基于P4技术的工业互联网实时可靠传输理论与关键技术研究

To achieve Industry Internet, it is very essential to solve the network problem and satisfy the industrial requirement of real-time and reliable information transmission from Industry Internet applications. Although there already exist many techniques and technical standards, they are only suitable for industrial LAN. Meanwhile, those QoS techniques that based on normal IP networks are hard to achieve the industrial requirement of real-time and reliable information transmission. Consequently, this project aims to overcome the above challenge by utilizing the more open data plane offered by the P4 technique of Software Defined Networking (SDN). Detailed research contents are as follows: (1) research the theory and critical techniques of QoS-based and Time Sensitive Network-based real-time information transmission under the P4-based SDN environment, respectively; (2) research the theory and three main critical techniques of reliable information transmission under the P4-based SDN environment, i.e., fault resistance virtual network construction, damaged virtual network recovery, and SDN equipment abnormal detection; (3) research, design and develop an Industry Internet test platform for validating and evaluating proposed theory and techniques.

工业互联网的蓬勃发展与应用，必须首要研究、解决好工业互联网的网络问题，而实时可靠传输的技术难题是其核心。虽然，实时可靠工业信息传输已存在诸多技术及标准，但多适用于工业局域网，基于普通IP网的QoS技术则难以达到实时可靠的工业级要求。为此，本项目从软件定义网络P4技术所支持的进一步开放的网络数据面资源入手，通过研究P4技术下更为高效的实时可靠传输理论与关键技术，以解决工业互联网实时可靠传输的若干核心技术问题，为各类工业互联网平台及工业数据中心提供基础网络技术支撑。具体研究内容包括：1) 研究基于P4技术的工业互联网实时传输理论与关键技术，重点为P4技术下基于QoS和TSN的实时传输理论与技术；2) 研究基于P4技术的信息传输可靠理论与关键技术，重点为P4技术下具有故障抵御能力的虚拟网构建、受损虚拟网愈合及异常设备实时检测理论与技术；3) 面向实时可靠信息传输的工业互联网试验平台原型研制。

工业互联网的蓬勃发展与应用，必须首要研究、解决好工业互联网的网络问题，而实时可靠传输的技术难题是其核心。本课题从软件定义网络P4技术所支持的进一步开放可编程的网络数据平面资源入手，通过研究P4技术下更为高效的实时可靠传输理论与关键技术，以解决工业互联网实时可靠传输的若干核心技术问题。首先，在基于P4的工业互联网实时传输理论与关键技术研究方面，课题组基于P4提出了以数据包为粒度进行传输优先级逐跳分析与调整的实时传输机制，并且提出了支撑这一传输机制有效开展的网络测量技术，实现了网络资源更为有效的利用与更好的实时性能保障；然后，在基于P4的信息传输可靠理论与关键技术研究方面，课题组针对链路阻塞、链路断开以及交换机故障，基于P4技术分别提出了数据平面自主实施的快速有效的故障检测与恢复机制，大幅缩短了故障时间；最后，在面向实时可靠信息传输的工业互联网试验平台原型研究方面，课题组基于Barefoot Tofino P4硬件交换机、8台服务器，搭建了十万兆带宽级别的工业互联网试验平台原型系统，并基于此平台对所提出的诸多理论方法与关键技术进行了验证与评估。