[发明专利]用于在时间敏感的网络中路由的方法

说明书

本发明涉及一种用于在网络中路由的方法。在此，网络包括多个网络节点。网络为此可以具有一个网络节点到另一个网络节点的不同的互连和连接。因此获得了网络的实际的拓扑。按照本发明，现在分两个阶段执行路由。首先，在简化阶段减少到网络节点的可能链路的数量。因此获得了简化的拓扑，在该简化的拓扑中，舍弃不需要路线搜寻的网络节点或到网络节点的链路。然后在随后的路由和时间规划阶段中计算出简化的拓扑中的网络节点的经优化的路线。

技术领域

本发明涉及一种用于在时间敏感的网络中路由的方法。

背景技术

在典型的IT网络中的实时通信现今极为罕见，但它却是许多工业网络场景中无处不在的话题，例如用于车辆中的部件或生产设备中的机器之间的通信。这些系统具有高实时性要求，因为这些系统中的故障经常会导致高昂的经济损失，如在生产流水线中机械臂相撞，或者甚至在用于安全应用——诸如安全气囊或紧急断路开关之类——的使用时导致人员的伤亡。工业自动化尤其极易受到通信内部的延迟和延迟变化的影响，因为装配线的机器和机器人需要精确的控制和同步，以便确保准确的制造过程。当前为许多这些应用使用专有的解决方案和专用网络，以便确保遵守预定的最大的延迟。

针对这些现场总线的例子有CAN、Sercos III、Profibus或EtherCat。Sercos III、Profinet和EtherCat基于以太网，但它们由于实现了实时性保证的专有扩展而不兼容。因此，在借助不同的现场总线连接的设备之间的通信需要网关。网关导致了阻碍互操作性或者说互用性的通信孤岛。

由此产生的结果是现在有一种趋势是协调不同的通信标准并将关键的和非关键的流量合并到一个网络中。这个趋势导致了IEEE时间敏感网络(TSN)任务组(TG)的建立。TSN TG提出了一系列机制，它们统称为TSN。这些机制定义了符合IEEE 802的、可以提供实时性保证的以太网。以太网是IT领域内实际上的通信标准。TSN中的一个关键机制是IEEEStd.802.1Qbv，它实现了高确定性的通信。其中指定了针对以太网的基于类别的时分法(英文“Time Division Multiple Access”(TDMA)，即，时分多址)。这个标准主要针对交换机的扩展，但也可以在终端主机上实施。

在每个输出端口上，IEEE Std.802.1Qbv在每个流量类别(Verkehrsklasse)的队列前引入一个时控门。这个门控制是否释放用于传输的相应队列中的帧。每个端口均有时间规划，该时间规划定义针对各个门的打开时间和关闭时间。尽管队列并且因此门也是基于类别的，但通过相应的规划也实现了基于流的控制。由此能单独规划两个主机之间的每个通信流。

IEEE标准定义了控制机制(时控的队列)，但它没有指定用于计算这些满足应用的实时性要求和带宽要求的时间规划的算法。原则上必须为每个实时流相应地规划在所述流的源和所述流的目的地之间的路线上在每个交换机处的门的配置。这些时间规划的计算通常是一个NP困难问题(NP-Hard问题)。

在本申请中提及了用于TSN的时间规划和路线的有效计算。基于优化方法、如“可满足性模块理论”(SMT)和整数线性规划(ILP)的不同的解决方案以及用于优化传播时间以解决问题的启发式算法被证实适用于计算时间规划。然而这些解决方案中的大多数均忽略了不仅在时间上通过时间规划而且也在空间上通过路由来隔离通信流的可能性。由现有技术已知基本的时间和路线规划解决方案。然而当人们把这两个问题放在一起看时，针对本来就已经极为复杂的规划问题的解的搜索空间还会进一步扩大。

在多种解决方案中研究具有预定的路线的时控(TDMA)的时间规划的计算、特别是针对当今主要基于实时以太网技术的现场总线。在Steiner等人发表的出版物“AnEvaluation of SMT-Based Schedule Synthesis for Time-Triggered Multi-hopNetworks”(Wilfried Steiner；2010)中提出，借助“可满足性模块理论”(SMT)将TTEthernet中的调度问题建模为能用标准SMT求解器求解的“约束满足”问题。