CN106230661A

CN106230661A - 网络数据延迟控制方法

Info

Publication number: CN106230661A
Application number: CN201610620800.2A
Authority: CN
Inventors: 黄雨; 李俊涛; 张世琨
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2036-08-01
Also published as: CN109787861A; CN109787861B; CN106230661B

Abstract

本发明公布了网络数据延迟控制方法，涉及网络化数据控制技术。本发明提供的技术方案通过设置大小数据包对来检测网络的延迟差异，分析得到延迟与数据包大小无关分量和与数据包相关分量，能够检测出延迟和数据包大小的关系，从而实现通过设置数据包大小来控制延迟；或者通过对延迟的监测和分析，划分出延迟长期分量和延迟短期分量，从而根据这两个分量可以更精确的预测和控制延迟。

Description

网络数据延迟控制方法

技术领域

本发明涉及网络化数据控制技术，尤其涉及网络数据延迟控制方法。

背景技术

网络化控制系统通常的定义是通过一个实时网络构成闭环的控制系统，具体而言是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。网络化控制系统的概念起始于上世纪8O年代，以Ray等的论文为代表。进入2l世纪以来，网络技术与通信技术的发展使得实际的网络化控制系统得到越来越多的重视，获得了巨大发展。

将通信网络引入控制系统，连接智能现场设备和自动化系统，实现了现场设备的分布化和网络化，同时也加强了现场控制和上层管理的联系。但与此同时，由于网络的加入使得信息在传输过程中不可避免地存在着延迟。例如，网络协议下，数据包拥塞等待、网络空闲检测、长距离传输等。

时延是网络化控制系统研究的主要问题之一，数据在传输线路上必然存在着传输时延，数据在接受处理是必然存在着处理时延，传输时延和处理时延共同构成了网络时延。网络时延受到网络拓扑结构、网络所采用的通信协议、路由算法、负载情况、传输速率等诸多因素的影响，呈现出固定或随机，有界或无界的特征。

网络化控制系统需要利用到现有的广域网，而现有广域网不是为工业应用设计的，对延迟的要求不高。而网络化控制系统对延迟的要求很高，如果简单套用现有广域网技术，则无法达到工业应用的要求。现有延迟控制和周期控制技术精度很差，极大限制了网络化控制系统的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供网络数据延迟控制方法，通过设置大小数据包对来检测网络的延迟差异，分析得到延迟与数据包大小无关分量和与数据包相关分量，能够检测出延迟和数据包大小的关系，从而实现通过设置数据包大小来控制延迟；或者通过对延迟的监测和分析，划分出延迟长期分量和延迟短期分量，从而根据这两个分量可以更精确的预测和控制延迟。

本发明提供的技术方案是：

一种网络数据延迟控制方法，通过对延迟进行监测和分析，划分出延迟长期分量和延迟短期分量，实现更精确地预测和控制延迟；包括如下步骤：

步骤1：为网络控制系统NCS中的每个局域网设置一个延迟管理设备；

步骤2：记录每个延迟管理设备所发送的每一个测试消息的延迟；所述延迟是延迟管理设备发送一个测试消息的发送时刻到接收到远端设备反馈的应答消息的时刻之间的差值；

步骤3：分时间段统计分析步骤2获得的延迟数据，从而获得每个局域网的长期延迟期望值；

步骤4：根据每个局域网的长期延迟期望值和每个延迟管理设备的容忍延迟量来设置每个局域网内延迟管理设备的常规消息发送周期，各个延迟管理设备根据所述常规消息发送周期来发送消息；

步骤5：延迟管理设备继续周期性的发送测试消息，记录短期内每个延迟管理设备所发送的每一个测试消息的延迟；

步骤6：计算步骤5所述短期内发送的每一个测试消息的延迟的时间平均值，作为短期延迟期望值；

步骤7：当步骤6所述短期延迟期望值与步骤3长期延迟期望值的差值低于门限值时，不作处理，结束流程；否则执行步骤8；

步骤8：延迟管理设备向其所在局域网内的终端设备发送周期调整指令，所述指令中至少包括所述短期延迟期望值；

步骤9：每个终端设备接收到所述周期调整指令中的短期延迟期望值后，根据短期延迟期望值调整发送方式。

针对上述网络数据延迟控制方法，进一步地，所述延迟管理设备是一个物理上独立的设备，或者由该局域网中的某个终端设备或设备上的一个功能模块来兼任；所述延迟管理设备通过ICMP协议和远端设备定期通信；所述延迟管理设备发送的消息是ICMP格式的测试消息；发送周期小于所在局域网内任何终端设备的消息发送周期。

针对上述网络数据延迟控制方法，进一步地，步骤3所述时间段至少为一个月；所述分时间段具体包括：将一天的时间划分为多个时间段或将一周时间划分为工作日和休息日；所述统计分析获得长期延迟期望值具体是采用对不同数据设置权重，离当前时刻越近的权重越大的方法。

针对上述网络数据延迟控制方法，进一步地，步骤4所述常规消息发送周期具体针对不同时间段设置。

针对上述网络数据延迟控制方法，进一步地，步骤5所述短期的时间长度是1分钟。

针对上述网络数据延迟控制方法，进一步地，步骤9所述根据短期延迟期望值调整发送方式包括：

91)提高传感器的采样频率，根据新的采用频率提高消息发送周期；

92)当无法提高传感器的采样频率时，根据数据包中各项数据的重要程度，通过删除或推后发送相对不重要的数据项来减低数据包的大小；

93)当无法减少数据包中发送的数据项时，对数据包进行重复发送。

本发明还提供一种网络数据延迟控制方法，针对网络控制系统NCS，通过设置大小数据包对来检测网络的延迟差异，分析得到延迟与数据包大小无关分量和与数据包大小相关分量，检测出延迟和数据包大小的关系，通过设置数据包大小来实现延迟控制；包括如下步骤：

11)网络控制系统中的终端设备周期性产生和发送测试数据包对；设定每次生成两个互为配对的测试数据包，一个是大数据包，一个是小数据包，两个数据包的大小差异要尽可能的大,设置小数据包的大小是64字节，设置大数据包的大小是1472字节，因此，大数据包的大小是小数据包的23倍；每个数据包的内部部分至少包括两个字段，一个是配对号，另一个是标示该测试数据包属于大数据包还是属于小数据包的数据包大小标识字段；

12)每对测试数据包具有相同的配对号，分别具有不同的属于大数据包还是属于小数据包的标识字段；所述每对数据包连续发送，终端设备记录每个数据包的发送时刻，分别为t_bsend和t_ssend；

13)服务器端设备每接收到一个测试数据包，给终端设备反馈应答数据包，每个应答数据包至少包括两个字段；一个是配对号，另一个是标示该测试数据包属于大数据包还是属于小数据包的标识字段；

14)终端设备接收到应答数据包后，记录该数据包的到达时刻，分别为t_bresv和t_sresv；并根据应答数据包中的配对号和标识字段与测试数据包的对应关系，找到对应的测试数据包，并获得该测试数据包的发送时刻；计算该测试数据包的延迟；大数据包的延迟(表示为k_0,b)和小数据包的延迟(表示为k_0,s)分别表示为式11和式12：

k_0,b＝t_bresv-t_bsend＝k_y,b+k_n,b (式11)

k_0,s＝t_sresv-t_ssend＝k_y,s+k_n,s (式12)

其中，k_y,b是连续发送的两个数据包中的大数据包的延迟量中与数据包大小无关的分量k_n,b是连续发送的两个数据包中的小数据包的延迟量中与数据包大小无关的分量；k_y,s是连续发送的两个数据包中的大数据包的延迟量中与数据包大小有关的分量；k_n,s是连续发送的两个数据包中的小数据包的延迟量中与数据包大小无关的分量；

15)根据同一个配对的两个数据包的延迟来计算数据包大小无关延迟和数据包大小相关延迟，计算方法如式13：

(t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend)＝(k_y,b+k_n,b)-(k_y,s+k_n,s)＝(k_y,b-k_y,s)+(k_n,b-k_n,s) (式13)

由于k_y,b和k_n,b是连续发送的两个数据包的延迟量中与数据包大小无关的分量，是相等的，而且k_n,b，k_n,s与数据包的大小线性相关，因此，k_n,b＝23*k_n,s，由此得到式14：

(t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend)＝k_n,b-k_n,s＝22*k_n,s (式14)

因为k_n与数据包大小线形相关，由于一开始将数据包大小的比率关系设置为23倍，因此就相差了22倍，从而计算得到：

k_n,s＝((t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend))/22 (式15)

k_y,b＝k_n,b＝(t_sresv-t_ssend)-((t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend))/22 (式17)

16)通过统计一段时间内的数据包大小无关延迟和数据包大小相关延迟的平均值，作为期望值；

17)根据上述期望值和系统能容忍的最大延迟来确定数据包大小的上限值max_size：

其中，系统能容忍的最大延迟是根据不同的系统的情况而选取的经验值；

18)终端根据上述数据包大小的上限值来确定合适的数据包大小，通过设置数据包大小来实现延迟控制。

针对上述网络数据延迟控制方法，进一步地，步骤16所述一段时间优选为一个月；进一步可设置不同时间段来统计期望值。更进一步地，时间段设置为：0-6点、6-12点、12-18点、18-24点；还可针对工作日和休息日分别进行统计。优选地，可通过对多份数据进行加权处理方法进行统计，距今时间越短(距今越近)的权重越大。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以通过设置大小数据包对，来检测网络的延迟差异，从而分析出延迟与数据包大小无关分量和与数据包相关分量，能够检测出延迟和数据包大小的关系，由此达到通过设置数据包大小来控制延迟的目的；也可通过对延迟的监测和分析，划分出延迟长期分量和延迟短期分量，根据这两个分量可以更精确的预测和控制延迟。本发明技术方案有助于网络化控制系统的发展。

附图说明

图1是一典型的网络控制系统的系统结构。

图2是本发明实施例二提供的网络数据延迟控制方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种网络数据延迟控制方法，通过设置大小数据包对，来检测网络的延迟差异，从而分析出延迟与数据包大小无关分量和与数据包相关分量，能够检测出延迟和数据包大小的关系，从而通过设置数据包大小来控制延迟；还可通过对延迟的监测和分析，划分出延迟长期分量和延迟短期分量，从而根据这两个分量可以更精确的预测和控制延迟。

本发明实施例针对典型的NCS(网络控制系统)的系统结构实现网络数据延迟控制。典型的NCS系统结构如图1所示。在整个系统中，消息传递的时延对于系统的稳定性和控制性能有着显著的影响。NCS系统的消息传递时延T_delay主要由三部分组成，如下式所示：

T_delay＝t_sc+t_p+t_ca (式1)

其中，t_ca为网络前向时延，t_sc为网络反向时延，t_p为端系统的处理时延。由于端系统是采用本地时钟，因此可以准确的计算出t_p的值。然而，通过网络连接的各个节点的分布性使得NCS系统中的各个节点很难时钟同步，因此由大网络系统所产生的时延t_ca和t_sc则需要有效的单向时延估计策略进行估计处理，从而得到准确的系统时延值，为保证系统的稳定性和提升控制性能提供有效的支持。

执行器端向控制器端发送控制启动初始帧，从而通知控制器端开始执行控制任务。控制启动初始帧发出后，若执行器端在设定时间T_set内未收到来自于控制器端的控制信息，则重发控制启动初始帧，直至接收到由控制器端发出的控制信息。

当控制启动初始帧发出后，采用在线时延估计方法对控制启动初始帧的单向时延进行估计，从而为后期的前向和反向时延估计提供准确的参考标量值。本发明采用的在线时延估计方法是基于消息传递所经历的路由器时延结构分析进行的。如图2所示，控制启动初始帧经过单个路由器的时延主要由传输时延d_t、队列时延d_q和路由处理时延d_proc组成。设控制启动初始帧传递到系统控制端共经历m个路由器，考虑到消息传递的链路时延d_prop，则控制启动初始帧传递的总时延T如下式所示：

在路由器中监测帧的通过状态，当控制启动初始帧进入链路层时，记录进入的时间t₁，当离开链路层后，记录离开的时间t₂。则可得到控制启动初始帧通过路由器n的队列时延和路由处理时延之和，如下式所示：

d_q(n)+d_proc(n)＝t₂(n)-t₁(n) (式3)

消息帧通过路由器的传输时延由分组大小l和网络带宽C决定，可通过下式计算出控制启动初始帧通过路由器n的输入传输时延和输出传输时延之和：

依据上述分析，可得到控制启动初始帧通过路由器n的时延之和：

若控制启动初始帧经历m个路由器到达系统的控制端，则可通过下式得到控制启动初始帧的时延总和k₀：

其中，t_prop为事先设定的每条链路的传播时延补偿值。

从上述公式我们可以将时延总和k₀划分为两个部分，即数据包大小无关延迟和数据包大小相关延迟，表示为式7～式9：

k₀＝k_y+k_n (式7)

实施例一：

以下实施例针对NCS系统说明本发明提供的延迟控制方法。由于NCS系统的传输网络是工业以太网符合以太网对数据包大小的规定。在以太网中,数据包的大小范围是在64—1518字节之间，如果除去头部开销，则实际的数据大小为46—1500字节之间。

本发明设计了一种测试数据包的机制。该机制设定每次生成两个互为配对的测试数据包，一个是大数据包，一个是小数据包，两类数据包的大小差异要尽可能的大。例如，一个设置为64字节，另一个设置为1472字节。每个数据包的内部部分至少包括两个字段，一个是配对号，另一个是标示该测试数据包属于大数据包还是属于小数据包的标识字段。

在延迟测试阶段，终端设备周期性的产生和发送测试数据包对，每对测试数据包具有相同的配对号，分别具有不同的属于大数据包还是属于小数据包的标识字段。这两个数据包连续发送。终端设备记录每个数据包的发送时刻，分别为t_bsend和t_ssend。

网络侧设备(服务器端设备)每接收到一个测试数据包就给终端设备反馈应答数据包，每个应答数据包至少包括两个字段。一个是配对号，另一个是标示该测试数据包属于大数据包还是属于小数据包的标识字段。

终端设备接收到应答数据包后，记录该数据包的到达时刻。分别为t_bresv和t_sresv。并根据应答数据包中的配对号和标识字段与测试数据包的对应关系，找到对应的测试数据包。并获得该测试数据包的发送时刻。计算该数据包的延迟。大数据包的延迟k_0,b和小数据包的延迟k_0,s分别表示为式11和式12：

k_0,b＝t_bresv-t_bsend＝k_y,b+k_n,b (式11)

k_0,s＝t_sresv-t_ssend＝k_y,s+k_n,s (式12)

根据同一个配对的两个数据包的延迟来计算数据包大小无关延迟和数据包大小相关延迟，计算方法如式13：

(t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend)＝(k_y,b+k_n,b)-(k_y,s+k_n,s)＝(k_y,b-k_y,s)+(k_n，b-k_n,s) (式13)

由于k_y,b和k_n,b是连续发送的两个数据包的延迟量中与数据包大小无关的分量，是相等的，而且k_n,b，k_n,s与数据包的大小线性相关，由于一开始将数据包大小的比率关系设置为23倍，因此就相差了22倍，因此，k_n,b＝23*k_n,s，由此得到式14：

(t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend)＝k_n,b-k_n,s＝22*k_n,s (式14)

从而计算得到：

k_n,s＝((t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend))/22 (式15)

通过统计一段时间内的数据包大小无关延迟和数据包大小相关延迟的平均值，作为期望值。优选的，该一段时间是一个月。进一步的，还可以根据不同时间段来统计期望值。优选的，时间段可以设置为：0-6点、6-12点、12-18点、18-24点。还可以针对工作日和休息日分别进行统计。优选的，可以对多份数据进行加权处理，距今时间越短的权重越大。

根据上述期望值和系统能容忍的最大延迟来确定数据包大小的上限值max_size：

终端根据上述数据包大小最大值来确定合适的数据包大小，通过设置数据包大小来实现延迟控制。

实施例二：

现有技术可通过对控制启动初始帧的时延总和k₀进行统计分析后，获得期望值。然后根据该期望值来设置NCS系统中各个终端设备的数据包的发送周期。但是，由于广域网中导致数据包传输延迟的情况很复杂，很难用一个期望值来对延迟进行精确管理。现有技术中采用一个长期值来控制任何时段的延迟，本发明通过检测短期的突发情况对该长期值进行调整。

以下实施例通过调整短期的数据包大小来应对突发的延迟问题，包括如下步骤：

步骤1：为NCS系统中的每个局域网设置一个延迟管理设备，该延迟管理设备可以是一个物理上独立的设备，也可以由该局域网中的某个终端设备来兼任。该延迟管理设备运行ICMP协议，通过ICMP协议和远端设备定期通信。所发送的消息是ICMP格式的测试消息。发送周期小于所在局域网内任何终端设备的消息发送周期。

步骤2：记录每个延迟管理设备所发送的每个一个测试消息的延迟，该延迟是延迟管理设备发送一个测试消息的发送时刻到接收到远端设备反馈的应答消息的时刻之间的差值。

步骤3：分时间段统计分析步骤2获得延迟数据。时间段的划分考虑了如下一个或多个维度：将一天的时间划分为多个时间段，将一周时间划分为工作日和休息日。计算延迟数据的平均值，更进一步的，可以对不同数据设置权重，离当前时刻越近的权重越大，从而获得长期延迟期望值。上述延迟数据至少要记录一个月。

步骤4：根据每个局域网的长期延迟期望值和每个终端设备的容忍延迟量来设置每个局域网内终端设备的常规消息发送周期。由于长期延迟期望值是针对不同的时间段有不同数值的，所以，常规消息发送周期也是针对不同时间段的。例如，长期延迟期望值是2秒，终端设备的容忍延迟量是5秒。那么常规消息发送周期不能短于5-2＝3秒。但为了能够留下足够的冗余，优选的发送周期可以定为1秒或2秒。各个终端设备根据预先设置的常规消息发送周期来发送消息。

步骤5：延迟管理设备继续周期性的发送测试消息，记录短期内每个延迟管理设备所发送的每个一个测试消息的延迟，该延迟是延迟管理设备发送一个测试消息的发送时刻到接收到远端设备反馈的应答消息的时刻之间的差值。优选的，短期的时间长度是1分钟。

步骤6：计算短期延迟期望值，具体的做法是计算上述短期时间内发送的消息的延迟时间的平均值。

步骤7：判断短期延迟期望值与长期延迟期望值的差值，如果差值低于门限值，则不作处理，结束流程；否则执行步骤8。

步骤8：延迟管理设备向其所在局域网内的终端设备发送周期调整指令，该指令中至少包括了短期延迟期望值。

步骤9：每个终端设备接收到短期延迟期望值后，判断是否要根据短期延迟期望值进行发送调整。如果该短期延迟期望值是终端设备能够容忍的延迟，则不作调整，如果是无法容忍的，则需要调整发送方式。依次考虑的因素是：1)如果能提高传感器的采样频率，则提高采样频率，并相应的根据新的采用频率来提高消息发送周期；2)如果无法提高采样频率，则检查数据包中各项数据的重要程度，通过删除或推后发送相对不重要的数据项来减低数据包的大小；3)如果数据项也无法减少，则对数据包进行重复发送。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种网络数据延迟控制方法，通过对延迟进行监测和分析，划分出延迟长期分量和延迟短期分量，实现更精确地预测和控制延迟；包括如下步骤：

2.如权利要求1所述网络数据延迟控制方法，其特征是，所述延迟管理设备是一个物理上独立的设备，或者由该局域网中的某个终端设备或设备上的一个功能模块来兼任；所述延迟管理设备通过ICMP协议和远端设备定期通信；所述延迟管理设备发送的消息是ICMP格式的测试消息；发送周期小于所在局域网内任何终端设备的消息发送周期。

3.如权利要求1所述网络数据延迟控制方法，其特征是，步骤3所述时间段至少为一个月；所述分时间段具体包括：将一天的时间划分为多个时间段或将一周时间划分为工作日和休息日；所述统计分析获得长期延迟期望值具体是采用对不同数据设置权重，离当前时刻越近的权重越大的方法。

4.如权利要求1所述网络数据延迟控制方法，其特征是，步骤4所述常规消息发送周期具体针对不同时间段设置。

5.如权利要求1所述网络数据延迟控制方法，其特征是，步骤5所述短期的时间长度是1分钟。

6.如权利要求1所述网络数据延迟控制方法，其特征是，步骤9所述根据短期延迟期望值调整发送方式包括：

7.一种网络数据延迟控制方法，针对网络控制系统NCS，通过设置大小数据包对来检测网络的延迟差异，分析得到延迟与数据包大小无关分量和与数据包大小相关分量，检测出延迟和数据包大小的关系，通过设置数据包大小来实现延迟控制；包括如下步骤：

14)终端设备接收到应答数据包后，记录该数据包的到达时刻，分别为t_bresv和t_sresv；并根据应答数据包中的配对号和标识字段与测试数据包的对应关系，找到对应的测试数据包，并获得该测试数据包的发送时刻；计算该测试数据包的延迟；大数据包的延迟k_0,b和小数据包的延迟k_0,s分别表示为式11和式12：

k_0,b＝t_bresv-t_bsend＝k_y,b+k_n,b (式11)

k_0,s＝t_sresv-t_ssend＝k_y,s+k_n,s (式12)

(t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend)＝k_n,b-k_n,s＝22*k_n,s (式14)

通过式15～式17计算得到k_n,s、k_y,b和k_n,b：

k_n,s＝((t_bresv-t_bsend)-(t_sresv-t_ssend))/22 (式15)

16)通过统计一段时间内的数据包大小无关延迟和数据包大小相关延迟的平均值，作为期望值，分别记为k_y,b期望值和k_n,s期望值；

其中，系统能容忍的最大延迟是根据系统情况选取的经验值；

18)终端根据上述数据包大小的上限值max_size来确定合适的数据包大小，通过设置数据包大小来实现延迟控制。

8.如权利要求7所述网络数据延迟控制方法，其特征是，步骤16)所述一段时间优选为一个月；进一步可设置不同时间段来统计期望值。

9.如权利要求8所述网络数据延迟控制方法，其特征是，时间段设置为：0-6点、6-12点、12-18点、18-24点；还可针对工作日和休息日分别进行统计。

10.一种计算机程序，包括了实现权利要求7所述网络数据延迟控制方法的计算机指令。