面向工业互联网时间敏感网络的交换机理论及关键技术研究

In this project, we study switching theory and technology for time-sensitive network (TSN) in industrial Internet. Industrial Internet combines information technology and traditional manufacturing industries, and it enables Internet to expand its contribution from the service sector to the manufacturing sector and from the virtual economy to the real economy. It is one of the most important strategic directions for China to revitalize the real economy and speed up economic transformation and upgrading. Industrial Internet consists of three function systems: networking, platform, and security. Among them, networking is the foundation. One key technology in the networking system of industrial Internet is TSN, which can guarantee deterministic real-time performance for industrial applications. In TSN, the TSN switch is the core component. However, the research on TSN switching theory and technology is still under its early stage. In this project, we focus on the design of scheduling policies of a TSN switch under different traffic patterns. In addition, we plan to implement the TSN switch with our proposed scheduling policies in SDN software platform and evaluate its performance driven by real-world industrial data traces. Our theoretical and technical outcomes in this project can provide strong support for China to establish standards and make policies on TSN in industrial Internet and for industries to develop efficient TSN switching products in industrial Internet.

本项目研究面向工业互联网时间敏感网络的交换机理论及关键技术。工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合所形成的新兴业态和应用模式，是互联网从消费领域向生产领域、从虚拟经济向实体经济拓展的核心载体,是我国促进实体经济振兴，加快转型升级的重要战略方向。工业互联网包括网络、平台、安全三大功能体系，其中网络体系是工业互联网的基础。在网络体系中，一项重要技术是时间敏感网络(TSN)，其具备确定性网络的属性，能够满足工业应用实时性的要求。而时间敏感网络TSN中的核心部件是TSN交换机。目前，国内外关于TSN交换机的研究仍处于初步发展阶段。本项目将研究TSN交换机在不同输入数据流模型下的调度算法，同时研究如何利用SDN平台来实现所设计的TSN交换机调度算法并测试其实际性能。项目所研究的理论和关键技术将给我国制定工业互联网TSN相关标准提供重要理论和技术支撑，为政府决策和产业发展提供坚实动力。

本项目研究面向工业互联网时间敏感网络的交换机理论及关键技术。工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合所形成的新兴业态和应用模式，是互联网从消费领域向生产领域、从虚拟经济向实体经济拓展的核心载体,是我国促进实体经济振兴，加快转型升级的重要战略方向。工业互联网包括网络、平台、安全三大功能体系，其中网络体系是工业互联网的基础。在网络体系中，一项重要技术是时间敏感网络(TSN)，其具备确定性网络的属性，能够满足工业应用实时性的要求。而时间敏感网络TSN中的核心部件是TSN交换机。目前，国内外关于TSN 交换机的研究仍处于初步发展阶段。本项目研究TSN交换机在不同输入数据流模型下的调度算法，并将调度算法应用于同时调度时延受限及时延非受限数据流的TSN交换机架构。并且，本项目修改了基于VOQ的Input-Queued交换机的结构，提供了一种能够提高实时吞吐量和降低延迟的新型交换机结构，并通过大量仿真验证了新设计的交换机结构能大幅提升工业互联网中的时延受限应用的实时吞吐量和降低传输时延。该交换机结构在满负载条件下，使系统实时吞吐量提高了63.63%，使平均延迟降低了91.48%。本项目针对两种时延受限数据流的初始条件，分别利用两种调度算法实现TSN交换机的无丢包调度。本项目针对无线工业场景下的时延受限控制与交换调度问题，首次提出了将无线资源的交换调度策略和控制系统的控制策略联合进行优化设计的一个使得系统稳定的充分必要条件。本项目针对时延受限的数据流，首次比较了 ALOHA 和 CSMA两种随机接入协议的性能。采用 data-driven 的方法提出了一种低复杂度的适用于大规模无线工业网络下时延受限应用的比较 ALOHA和 CSMA的高效近似方法，为无线工业网络管理人员提供了协议选择的指导。项目所研究的理论和关键技术将给我国制定工业互联TSN相关标准提供重要理论和技术支撑，为政府决策和产业发展提供坚实动力。