基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信装置的制作方法

本发明涉及通信，尤其涉及一种基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信装置。

背景技术：

1、在工业自动化、智能网联汽车、轨道交通及航空航天等高安全关键领域中，通信系统不仅需要支持海量异构设备的接入，还必须满足低延迟、高可靠及确定性传输的严格要求。当前主流的实时数据通信中间件主要包括数据分发服务（ data distributionservice，dds）与消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，mqtt）两种协议体系。

2、dds协议采用以数据为中心的发布/订阅（data-centric publish-subscribe，dcps）模型，具备丰富的服务质量（quality of service，qos）策略，如截止时间、存活时间、可靠性等，能够支持微秒级的端到端通信延迟，广泛应用于军工、航电及高端工业控制等对实时性要求极高的场景。然而，dds协议栈较为复杂，资源消耗较高，通常运行于高性能处理器及以太网环境，难以直接部署于资源受限的边缘设备或低功耗终端。

3、mqtt协议则基于代理（broker）的发布/订阅架构，协议轻量、实现简单、带宽占用低，非常适合于物联网（internet of things，iot）场景下的传感器数据采集与云端上报。但mqtt依赖中心化broker进行消息转发，且底层基于tcp/ip的“尽力而为”传输机制，无法提供确定性的时间保障，在控制指令下发等关键业务中容易产生不可预测的传输延迟。

4、与此同时，随着工业互联网与车载网络向云-边-端一体化架构演进，系统内部既包含对实时性要求极高的dds控制域，又包含大量基于mqtt的感知与监控域。现有技术通常采用应用层协议转换网关实现mqtt与dds的互通，即通过在软件层面将mqtt主题映射为dds主题，或将dds数据封装为mqtt消息。这种方案虽然解决了语法层面的互通问题，但存在以下显著缺陷：

5、第一，缺乏确定性传输保障。无论是mqtt还是dds，在现有方案中均运行在传统的非确定性以太网上，受网络拥塞、队列抖动等因素影响，无法保证关键数据的端到端有界延迟。

6、第二，时间语义缺失。mqtt与dds各自独立运行，缺乏统一的全局时间基准，无法实现跨协议的时间同步调度与协同控制。

7、第三，qos无法垂直贯通。mqtt的qos（最多一次、最少一次、恰好一次）与dds的qos（延迟、截止期、优先级）相互独立，无法实现从应用层到链路层的端到端服务质量联动。

8、第四，mqtt轻量化与dds实时性难以兼顾。现有技术无法在同一通信装置中同时兼顾资源受限节点的低功耗接入与关键控制域的高实时数据分发，导致系统架构被迫拆分为相互独立的网络孤岛，增加了部署成本与复杂度。

9、第五，跨域安全与流量隔离不足。现有技术缺乏对两类流量的时间隔离与安全隔离机制，非关键性的mqtt监控流量容易抢占关键dds控制流量的带宽与时隙，存在安全隐患与实时性风险。

10、近年来，时间敏感网络（time-sensitive networking，tsn）作为ieee 802.1系列标准，通过时间感知整形（time-aware shaping，tas）、帧抢占（frame preemption）、时钟同步（generalized precision time protocol，gptp）等技术，为以太网提供了确定性的低延迟传输能力。然而，目前尚无成熟的解决方案能够将tsn的时间确定性能力与mqtt、dds两种协议进行有效融合，以同时满足异构网络互通、资源受限适配及确定性通信的综合需求。

11、因此，亟需一种能够在时间敏感网络环境下，实现mqtt与dds深度融合、具备确定性传输能力的方法，解决现有技术中异构协议互通难、实时性无保障、时间语义割裂的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信装置，用以解决现有技术中异构协议互通与确定性传输割裂、全局时间语义缺失、跨层服务质量无法贯通以及混合流量隔离不足的缺陷，实现端到端确定性通信保障、跨协议时间语义统一、服务质量垂直联动及异构流量确定性共存。

2、本发明提供一种基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信装置，包括：

3、确定性交换模块，用于提供全局时间基准，并基于时隙门控机制对多源异构数据流量进行确定性调度与优先级整形；

4、第一协议接入模块，与所述确定性交换模块连接，用于接入采用第一通信协议进行数据交互的第一客户端节点，并执行面向非周期性事件触发模式的数据收发；

5、第二协议接入模块，与所述确定性交换模块连接，用于接入采用第二通信协议进行数据交互的第二客户端节点，并执行面向周期性实时数据分发模式的数据收发，其中所述第二通信协议的服务质量策略粒度大于所述第一通信协议；

6、协议融合映射模块，分别与所述第一协议接入模块和所述第二协议接入模块连接，用于执行所述第一通信协议与所述第二通信协议之间的数据格式转换、主题映射及服务质量参数映射；

7、其中，所述确定性交换模块通过时钟同步分别与所述第一协议接入模块和所述第二协议接入模块建立全局统一时间基准；所述协议融合映射模块被配置为将所述第一通信协议的服务质量参数和所述第二通信协议的服务质量参数映射为所述确定性交换模块的流量优先级和门控调度列表，以进行跨协议的服务质量贯通。

8、在一个可能的实施方式中，所述确定性交换模块包括：

9、时钟同步单元，用于作为主时钟源周期性发送同步报文，并接收从时钟节点的偏差反馈；时间感知整形单元，与所述时钟同步单元连接，用于根据门控调度列表将通信周期划分为固定时隙，并在保护时隙内优先转发第一优先级数据；帧抢占单元，与所述时间感知整形单元连接，用于在检测到第一优先级数据待发送且当前正在传输第二优先级数据时，中断第二优先级数据的传输以优先发送第一优先级数据，其中，所述第一优先级高于所述第二优先级；

10、所述确定性交换模块被配置为识别所述第一协议接入模块的非周期性数据流量和所述第二协议接入模块的周期性数据流量，将周期性控制数据划分为第一优先级队列并分配至保护时隙，将非周期性数据划分为第二优先级队列并在剩余时隙中进行统计复用；

11、所述确定性交换模块正在传输第二优先级数据帧且检测到第一优先级控制数据帧待发送时，触发帧抢占机制，中断第二优先级数据帧的传输，插入并优先发送第一优先级数据帧，待第一优先级数据帧发送完毕后恢复被中断的第二优先级数据帧的传输。

12、在一个可能的实施方式中，所述第一协议接入模块包括：

13、第一协议服务单元，用于对接所述第一客户端节点；

14、第一服务质量管理单元，与所述第一协议服务单元连接，用于管理第一通信协议的消息投递级别；

15、虚拟优先级赋予单元，与所述第一服务质量管理单元连接，用于根据第一通信协议的报文属性及主题分类规则，为数据赋予虚拟优先级，以供所述协议融合映射模块进行服务质量参数映射；

16、当所述第一协议接入模块订阅所述第二协议接入模块的数据时，所述协议融合映射模块实时将第二协议数据封装为第一协议报文；

17、当所述第一协议接入模块发布数据时，所述协议融合映射模块将第一协议报文解封装并注入第二协议数据空间，过程中保留时间戳与服务质量元数据。

18、在一个可能的实施方式中，所述第二协议接入模块包括：

19、第二协议栈单元，用于对接所述第二客户端节点，并支持发布/订阅模型；

20、第二服务质量策略管理单元，与所述第二协议栈单元连接，用于管理数据截止期、优先级、可靠性和持久性策略。

21、在一个可能的实施方式中，所述协议融合映射模块包括：

22、主题映射表，用于存储第一通信协议主题与第二通信协议主题之间的映射关系；

23、服务质量转换规则表，用于存储所述第一通信协议与所述第二通信协议的服务质量参数之间的转换规则；

24、数据格式转换单元，分别与所述主题映射表和所述服务质量转换规则表连接，用于在所述第一通信协议与所述第二通信协议的报文格式之间进行双向转换；

25、元数据处理单元，与所述数据格式转换单元连接，用于在协议转换过程中保留和同步时间戳与服务质量元数据。

26、在一个可能的实施方式中，所述协议融合映射模块将第二通信协议的传输优先级数值区间映射为所述确定性交换模块的流量类别，将第二通信协议的延迟预算和截止期约束映射为门控调度列表与时隙分配策略，将同一主题下多源数据的仲裁权重映射为内部调度权重；

27、所述协议融合映射模块将第一通信协议的消息投递级别、保留标志及用户属性结合主题分类规则赋予虚拟优先级，并将所述虚拟优先级映射为所述确定性交换模块的优先级编码及时间门控列表。

28、本发明还提供一种基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信方法，包括：

29、将确定性交换模块作为主时钟源，通过时钟同步协议为第一协议接入模块和第二协议接入模块提供全局时间同步，建立全局统一时间基准；

30、基于所述全局统一时间基准，对来自第一协议接入模块的非周期性数据流量和来自第二协议接入模块的周期性数据流量进行时间戳对齐与业务重要性识别，划分得到优先级队列；

31、根据所述优先级队列，将第一通信协议的服务质量参数和第二通信协议的服务质量参数映射为所述确定性交换模块的流量优先级和门控调度列表，生成跨协议服务质量贯通策略；

32、依据所述跨协议服务质量贯通策略，将通信周期划分为固定时隙，将第一优先级的周期性控制数据分配至保护时隙，将非周期性数据在剩余时隙中进行统计复用，得到确定性传输调度方案；

33、在所述确定性传输调度方案的约束下，通过协议融合映射模块执行第一通信协议与第二通信协议之间的双向数据转换、主题映射及元数据处理，以进行异构协议融合确定性通信。

34、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信方法。

35、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信方法。

36、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信方法。

37、本发明提供的基于时间敏感网络的异构协议融合确定性通信装置，包括：确定性交换模块，用于提供全局时间基准，并基于时隙门控机制对多源异构数据流量进行确定性调度与优先级整形；第一协议接入模块，与所述确定性交换模块连接，用于接入采用第一通信协议进行数据交互的第一客户端节点，并执行面向非周期性事件触发模式的数据收发；第二协议接入模块，与所述确定性交换模块连接，用于接入采用第二通信协议进行数据交互的第二客户端节点，并执行面向周期性实时数据分发模式的数据收发，其中所述第二通信协议的服务质量策略粒度大于所述第一通信协议；协议融合映射模块，分别与所述第一协议接入模块和所述第二协议接入模块连接，用于执行所述第一通信协议与所述第二通信协议之间的数据格式转换、主题映射及服务质量参数映射；其中，所述确定性交换模块通过时钟同步分别与所述第一协议接入模块和所述第二协议接入模块建立全局统一时间基准；所述协议融合映射模块被配置为将所述第一通信协议的服务质量参数和所述第二通信协议的服务质量参数映射为所述确定性交换模块的流量优先级和门控调度列表，以进行跨协议的服务质量贯通。相比于现有技术中异构协议互通与确定性传输割裂、全局时间语义缺失、跨层服务质量无法贯通以及混合流量隔离不足的缺陷，由本方案，实现端到端确定性通信保障、跨协议时间语义统一、服务质量垂直联动及异构流量确定性共存。