440，所述装置将闸道控制清单、单播/多播的目的媒体存储控制位址、以及虚拟区网识别码配置到路由路径上的每一时间敏感网络交换器。图9根据本申请一实施例所述每一时间敏感网络交换器被配置的闸道控制清单的示意图，其中所示的网络协定位址指时间敏感网络交换器的网络协定位址。图10显示图9的实施例中的闸道控制清单所对应的时间敏感网络串流的路由路径示意图。如图10所示，粗体线所标示的是多播的时间敏感网络串流的路由路径。

图11根据本申请另一实施例所述在时间敏感网络中支援类别本位排程的方法流程图。

在此实施例，本申请所述的方法适用于被中央网络设定服务器(如：中央网络设定服务器113)所设定的时间敏感网络交换器(如：时间敏感网络交换器111A/111B)。

在步骤S1110，时间敏感网络交换器从中央网络设定服务器接收时间敏感网络串流的讯框型式所对应的闸道控制清单、以及时间敏感网络串流的单播/多播目的媒体存储控制位址与虚拟区网识别码。

在步骤S1120，时间敏感网络交换器使用闸道控制清单、单播/多播目的媒体存储控制位址、以及虚拟区网识别码设定其出口端口。

在步骤S1130，时间敏感网络交换器从其入口端口接收讯框。

在步骤S1140，时间敏感网络交换器决定讯框是否包括虚拟区网标签(VLAN tag)。

接续步骤S1140，若讯框包括虚拟区网标签，则流程进入步骤S1150。反之，若讯框不包括虚拟区网标签，则流程进入步骤S1180。

在步骤S1150，时间敏感网络交换器将讯框送到出口端口。

在步骤S1160，时间敏感网络交换器根据虚拟区网标签中的优先权代码点将讯框放入对应的队列。

在步骤S1170，时间敏感网络交换器根据闸道控制清单中的排定条目(scheduledentry)在对应的时隙中传送讯框。

在步骤S1180，时间敏感网络交换器辨识讯框的串流识别码。

在步骤S1190，时间敏感网络交换器将串流识别码所对应的预定虚拟区网标签插入讯框中。

接续步骤S1190，流程回到步骤S1150。

根据上述实施例，当可理解的是，本申请实现了在包括非时间敏感网络终端装置的时间敏感网络中支援类别本位排程的数据串流传送，同时也满足端到端延迟保证。值得注意的是，用于纯时间敏感网络(意即：仅包括时间敏感网络终端装置的时间敏感网络)的串流本位排程(stream-based scheduling)方法，其针对不同时间敏感网络串流以及不同时间敏感网络交换器所计算得到的闸道控制清单是不相同的，相较之下，本申请中针对所有时间敏感网络交换器所计算得到的闸道控制清单都是一样的。再者，用于OT网络的传统的类别本位排程方法只会执行时隙设定，相较之下，本申请所提出的可满足端到端延迟保证的类别本位排程方法不仅会执行时隙设定，还会针对每个时隙可传送的数据串流进行设定。

本申请虽以各种实施例揭露如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本申请的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。因此上述实施例并非用以限定本申请的范围，本申请的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

于权利要求书中所使用的“第一”、“第二”等词用来修饰权利要求中的元件，并非用来表示之间具有优先权顺序，先行关系，或者是一个元件先于另一个元件，或者是执行方法步骤时的时间先后顺序，仅用来区别具有相同名字的元件。

【符号说明】

110:时间敏感网络

111A～111B:网络装置

112A～112F:终端装置

122:核心网络

10:收发器

20,60:控制器

30,51:存储媒体

40:入口端口

50:出口端口

Q0～Q7:队列

G0～G7:闸道

S410～S440,S1110～S1190:步骤编号。