通过操作虚拟区网标签在时间敏感网络与非时间敏感网络之间路由封包的装置及方法与流程

1.本技术有关于时间敏感网络通信，特别有关于一种通过操作虚拟区网(virtual local area network，vlan)标签在时间敏感网络(time
‑
sensitive networking，tsn)与非时间敏感网络之间路由(route)封包的装置及方法。


背景技术：

2.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运营技术(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。
3.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网关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(time
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sensitive networking，tsn)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。
4.然而，由于时间敏感网络标准还在由电机电子工程师学会802.1工作小组持续讨论中，许多操作细节还未明确制定，包括如何致能(enable)时间敏感网络与非时间敏感网络之间的互通性。


技术实现要素：

5.本技术提出一种装置及方法，根据串流(stream)识别码与虚拟区网(virtual local area network，vlan)标签的映射(mapping)、以及串流识别码与虚拟区网标签指标的映射，在时间敏感网络与非时间敏感网络之间路由封包，从而致能时间敏感网络与非时间敏感网络之间的互通性。
6.本技术的一实施例提供了一种装置，其包括存储媒体以及控制器。上述存储媒体用以存储一或多个第一串流识别码与一或多个第一虚拟区网标签之间的第一映射、以及上述第一串流识别码与一或多个虚拟区网标签指标之间的第二映射。上述控制器耦接至上述存储媒体，并用以根据上述第一映射与上述第二映射在时间敏感网络与非时间敏感网络之间路由(route)至少一封包；其中上述封包的路由包括：识别上述封包的第二串流识别码；决定上述第二串流识别码是否符合(match)上述第一映射或上述第二映射中上述第一串流识别码之一者；因应上述第二串流识别码符合上述第一串流识别码之一者且上述封包由上述非时间敏感网络被路由至上述时间敏感网络，而根据上述第一映射中上述第一串流识别
network configuration，cnc)服务器113，中央网络配置服务器113连接至网络装置111a～111d，以管理网络装置111a～111d的配置。网络装置111a～111d的每一者可连接至一或多个终端装置，举例来说，网络装置111a可连接至机具(如：112a)，网络装置111b可连接至监视摄影机(如：112b)，网络装置111c可连接至机器手臂(如：112c)，网络装置111d可连接至输送器(如：112d)。
18.网络装置111a～111d的每一者负责将终端装置112a～112d连接到时间敏感网络110，以致能时间敏感网络110内部的实时确定性的操作。特别是，这些网络装置之一，如：网络装置111a，用以作为时间敏感网络网关，负责连接时间敏感网络110以及非时间敏感网络120，让数据串流的封包得以在时间敏感网络110与非时间敏感网络120之间路由。
19.中央网络配置服务器113负责管理网络装置111a～111d的配置，以实现时间敏感网络110内部的实时确定性的操作。明确来说，中央网络配置服务器113可执行拓扑探索(topology discovery)程序以决定时间敏感网络110的拓扑，并根据时间敏感网络110的拓扑以及其他参数决定数据串流的封包要走的通信路径。上述其他参数可包括数据串流在时间敏感网络110中传送时的延迟信息、以及网络装置111a～111d在路由数据串流的封包时的负载信息。
20.在一实施例，中央网络配置服务器113可提供串流识别码与虚拟区网标签的映射(可称为第一映射)、以及串流识别码与虚拟区网标签指标的映射(可称为第二映射)给网络装置111a，以配置数据串流的封包在时间敏感网络110与非时间敏感网络120之间路由的通信路径。同样地，中央网络配置服务器113可分别提供串流识别码与虚拟区网标签的各自映射、以及串流识别码与虚拟区网标签指标的各自映射给网络装置111b～111d，以配置数据串流的封包在时间敏感网络110中路由的通信路径。
21.明确来说，提供给网络装置111a～111d的映射信息根据时间敏感网络110的拓扑、数据串流的串流识别码与延迟信息、以及/或网络装置111a～111d的负载信息而决定。
22.上述映射中的每个串流识别码可由以下至少一者所组成：目的地址、来源地址、以太类型(ethertype)、以及子类型(subtype)。目的地址、来源地址、以及以太类型皆为以太网封包的标头(header)栏位，而子类型为以太网封包的酬载(payload)栏位的一部分，其中以太网封包符合由电机电子工程师学会(institute of electrical and electronics engineers，ieee)802.1工作小组所制定的时间敏感网络标准。
23.在一实施例，每个串流识别码可由以太类型以及子类型(如：酬载栏位的第一比特组)所组成，而每个虚拟区网标签可包括虚拟区网识别码以及优先权代码点(priority code point，pcp)，其中虚拟区网识别码与优先权代码点皆为以太网封包的标头栏位，以太网封包符合由电机电子工程师学会802.1工作小组所制定的时间敏感网络标准。
24.在另一实施例，每个串流识别码可由目的地址以及来源地址所组成，而每个虚拟区网标签可包括虚拟区网识别码以及优先权代码点。
25.根据收到的映射信息，网络装置111a～111d可查找映射中是否存在串流识别码符合(match)当前封包的串流识别码，举例来说，如果映射中存在符合的串流识别码，网络装置111a可对该封包执行虚拟区网标签的操作(如：插入或移除虚拟区网标签)。通过对虚拟区网标签的操作，可实现时间敏感网络110与非时间敏感网络120之间的互通性。
26.或者，如果映射中存在符合的串流识别码，网络装置111b/111c/111d可对该封包
执行虚拟区网标签的置换。通过置换虚拟区网标签，可让封包在时间敏感网络110中路由时使用确定有限延迟的通信路径。
27.当可理解的是，图1所示的元件仅用以提供说明的范例，并非用以限制本技术的保护范围。举例来说，时间敏感网络110可包括更少或更多的网络装置及终端装置。或者，时间敏感网络110可连接在两个非时间敏感网络之间，使得数据串流得以通过时间敏感网络110在两个非时间敏感网络之间传送。
28.图2为根据本技术一实施例所述的网络装置的示意图。
29.如图2所示，网络装置(如：111a)可包括网络接口装置10、控制器20、以及存储媒体30。
30.网络接口装置10用以提供数据串流在时间敏感网络110与非时间敏感网络120之间传送的功能。
31.控制器20可为通用处理器、微处理器(micro
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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、控制网络接口装置10以进行在时间敏感网络110与非时间敏感网络120之间传送数据串流、以及对存储媒体30进行数据(如：串流识别码与虚拟区网标签的映射、以及串流识别码与虚拟区网标签指标的映射)的存储及读取。
32.特别是，控制器20还整合了网络接口装置10以及存储媒体30的作业，以执行本技术所述的方法。
33.该领域的技术人员当可理解，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器所决定，例如：暂存器转移语言(register transfer language，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。
34.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：串流识别码与虚拟区网标签的映射、以及串流识别码与虚拟区网标签指标的映射)、以及应用、操作系统、以及/或本技术所述方法的程序代码。
35.当可理解的是，图2所示的元件仅用以提供说明的范例，并非用以限制本技术的保护范围。举例来说，网络装置可包括更多的元件，例如：输入输出(input/output，i/o)装置(可包括：一或多个按钮、发光器、喇叭、键盘、鼠标、触碰板、以及/或显示设备等)。
36.图3a～3b为根据本技术一实施例所述在时间敏感网络与非时间敏感网络之间路由封包的方法流程图。
37.在此实施例，本技术的方法适用于连接时间敏感网络(如：时间敏感网络110)与非时间敏感网络(如：非时间敏感网络120)的网络装置(如：网络装置111a)。
38.首先，网络装置从时间敏感网络或非时间敏感网络接收封包(步骤s301)。
39.接着，网络装置决定该封包的来源及去向(步骤s302)。明确来说，即决定该封包从非时间敏感网络送往时间敏感网络、或从时间敏感网络送往非时间敏感网络。
40.接续步骤s302，如果该封包从非时间敏感网络送往时间敏感网络，网络装置决定该封包是否包括虚拟区网标签(步骤s303)。
41.在一实施例，该虚拟区网标签可包括虚拟区网识别码以及优先权代码点。
42.接续步骤s302，如果该封包不包括任何虚拟区网标签，网络装置决定该封包的串流识别码(步骤s304)。
43.在一实施例，串流识别码可由以太类型以及子类型的至少一者所组成。
44.在另一实施例，串流识别码可由目的地址以及来源地址所组成。
45.接续步骤s304，网络装置决定该封包的串流识别码是否符合第一映射(即：串流识别码与虚拟区网标签的映射)中的串流识别码(步骤s305)。
46.接续步骤s305，如果该封包的串流识别码符合第一映射中的串流识别码，网络装置在该封包中插入第一映射中符合的串流识别码所对应的虚拟区网标签(步骤s306)，然后将该封包从非时间敏感网络路由至时间敏感网络(步骤s307)，流程结束。
47.回到步骤s303，如果该封包包括虚拟区网标签，则流程接至步骤307。
48.回到步骤s305，如果该封包的串流识别码不符合第一映射中的任何串流识别码，则流程接至步骤307。
49.回到步骤s302，如果该封包从时间敏感网络送往非时间敏感网络，网络装置决定该封包的串流识别码(步骤s308)，然后决定该封包的串流识别码是否符合第二映射(即：串流识别码与虚拟区网标签指标的映射)中的串流识别码(步骤s309)。
50.接续步骤s309，如果该封包的串流识别码符合第二映射中的串流识别码，网络装置决定第二映射中符合的串流识别码所对应的虚拟区网标签指标是否指示要移除或保留封包中的虚拟区网标签(步骤s310)。
51.接续步骤s310，如果虚拟区网标签指标指示要移除封包中的虚拟区网标签，则网络装置移除该封包中的虚拟区网标签(步骤s311)，然后将该封包从时间敏感网络路由至非时间敏感网络(步骤s312)，流程结束。
52.接续步骤s310，如果虚拟区网标签指标指示要保留封包中的虚拟区网标签，则流程接至步骤312。
53.回到步骤s309，如果该封包的串流识别码不符合第二映射中的任何串流识别码，则流程接至步骤312。
54.图4为显示本技术一实施例所述在封包中插入虚拟区网标签的示意图。
55.在此实施例，网络装置收到来自非时间敏感网络的封包p1，然后根据从中央网络配置服务器所收到的第一映射在封包p1中插入虚拟区网标签，从而致能时间敏感网络与非时间敏感网络之间的互通性。
56.如图4所示，第一映射指明了复数串流识别码与复数虚拟区网标签的对应关系，其中每个串流识别码由目的地址以及来源地址所组成、或由以太类型以及子类型(如：酬载栏位的第一比特组)所组成，而每个虚拟区网标签由虚拟区网识别码以及优先权代码点所组成。
57.举例来说，在第一映射中，标示为da1的目的地址搭配标示为sa1的来源地址，则对应到封包的封装协议为ethercat；16进位数值标示为0x890f的以太类型搭配16进位数值标示为0x00～0xbf的子类型，则对应到封包的封装协议为工业以太网控制及通信链接
(control and communication link using industrial ethernet，cc
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link ie)的控制器协议cc
‑
link ie control或现场设备协议cc
‑
link ie field。
58.封包p1包括8比特的前文(preamble)栏位、6比特的目的地址栏位、6比特的来源地址栏位、2比特的以太类型栏位、酬载栏位(其中的第一比特为子类型栏位)、以及4比特的帧校验序列(frame check sequence，fcs)栏位。
59.特别是，封包p1的以太类型栏位的16进位数值为0x890f，而封包p1的子类型栏位的16进位数值为0x03。
60.网络装置在查找第一映射之后发现有一条目符合封包p1的以太类型及子类型，明确来说，在第一映射中，16进位数值标示为0x890f的以太类型搭配16进位数值标示为0x03的子类型，对应至虚拟区网识别码为100以及优先权代码点为3的虚拟区网标签。
61.因应在第一映射中查找到符合的条目，网络装置在封包p1中插入虚拟区网识别码为100以及优先权代码点为3的虚拟区网标签，从而将封包p1转换为封包p1’。
62.图5为显示本技术一实施例所述移除封包中的虚拟区网标签的示意图。
63.在此实施例，网络装置收到来自时间敏感网络的封包p2，然后根据从中央网络配置服务器所收到的第二映射将封包p2中的虚拟区网标签移除，从而致能时间敏感网络与非时间敏感网络之间的互通性。
64.如图5所示，第二映射指明了串流识别码、虚拟区网标签指标、以及目的地址(可以是非必要项目)的对应关系，其中每个串流识别码由目的地址以及来源地址所组成、或由以太类型以及子类型所组成，每个虚拟区网标签指标用以指示要移除或保留封包中的虚拟区网标签，而目的地址用以指示是否要将封包中的目的地址置换成指定的目的地址。
65.封包p2包括8比特的前文栏位、6比特的目的地址栏位、6比特的来源地址栏位、4比特的虚拟区网标签栏位、2比特的以太类型栏位、酬载栏位(其中的第一比特为子类型栏位)、以及4比特的帧校验序列栏位。
66.特别是，封包p2的目的地址栏位标示为da1，封包p2的以太类型栏位的16进位数值为0x890f，而封包p2的子类型栏位的16进位数值为0x03。此外，封包p2的虚拟区网标签栏位可进一步包括2比特的标签协议识别码(tag protocol identifier，tpid)栏位(未绘示)、3比特的优先权代码点栏位、1比特的标准格式指标(canonical format indicator，cfi)栏位(未绘示)、以及12比特的虚拟区网识别码栏位，其中虚拟区网识别码栏位的十进制数值标示为100，而优先权代码点栏位的十进制数值标示为3。
67.网络装置在查找第二映射之后发现有一条目符合封包p2的以太类型及子类型，明确来说，在第二映射中，16进位数值标示为0x890f的以太类型搭配16进位数值标示为0x03的子类型，对应到虚拟区网标签指标＝“移除”、以及目的地址＝da2。
68.因应在第二映射中查找到符合的条目，网络装置将封包p2中的虚拟区网标签移除，并将封包p2中的目的地址置换为da2，从而将封包p2转换为封包p2’。
69.根据上述实施例，当可理解的是，本技术通过在封包中插入或移除虚拟区网标签而实现时间敏感网络与非时间敏感网络之间的互通性。有益地，所述操作虚拟区网标签可让数据串流在时间敏感网络中传送时仍能维持实时确定性的操作。
70.本技术虽以各种实施例公开如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本技术的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，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技术的范围，本技术的保护范围当视附的权利要求书所界定者为准。
71.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。
72.【符号说明】
73.100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
异质网络环境
74.110
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
时间敏感网络
75.111a～111d
ꢀꢀꢀꢀ
网络装置
76.112a～112d
ꢀꢀꢀꢀ
终端装置
77.113
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中央网络配置服务器
78.120
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
非时间敏感网络
79.10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
网络接口装置
80.20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制器
81.30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储媒体
82.s301～s312
ꢀꢀꢀꢀ
步骤编号
83.p1、p1’、p2、p2
’ꢀ
封包。