GB/T 40696-2021 信息技术 系统间远程通信和信息交换 基于SDN的网络联合调度

　　ICS 35 . 1 10 CCS L 79

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40696—2021

　　信息技术 系统间远程通信和信息交换

　　基于SDN的网络联合调度

　　Informationtechnology—Telecommunicationsandinformationexchange

　　betweensystems—NetworkjointschedulingbasedonSDN

　　2021-10-1 1 发布 2022-05-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40696—202 1

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　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC 28)提出并归口 。

　　本文件起草单位：重庆邮电大学、中国电子技术标准化研究院、重庆邮电大学工业互联网研究院、国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、中国互联网络信息中心、北京东土科技股份有限公司、重庆川仪自动化股份有限公司、江苏赛西科技发展有限公司、中国电子技术标准化研究院华东分院、深圳赛西信息技术有限公司、重庆集成天智机器人有限公司、上海交通大学、东北大学。

　　本文件主要起草人：王恒、魏炅、张弛、王平、王斌、韩丽、杨宏、卓兰、黄庆卿、杨创、王晋、延志伟、王刚、 田英明、程远、黄从虎、傅洛伊、彭玉怀。

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　　引

　　言

　　本文件的发布机构提请注意，声明符合本文件时，可能涉及 6.4、7.2~7.7 与“基于 SDN 的 WIA-PA现场网络/IPv6 回程网络联合调度方法”(专利号：ZL201610981753. 4) 和“SDN-Based WIA-PA Field Network/IPV6 Backhaul Network Joint Scheduling Method”(专利号：US10306706B2)相关的专利的

　　使用。

　　本文件的发布机构对于该专利的真实性、有效性和范围无任何立场。

　　该专利持有人已向本文件的发布机构承诺，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下，就专利授权许可进行谈判。 该专利持有人的声明已在本文件的发布机构备案。 相关信息可以通过以下联系方式获得：

　　专利持有人姓名：重庆邮电大学

　　地址：重庆市南岸区崇文路 2 号

　　请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

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　　信息技术 系统间远程通信和信息交换

　　基于SDN的网络联合调度

　　1 范围

　　本文件规定了工业场景下基于 SDN 的网络联合调度结构、联合调度流程和联合调度接口 。

　　本文件适用于工业场景下基于 SDN 的网络调度方案设计、实施部署。

　　2 规范性引用文件

　　本文件没有规范性引用文件。

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　超帧 superframe

　　周期性重复的时隙集合。

　　3.2

　　时隙 timeslot

　　网络中交换数据所采用的基本时间单位。

　　3.3

　　网络联合调度 networkjointscheduling

　　对多个工业网络的统一管理和调度。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　HTTP：超文本传输协议(HyperText Transfer Protocol)

　　ID：标识符(IDentifier)

　　IPv6 ：互联网协议第 6 版(Internet Protocol Version 6)

　　MAC：媒体访问控制(Medium Access Control)

　　QoS：服务质量(Quality of Service)

　　SDN：软件定义网络(Software Defined Network)

　　UAO：用户应用对象(User Application Object)

　　URL：统一定位标识符(Uniform Resource Locator)

　　VCR：虚拟通信关系标识符(Virtual Communication Relationship Identifier)

　　WIA-PA：工 业 自 动 化 无 线 网 络-过 程 自 动 化 ( Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation)

　　XML：可扩展置标语言(Extensible Markup Language)

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　　5 联合调度结构

　　基于 SDN 的网络联合调度主要在工业无线网络和工业回程网络调度流程的基础上，将工业无线网络和工业回程网络的资源配置集中归纳到 SDN 联合调度器，实现通信资源的统一调度和配置。 其中，工业无线网络部署在工业现场，完成现场信息的无线传输;工业回程网络作为骨干网络，将各个工业无

　　线网络相连，并支持 IPv6 协议。工业无线网络通过网关接入工业回程网络。

　　基于 SDN 的网络联合调度结构由转发层、控制层和应用接口层组成。

　　a) 转发层：由工业无线网络和工业回程网络中的各类网络设备组成，包括 SDN 交换机、网关、路由设备和现场设备。 工业回程网络中 SDN 交换机的路由转发策略由 SDN 联合调度器下发。 SDN 交换机将 SDN 联合调度器做出的管理决策转发至网关、路由设备和现场设备。

　　b ) 控制层：由工业无线网络管理器和 SDN 联合调度器组成。工业无线网络管理器是用于配置工业无线网络的网络资源的设备，SDN 联合调度器是用于配置工业无线网络和工业回程网络的网络资源的设备，SDN 联合调度器可统一配置管理工业无线网络管理器。

　　c) 应用接口层：为使用者提供工业无线网络各类资源的统一接 口。应用接口层可通过北向接 口对工业无线网络现场设备配置路由资源、链路资源、超帧资源和 VCR 资源，对路由设备和网关配置路由资源、链路资源和超帧资源。

　　基于 SDN 的网络联合调度包括北向接口 、东西向接口和南向接口 。控制层与转发层之间通过南向接口进行信息交互，控制层与应用接口层通过北向接口连接，SDN 联合调度器与工业无线网络管理器之间通过东西向接口连接。 联合调度相关接口见图 1 。工业无线网络采用其网络管理器所定义的南向

　　接 口，工业回程网络采用支持 IPv6 协议的 SDN 南向接口，控制层与应用接口层之间采用支持应用调度

　　需求传递的北向接口 。本文件不涉及南向接口和北向接口的要求。

　　图 1 联合调度相关接口

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　　6 联合调度流程

　　6 . 1 联合调度总体流程

　　工业无线网络管理器为新入网路由设备和新入网现场设备分配通信资源后，工业无线网络管理器向 SDN 联合调度器发起跨网传输请求，SDN 联合调度器对现场设备、路由设备和网关分配通信资源。

　　图 2 示出的联合调度流程说明如下。

　　a ) 工业无线网络管理器初始化时，与 SDN 联合调度器建立连接。

　　b) SDN 联合调度器收到跨网传输请求后，向工业无线网络管理器发送获取拓扑信息请求。工业无线网络管理器在收到该请求后，将自身存储的拓扑信息反馈至 SDN 联合调度器。

　　c) SDN 联合调度器收到拓扑信息后，根据跨网传输需求和预设的调度算法计算工业无线网络资源分配信息。 计算完成后，SDN 联合调度器首先通过配置路由表请求为路由设备配置路由表，路由设备完成路由表配置后，路由设备发送配置路由表响应，工业无线网络管理器将响应转发至 SDN 联合调度器。

　　d) SDN 联合调度器完成路由设备的路由表配置后，通过配置超帧表请求为路由设备配置超帧表，路由设备完成超帧表配置后，路由设备发送配置超帧表响应，工业无线网络管理器将响应转发至 SDN 联合调度器。

　　e) SDN 联合调度器完成路由设备的超帧表配置后，通过配置链路表请求为路由设备配置链路表，路由设备完成链路表配置后，路由设备发送配置链路表响应，工业无线网络管理器将响应转发至 SDN 联合调度器。

　　f) SDN 联合调度器完成路由设备的资源配置后，通过类似的步骤为现场设备依次配置超帧表和链路表。

　　g) SDN 联合调度器完成现场设备和路由设备的资源配置后，向网关发送 IPv6 地址映射表，网关配置 IPv6 地址映射表完成之后，网关发送配置 IPv6 地址映射表响应，工业无线网络管理器将响应转发至 SDN 联合调度器。

　　h) SDN 联合调度器根据全网拓扑信息计算工业回程网络路径，并生成双向流表下发到 SDN 交换机。

　　i) SDN 联合调度器完成全部设备的资源配置后，向路由设备和现场设备发送配置完成标识。当路由设备和现场设备收到配置完成标识后，发送配置完成响应，工业无线网络管理器将响应转发给 SDN 联合调度器。

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　　图 2 联合调度流程图

　　6 . 2 路由设备通信资源分配的流程

　　工业无线网络管理器为路由设备分配通信资源的流程见图 3 。简要说明如下：

　　a) 新入网路由设备首先将邻居设备信息汇报给工业无线网络管理器;

　　b) 工业无线网络管理器根据收到的邻居设备信息计算路由，发送配置路由表请求至新入网路由设备;

　　c) 路由设备在接收路由表后，修改自身的路由表，并回复路由表响应;

　　d) 工业无线网络管理器收到配置路由表响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置超帧请求下发到新入网路由设备;

　　e) 新入网路由设备完成配置超帧表后，回复配置超帧响应至工业无线网络管理器;

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　　f) 工业无线网络管理器收到配置超帧响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置链路请求下发到新入网路由设备;

　　g) 新入网路由设备完成配置链路表后，回复配置链路响应至工业无线网络管理器;

　　h) 网络设备完成配置超帧表和链路表后，回复配置结果;

　　i) 工业无线网络管理器在完成路由表、超帧表和链路表的配置后，向新入网路由设备发送配置完成标识;

　　j) 新入网路由设备收到标识后开始正常运行。

　　图 3 路由设备资源分配流程

　　6 . 3 现场设备通信资源分配流程

　　工业无线网络管理器为现场设备分配通信资源的流程见图 4 。简要说明如下：

　　a) 新入网现场设备首先将邻居设备信息汇报给工业无线网络管理器;

　　b) 工业无线网络管理器根据收到的邻居设备信息计算路由，发送配置路由表请求至新入网现场设备;

　　c) 新入网现场设备在接收路由表后，修改自身的路由表，并回复配置路由表响应;

　　d) 工业无线网络管理器收到配置路由表响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置超帧请求下发到新入网现场设备;

　　e) 新入网现场设备完成配置超帧表后，回复配置超帧响应至工业无线网络管理器;

　　f) 工业无线网络管理器收到配置超帧响应后，计算网络中的时隙资源和信道资源，生成配置链路请求下发到新入网现场设备;

　　g) 新入网现场设备完成配置链路表后，回复配置链路响应至工业无线网络管理器;

　　h) 工业无线网络管理器收到配置链路响应后，生成读取 UAO 请求下发到新入网现场设备;

　　i) 新入网现场设备回复读取 UAO 响应至工业无线网络管理器;

　　j) 工业无线网络管理器收到读取 UAO 响应后，生成配置 VCR请求下发到新入网现场设备;

　　k) 新入网现场设备配置 VCR信息，回复配置 VCR 响应至工业无线网络管理器;

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　　l) 工业无线网络管理器完成资源配置后，向新入网现场设备发送配置完成标识;

　　m) 新入网现场设备收到标识后应开始正常运行。

　　图 4 为现场设备分配资源的流程

　　6 . 4 IPv6 协议转换

　　基于 SDN 的网络联合调度中跨网工业数据需要经过协议转换进入 IPv6 网络中，网关在空间位置上位于工业无线网络和 IPv6 网络的交际处，将 IPv6 协议数据与工业无线网络协议数据进行转换。

　　SDN 联合调度器为每个工业无线网络管理器分配一个 16 位网络标识符 PAN_ ID(个域网地址)。 PAN__ID 与 WIA-PA 网络之间建立映射关系。 使用 PAN_ ID 和设备短地址的组合唯一地标识设备。 PAN__ID 的格式、短地址的格式以及 PAN__ID 和设备短地址组合形式如下：

　　a ) PAN_ID：由 16 位组成，用于标识网络;

　　b ) 短地址：由 16 位组成，由工业无线网络管理器进行分配;

　　c) PAN_ID 和设备短地址组合形式：由(PAN_ID,短地址)唯一标识网络中的设备。

　　SDN 联合调度器将包含源网关 IPv6 地址、目的网关 IPv6 地址和源网络路由 ID(RouteID)、目的网络 RouteID 的 IPv6 地址映射表发送至网关。网关通过维护 IPv6 地址映射表，确定目的网络的 IPv6 地

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　　址和 目 的网络设备地址。

　　SDN联合调度器识别出工业无线网络数据流，根据工业无线网络中数据流的类型对数据流进行相

　　应的资源分配。网关将工业无线网络数据包的 RouteID 和优先级填入 IPv6 头部的流标签域(见图 5)。工业无线网络中采用 RouteID用于标识一条数据流，根据 RouteID 识别一条工业数据流，通过通信类别域和流标签域实现 QoS服务保障。优先级用于表示基于数据类型重要程度的工业网络数据包的传

　　输优先等级。

　　图 5 IPv6 头部

　　网关的 IPv6 协议转换涉及源网关和 目 的网关。网关收到 SDN 联合调度器配置的 RouteID 和IPv6 地址映射后启动协议转换。转换过程如下：

　　a) 源网关接收到网内设备工业无线网络数据包，从数据包中解析出 RouteID 和优先级信息;然后根据 RouteID在 IPv6 地址映射表中查找相应目的网关 IPv6 地址;

　　b ) 源网关向 目的网关发送工业无线网络数据包，进行 IPv6 格式封装，将 RouteID 和优先级填入IPv6 头部的流标签域，不足字节用零填充;

　　c) 目的网关从工业回程网中接收到源网关 IPv6 数据包时，首先从 IPv6 头部提取 RouteID,根据RouteID 寻找到数据包在该网络域中的调度路径，然后开始后续调度流程。

　　7 联合调度东西向接口

　　7 . 1 概述

　　联合调度东西向接口见表 1 。

　　表 1 联合调度东西向接口

　　联合调度东西向接口的报文传输规范采用 HTTP 协议。 请求报文包含请求行、消息报头和请求数据三个请求报文字段，见表 2 。 响应报文包含状态行、消息报头和响应数据三个响应报文字段，见表 3 。内容默认用 XML 描述。

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　　表 2 请求报文格式

　　表 3 响应报文格式

　　7 . 2 获取拓扑信息

　　SDN 联合调度器调用获取拓扑信息接口时，使用 HTTP 协议中的 GET 方法，协议版本号为 1 . 1 ,

　　URL为/device/topology。拓扑获取请求接口报文格式见表 4。响应数据格式见表 5 , 回复信息采用

　　XML 描述，其中字段 0、字段 1、字段 2 和字段 3 等都是 XML元素，从字段 0 到字段 3 是元素包含关系，即字段 0 包含字段 1、字段 1 包含字段 2、字段 2 包含字段 3,上述字段元素均拥有相应的属性。

　　表 4 拓扑信息获取请求

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　　表 5 拓扑信息响应数据说明

　　7 . 3 获取设备信息

　　SDN 联合调度器调用获取拓扑信息接口时，使用 HTTP 协议中的 GET 方法，协议版本号为 1 . 1 ,

　　其 URL为/ShortAddress/Property。请求报文格式见表 6,响应数据报文格式见表 7。

　　表 6 设备信息获取请求

　　表 7 设备信息响应数据说明

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　　7 . 4 设置超帧信息

　　SDN 联合调度器调用设置超帧信息接口时，使用 HTTP 协议中的 POST方法，协议版本号为 1 . 1 ,

　　其 URL为/device/ShortAddress/superframe。请求报文格式见表 8,请求数据报文格式见表 9,响应报

　　文格式见表 10 。

　　表 8 设置超帧信息请求报文

　　表 9 设置超帧请求数据说明

　　表 10 设置信息响应报文

　　7 . 5 设置链路信息

　　SDN 联合调度器调用设置链路信息接口时，使用 HTTP 协议中的 POST方法，协议版本号为 1 . 1 ,

　　其 URL 为/device/ShortAddress/link。请求报文格式见表 11,响应报文格式见表 10,请求数据报文格

　　式见表 12 。

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　　表 1 1 设置链路信息请求报文

　　表 12 设置链路请求数据说明

　　7 . 6 设置路由信息

　　SDN 联合调度器调用获取路由信息接口时，使用 HTTP 协议中的 POST方法，协议版本号为 1 . 1 ,

　　其 URL 为/device/ShortAddress/route。请求报文格式见表 13,响应报文格式见表 10,请求数据报文

　　格式见表 14 。

　　表 13 设置路由信息请求报文

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　　表 14 设置路由请求数据说明

　　7 . 7 设置地址映射表

　　SDN 联合调度器调用设置 IPv6 地址映射表接口时，使用 HTTP 协议中的 POST 方法，协议版本号为 1.1,其 URL为/device/ShortAddress/mapping。请求报文格式见表 15,响应报文格式见表 10,请

　　求数据报文格式见表 16 。

　　表 15 设置地址映射表信息请求报文

　　表 16 设置地址映射表请求数据说明