一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法及装置与流程

1.本发明涉及车载领域，尤其涉及一种基于面向服务架构的时间敏感网络装置及方法。


背景技术：

2.tsn(时间敏感网络)在工业和汽车领域应用越来越广泛，尤其在汽车领域，随着汽车ee架构的不断演进和中央计算的迭代，时间敏感网络将会逐步替代原来的can网络，同时汽车ecu与工业设备不同，汽车数据消息相对固定，对敏感网络生效时间要求极高，同时配置系统与工业设备有一定区别，如图1中的ieee 802.1qcc定义的配置模型。cuc(centralized user configuration中央用户配置)下发配置消息给cnc(centralized network configruation,中央网络配置)，由cnc发送给到每个bridge(网桥)，一般工业设备采用这种通信系统和方式没有问题，但是在汽车里面的架构与工业不同，因此难以现有的工业系统架构应用于现有的汽车：
3.缺点1，汽车上电启动后，tsn网络需要立即生效，如果每次汽车启动的时候都需要从cnc或者cuc获取配置，然后配置bridge，汽车正常运行状态将会在10s以后，显然不符合实际情况：
4.缺点2，当前汽车网关switch各个厂家的各不相同，配置命令，配置信息都大不相同，有些还是fpga实现，通过统一的命令方式无法实现。
5.缺点3，yang mode模式的传输属于明文传输，而且是可视化的，一旦被截获，很容易破解并且得知整个汽车的网络设计与架构，汽车很容易遭到攻击。
6.缺点4，汽车ecu会面临fota升级，传输数据流在升级中也会发生变化，这种系统架构并没有考虑到这些问题，会导致fota升级后，tsn网络不正常，导致整个汽车网络安全受到威胁。


技术实现要素：

7.基于现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，至少包括：tsn网关、cnc通过车载以太网接口接入到车载以太网内部网络中；汽车acc上电后，位于车载以太网内部的tsn网关通过内部交换机读取flash中的tsn配置信息进行时间同步，其中flash中存储默认tsn配置信息；当cuc存在新的请求或配置信息发生改变需要传输至cnc时，cuc通过将配置信息传输至cnc进行更新。
8.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cuc通过https传输协议将相应信息传输至中央网络配置进行更新，通过单一的https连接请求发起多重的请求
‑
响应消息，多个请求数据流共享一个tcp连接，实现多流并行传输。
9.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cnc接收到配置信息后，通过计算和规划对比现有网络配置和拓扑，得到更新的配置信息。
10.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，配置信息至少包括：
针对车载多媒体影音的流量预约带宽策略；tsn交换机在数据平面为预约带宽流量提供基于信用的整形器机制，控制平面采用流资源预约协议srp动态的预约网络资源；
11.或针对adas的周期性的关键实时信息的控制策略，具体包括：数据平面通过循环队列转发qch整形机制以及基于时间的门控逻辑；在控制平面采用基于集中控制器的流配置方式对数据进行冗余配置；
12.或针对特定场景的信息传输控制策略，至少具体包括：汽车骨干网络，车载网络中节点相对固定关键摄像头的视频流信息，关键传感器的周期性控制信息采用静态分配网络资源。
13.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cnc通过tsn master config进行配置信息封包，然后通过some/ip协议或dds协议，将配置信息通过服务订阅的方式发送给每个tsn网关；
14.tsn为底层，dds位于tsn之上，应用层中的应用程序根据需求将配置信息写入dds层或some/ip层，然后通过dds层或some/ip层将数据传输至tsn层将数据发送给tsn网关。
15.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，tsn网关通过some/ip协议或dds协议，作为客户端，获得配置信息，通过tsn client模块解析并生成符合自己本身的配置命令和参数；
16.tsn网关配置信息生效，得到最新的状态信息，tsn网关通过some/ip协议和dds协议传输到cnc，cnc通过tsn网关发送的信息判断整个网络状态和运行安全。
17.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cnc在得到正确的网络状态信息匹配后，下发存储命令至tsn网关，每个tsn网关在收到存储命令后，将最新的配置保存到flash中，下一次上电后即可开机运行。
18.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cnc与tsn网关采用dds协议进行通信；
19.在dds协议中，设有dds域，在dds域下，设有dds域参与者，每个dds参与者下设有发布者和订阅者；
20.dds协议架构包括：应用层、核心层、适配层，其中，应用层为应用程序提供调用dds的接口；核心层实现了基于主题的发布订阅，可配置的服务质量，以及节点自发现机制；适配层，实现了网络传输插件的管理和系统适配接口，网络传输插件支持用户自行扩展的插件。
21.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cnc与tsn网关通过dds协议进行通信，cns和tsn网关都设有dds协议层；
22.tsn层获取dds层的数据后，读取数据的qos服务，根据qos服务在隐射表中查找与自身相匹配的控制策略，通过匹配的控制策略，择机将数据通过物理层发送给网络节点；
23.当网络节点收到数据后，tsn将数据解析后，将数据传送给dds层，与数据读取器对应的监听器时刻监听着dds层中新数据，发现有订阅的数据就接收报文并通过发布订阅中间件解析交付给对应数据读取器，数据读取器获取数据后发送报文通知应用程序，完成数据交换；
24.其中，qos服务至少设有：车载多媒体影音的流量预约带宽标识类型，adas的周期性的关键实时信息标识类型，特定场景的信息传输，并通过在报文增加匹配标识符，tsn层
对报文解析后根据匹配标识符调用对应的控制策略。
25.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，在dds协议进行通信的过程中，当网络中有新的节点加入时，参与者采用udp多播的形式向同一个域内的参与者周期性地发送带有自身信息的消息，接收端的参与者将会记录发送端参与者的信息，准备开始第二阶段的发现过程；
26.第二阶段发现过程包括：发送端将主题信息、发布者/订阅者信息、服务质量、以及网络地址通过内部主题消息发送给建立连接的参与者，接收端参与者会与本节点进行信息匹配，只有主题一致，qos匹配才能建立发布订阅关系，建立好的发布订阅关系会被记录在发布订阅关系表中。
27.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，cuc、cnc、tsn网关、终端，其中，中央用户配置通过无线方式或有线的方式与cnc相连接，tsn网关与cnc相连接，其连接方式为车载以太网，总线为光纤以太网总线或单对非屏蔽双绞线，终端与tsn网关相连接；tsn网关根据需求配置能够与预设的tsn网关相互通信；
28.tsn网关至少设有soa中间件，tsn用户配置模块、tsn sdk工具包、tsn交换机、flash，其中，soa中间件用于数据的发送与接收；tsn用户配置模块用于根据来自soa中间件的相关配置信息写入配置文件；tsn sdk工具包用于将soa的配置文件写入tsn交换机；
29.flash用于存储配置文件。
30.一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信方法，进一步地，在dds协议进行通信的过程中，dds节点在网络中建立连接的方法包括：
31.参与者被创建之后，开始第一阶段自发现过程，发送端参与者根据初始化列表中的节点信息，周期性地将带有自身信息的消息发送给其他参与者；如果其他参与者与该节点未建立连接关系，那么接收端的参与者将会记录发送端参与者的信息，准备开始第二阶段的发现过程；
32.如果其他参与者与该节点已经建立连接关系，接收端节点将不再进行第二阶段发现，只用通过心跳消息监测发送端参与者的有效性；
33.在第二阶段发现过程中，发送端参与者将主题信息、发布者/订阅者信息、qos、以及网络地址通过内部主题消息发送给建立连接的参与者，接收端参与者根据接收到的信息与自身的主题、服务质量进行匹配判断，如果兼容则建立起发布订阅关系，否则建立通道失败。
34.有益效果：
35.1.本发明提供的技术方案中，对现有的工业以太网的架构进行改进，基于soa架构的tsn系统搭建dds或some/ip解决了tsn网络的安全传输，同时配置信息固化到每个网关的flash存储当中，汽车上电后，网关从flash读取配置启动，1
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2s即可实现整个tsn网络的整车运行，通过soa状态服务，cnc(centralized network configruation,cnc)还可以获取每个网关状态信息，实现tsn网络的状态实时监控。
36.2.本发明提供的技术方案中，在cuc传输数据是采用http协议并且利用单一的https连接请求发起多重的请求
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响应消息，多个请求数据流共享一个tcp连接，实现多流并行传输，能够提升数据传输效率，对降低tsn的传输延迟起到辅助作用。
37.3.本发明提供的技术方案中，对dds协议与tns协议的配合传输进行适配，在dds协
议中详细定于qos服务并且设置匹配标识符，tsn接收到，能够直接根据qos的种类选择适配的流量传输控制策略，能够降低数据传输出错率。避免传统的tsn传输中，需要从应用程获得数据类型和优先级的标识，在进行选择控制策略。
38.4.本发明提供的技术方案中，针对汽车行业的特点，在tsn协议中针对不同的流量数据定义不同的控制策略，使其能够适配汽车场景。
附图说明
39.以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
40.图1为本发明中现有的工业tsn的网络架构示意图。
41.图2为本发明一实施例中改进的汽车tsn网络架构示意图。
42.图3为本发明一实施例中dds层、some/ip层、tsn层之间的位置关系图。
43.图4为本发明一实施例中汽车tsn层与dds层的网络架构示意图。
44.图5为本发明一实施例中汽车tsn层、dds协议、rtps协议栈的网络架构图。
具体实施方式
45.为了对本文的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。为使图面简洁，各图中的示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
46.关于控制系统，功能模块、应用程序(app)本领域技术人员熟知的是，其可以采用任何适当的形式，既可以是硬件也可以是软件，既可以是离散设置的多个功能模块，也可以是集成到一个硬件上的多个功能单元。作为最简单的形式，所述控制系统可以是控制器，例如组合逻辑控制器、微程序控制器等，只要能够实现本技术描述的操作即可。当然，控制系统也可以作为不同的模块集成到一个物理设备上，这些都不偏离本发明的基本原理和保护范围。
47.本发明中“连接”，即可包括直接连接、也可以包括间接连接、通信连接、电连接，特别说明除外。
48.本文中所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另作规定。还将理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”是指存在有所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组分，但是并不排除存在有或额外增加一个或多个其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组分和/或其组成的群组。作为在本文中所使用的，术语“和/或”包括列举的相关项的一个或多个的任何和全部的组合
49.应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的
车辆。
50.此外，本公开的控制器可被具体化为计算机可读介质上的非瞬态计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器或类似物执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括，但不限于，rom、ram、光盘(cd)
‑
rom、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在通过网络耦合的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(can)以分布式方式存储和执行。
51.基于现有技术的缺陷，本发明提供一种基于面向服务架构的时间敏感网络通信装置及方法，参见图2，装置具体包括：
52.中央用户配置(centralized user configuration，cuc)、中央网络配置(centralized network configruation,cnc)、tsn网关、终端，其中，中央用户配置通过无线方式或有线的方式与cnc相连接，tsn网关与cnc相连接，其连接方式为车载以太网，总线可以为光纤以太网总线或单对非屏蔽双绞线，终端与tsn网关相连接；
53.tsn网关根据需求配置能够与预设的tsn网关相互通信；
54.tsn网关至少设有soa(service
‑
oriented architecture)中间件，tsn用户配置模块(tsn client config)、tsn sdk工具包、tsn交换机、flash(存储器)，其中，soa(service
‑
oriented architecture)中间件用于数据的发送与接收；tsn用户配置模块用于根据来自soa中间件的相关配置信息写入配置文件；
55.tsn sdk工具包用于将soa的配置文件写入tsn交换机；
56.flash用于存储配置文件。
57.基于上述修正的硬件架构，本实施例提供了一种基于面向服务架构的时间敏感网络的数据通信方法，具体包括：
58.tsn网关、终端、中央网络配置通过以太网接口接入到车载以太网内部网络中；
59.汽车acc上电后，位于车载以太网内部的每个tsn网关通过内部交换机读取flash的tsn配置信息进行时间同步；
60.tsn网关至少包括：tsn交换机和flash存储器，其中flash中存储默认tsn配置信息。
61.中央网络配置与中央用户配置通过t
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box无线连接并进行数据交换，中央用户配置存在新的请求或配置信息发生改变需要传输至中央网络配置时，中央用户配置通过https传输协议将相应信息传输至中央网络配置进行更新，通过单一的https连接请求发起多重的请求
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响应消息，多个请求stream共享一个tcp连接，实现多流并行传输。
62.中央用户配置至少用于收集终端业务的带宽时延抖动需求；
63.中央网络配置进行更新具体包括以下步骤；
64.cnc接收到配置信息以后，通过计算和规划对比现有网络配置和拓扑，得到更新的配置信息。
65.配置信息包括：
66.针对车载多媒体影音的流量预约带宽策略，具体包括：tsn交换机在数据平面为预约带宽流量提供基于信用的整形器机制，控制平面采用流资源预约协议srp(802.1qat)动态的预约网络资源；发送方首先定义流量的规范，包括最大分组尺寸和带宽等信息，然后从
发送方开始向接收方发送预约资源的消息：包含流id，流规范，分组mac地址，vlan id和优先级等信息。
67.针对adas的周期性的关键实时信息的控制策略，具体包括：数据平面通过循环队列转发qch整形机制以及基于时间的门控逻辑保证端到端信息传递的确定性延时；在控制平面采用基于集中控制器的流配置方式对数据进行冗余配置，通过集中计算对周期性调度的时间敏感流量，集中计算具体包括：交换路径、资源需求和调度参数。
68.采用802.1qcc协议，除了可以支持更多数目的流资源预约外，还支持集中的网络通过集中的网络控制器cnc(central network controller)通过集中计算和配置交换设备。
69.针对特定场景的信息传输控制策略，具体包括：汽车骨干网络，车载网络中节点相对固定关键摄像头的视频流信息，关键传感器的周期性控制信息采用静态分配网络资源。
70.针对特点场景的传输控制策略，由于场景较为封闭，不会随着时间的变化而发生较大变化，采用静态的分配网络资源，能够大大简化资源管理的复杂性。
71.cnc通过tsn master config进行配置信息封包，然后通过some/ip协议或dds协议，将配置信息通过服务订阅的方式发送给每个tsn网关。参见图3，tsn为底层，dds位于tsn之上，应用层中的应用程序根据需求将配置信息写入dds层或some/ip层，然后通过dds层或some/ip层将数据传输至tsn层将数据发送给tsn网关。
72.tsn网关通过some/ip协议或dds协议，作为客户端，获得配置信息，通过tsn client模块解析并生成符合自己本身的配置命令和参数；
73.tsn网关配置信息生效，得到最新的状态信息，通过some/ip协议和dds协议传输到cnc，这样cnc对整个网络状态和运行安全情况非常清楚。
74.cnc在得到正确的网络状态信息匹配后，下发存储命令，每个tsn网关在收到存储命令后，将最新的配置，保存到flash中，下一次上电后即可开机运行。
75.cnc发送配置信息给tsn网关有两种方式：
76.第一种是总体配置信息发送给每个网关，由各个网关按照拓扑架构生成自己的配置；
77.第二种tsn master config根据整体架构拓扑，生成各个网关配置信息。然后通过soa发送给各个网关，因为每个tsn交换网关的配置信息肯定是不一样的，服务器只需要将总体配置信息给到tbox，由tbox的tsn master config，基于汽车整体网络架构信息，通过核心算法，得到各个网关的配置信息。
78.具体地，some/ip主要为应用层提供api接口，创建cs接口，通过tcp/ip协议进行通信；而some/ip的访问方式分为三种，分别是事件通知，远程过程调用和访问进程数据。
79.具体地，some/ip包括：
80.事件通知包括：服务端周期性或者事件变化时向客户端发送特定的数据；
81.远程过程调用是当客户端有请求的时候，向服务端发送请求命令，服务端解析命令，并作出相应的响应；
82.访问进程数据可以使客户面向服务器写入(setter)或者读取(getter)数据；
83.some/ip支持udp和tcp进行数据传输，为了可靠通信，some/ip回退到tcp。
84.some/ip需要在tls或dtls上运行；
85.some/ip在tls上运行能够具备较好的效果。
86.具体地，优选的，cnc与tsn网关采用dds协议进行通信；
87.具体地，本实施例中，参见图4，在dds层中，设有dds域，在dds域下，设有dds域参与者，每个dds参与者下设有发布者和订阅者；
88.发布者都有设有数据写入器，数据写入历史记录；
89.订阅者设有数据读取器、数据读取历史记录；
90.dds协议架构包括：应用层、核心层、适配层，其中，应用层为应用程序提供调用dds的接口，实现了发布、订阅过程中涉及到的域、域参与者、发布者、数据写入器、订阅者、数据读取器、监听器；
91.核心层实现了基于主题的发布订阅，可配置的服务质量(qos)，以及节点自发现机制；
92.适配层，实现了网络传输插件的管理和系统适配接口，网络传输插件支持用户自行扩展的插件。
93.本实施例中，定义dds对网络地址的格式定义，由3部分组成:参与者id范围、传输插件名称、网络地址；
94.参与者id范围，指定当前节点可用于通信的参与者id的范围，传输插件名称对应不同的网络类型，网络地址对应具体网络协议的地址描述形式，例如，以太网对应的ip地址、端口号。
95.具体处于dds节点在网络中建立连接的方法包括：
96.参与者被创建之后，开始第一阶段自发现过程，发送端参与者根据初始化列表中的节点信息，周期性地将带有自身信息的消息发送给其他参与者；如果其他参与者与该节点未建立连接关系，那么接收端的参与者将会记录发送端参与者的信息，准备开始第二阶段的发现过程。如果其他参与者与该节点已经建立连接关系，接收端节点将不再进行第二阶段发现，只用通过心跳消息监测发送端参与者的有效性。
97.在第二阶段发现过程中，发送端参与者将主题信息、发布者/订阅者信息、服务质量、以及网络地址通过内部主题消息发送给建立连接的参与者，接收端参与者根据接收到的信息与自身的主题、服务质量进行匹配判断，如果兼容则建立起发布订阅关系，否则建立通道失败；
98.当网络中有新的节点加入时，参与者采用udp多播的形式向同一个域内的参与者周期性地发送带有自身信息的消息，接收端的参与者将会记录发送端参与者的信息，准备开始第二阶段的发现过程；
99.第二阶段发现过程包括：发送端将主题信息、发布者/订阅者信息、服务质量、以及网络地址通过内部主题消息发送给建立连接的参与者，接收端参与者会与本节点进行信息匹配，只有主题一致，qos匹配才能建立发布订阅关系，建立好的发布订阅关系会被记录在发布订阅关系表中；
100.当一个发送节点与多个接收节点进行自发现时，不必等待与所有接收端参与者第一阶段发现过程完成再开始第二阶段的发现过程；
101.tsn协议栈设有：针对车载多媒体影音的流量预约带宽策略，针对adas的周期性的关键实时信息的控制策略以及针对特定场景的信息传输控制策略。
102.为了使得dds发送的数据能够与tsn协议栈匹配，在dds层中通过qos设计与tsn协议栈相匹配的控制策略，如：qos针对不同的传输数据类型，设计与数据类型匹配的qos控制策略，本实施例中，qos至少设有：车载多媒体影音的流量预约带宽标识类型，adas的周期性的关键实时信息标识类型，特定场景的信息传输，并通过在报文增加匹配标识符，tsn层对报文解析后根据匹配标识符调用对应的控制策略。
103.具体地，当应用程序将对应类型的数据发送给dds层，dds通过同一节点上会有多个应用程序进行发布订阅，应用程序根据数据对应的主题名判断对数据是否感兴趣；发布者创建数据写入器来发布它可提供的数据，订阅者创建数据读取器订阅感兴趣的数据。
104.数据写入器将要发布的数据交由发布订阅中间件处理，发布订阅中间件根据发现协议匹配的节点信息将数据封装交由tsn层发送到网络上，与数据读取器对应的监听器时刻监听着网络，发现有订阅的数据就接收报文并通过发布订阅中间件解析交付给对应数据读取器；
105.tsn层获取dds层的数据后，读取数据的qos服务，根据qos服务在隐射表中查找与自身相匹配的控制策略，通过匹配的控制策略，择机将数据通过物理层发送给网络节点；
106.当网络节点收到数据后，tsn将数据解析后，将数据传送给dds层，与数据读取器对应的监听器时刻监听着dds层中新数据，发现有订阅的数据就接收报文并通过发布订阅中间件解析交付给对应数据读取器，数据读取器获取数据后发送报文通知应用程序，完成数据交换。
107.具体地，参见图5，dds层还可以搭配rtps协议使用，使其更为灵活，提供高实时性：
108.具体地，记录仓库形成了dds实体与其对应的rtps实体之间的接口；
109.记录仓库是dds和rtps之间接口的一部分，在读取器和写入器端扮演不同的角色；在写入端，记录仓库包含相应dds写入器对数据对象所做更改的部分历史记录，这些数据对象需要为现有和未来匹配的rtps读取器端点提供服务；所需的部分历史取决于dds qos和与匹配的rtps读取器端点的通信状态。
110.在读取器方面，它包含所有匹配的rtps writer端点对数据对象所做更改的部分叠加；
111.步骤s1：对dds datawriter的每个写操作都会向其对应的rtps writer的记录仓库添加一个变更记录。
112.步骤s2：rtps writer随后将变更记录传输到所有匹配的rtps reader的记录仓库。
113.步骤s3：在接收端，rtps reader通知dds datareader一个新的变更记录已经到达记录仓库，此时dds datareader可以选择使用dds read或take api来访问它。
114.本实施例通过对dds协议与tsn协议进行适配，对硬件进行了隔离，符合当前汽车松散的软硬件架构，更加灵活。
115.本发明以上实施例结合现有汽车网关与工业bridge区别，基于soa架构的tsn系统搭建dds或some/ip解决了tsn网络的安全传输，同时配置信息固化到每个网关的flash存储当中，汽车上电后，网关从flash读取配置启动，1
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2s即可实现整个tsn网络的整车运行，通过soa状态服务，cnc(centralized network configruation,cnc)还可以获取每个网关状态信息，实现tsn网络的状态实时监控。
116.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。本领域的技术人员可以清楚，该实施例中的形式不局限于此，同时可调整方式也不局限于此。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。