CN101895465B

CN101895465B - 一种具有分布式交换的机载网络及其在该机载网络下的信息通信方法

Info

Publication number: CN101895465B
Application number: CN 201010216525
Authority: CN
Inventors: 尚文轩; 李峭; 熊华钢
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: CN101895465A

Abstract

本发明公开了一种具有分布式交换的机载网络及其在该机载网络下的信息通信方法。该机载网络是以相互平行的横总线与相互平行的纵总线交叉而构成的物理连接，在此结构基础上接入拥有收发与中继功能的通信服务节点而构成的通信网络。随后给出通信服务节点在该结构下的分时策略与选路策略，以及少量节点发生故障时的损毁处理方式。采用本发明通讯服务方式能够对具有分布式交换的机载网络提供大的吞吐量、高的实时性、较强的抗毁性。

Description

一种具有分布式交换的机载网络及其在该机载网络下的信息通信方法

技术领域

本发明涉及一种适用于先进航空电子综合技术方面的机载网络，更特别地说，是指一种能够实现分布交换方式的机载网络。

背景技术

在飞机有限的空间中航空电子系统的有效运转，需要解决两个问题：第一是信息资源的共享；第二是设备资源的共享。各个设备、模块和部件只有连成网络才能共享信息和资源设备，才能充分发挥整个系统的效能。机载网络是将飞机平台内的设备、模块和部件连接起来的手段，它是实现航空电子综合的一顶核心支撑技术，也被认为是飞机的“中枢神经”。

飞机上被连接的设备、模块和部件通常嵌入有处理器，连接区域限定在飞机平台内部，因此，机载网络实质上是一种计算机局域网络。然而这种网络的特殊性在于：不但包括独立的计算机以及设备之间的较为松散耦合的连接，还包括多处理器以及模块之间的紧密耦合的连接。目前机载网络的结构包括有总线、环和星形，请参考《先进航空电子综合技术》第128页图4-4中公开的拓扑结构。

星形机载网络的一种常用的组网方式是以一个或多个集中交换机来完成整个网络所有节点的通信，而现有交换机中的核心部件是其内部的交换网络(SwitchFabric)。

现有交换网络的两个重要交换方式是时分和空分复用。基于时分结构的交换单元主要通过时隙互换来实现输入线与输出线上的复用信号交换，其基本思想是改变信号的时隙位置。这种交换单元主要由信号缓存或延时器件及控制信号器件组成。基于空分结构的交换单元主要用来实现多个输入线与多个输出线之间信号的空间交换，而不改变原信号的时隙位置，其主要由交叉点阵列及控制信号器件组成。交换机可以是纯时分(T)、纯空分(S)或时空分组合(T-S)，并且有多个通信接入服务端口供通信终端接入，这构将成星形最底层物理连接。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有分布式交换的机载网络，该机载网络中的节点控制单条纵总线、单条横总线，以及纵横总线之间的数据包的全双工通信，并负责将通信终端的通信任务数据接入到其所属适当的总线；节点之间通过传递令牌包协调总线的控制权。该机载网络是基于分布式的，每个节点都有交换功能，且节点只关心其所在横、纵总线上的其他节点，但是不需要统管全局的交换单元(如控制信号器等)，各个节点分担了所有调度功能。本发明的分布式交换的机载网络能够解决机载网络的交换单元的过于集中而存在的抗毁性差的缺陷。

本发明的一种具有分布式交换的机载网络，其是采用多条相互平行的横总线与多条相互平行的纵总线按照空间交叉方式布局，并将多个机载设备接入分布在所述空间交叉点上，从而构成了分布式交换的机载网络；纵、横总线构成的局域网中，将纵总线与横总线在空间上交点记为节点；该节点用于为通信终端提供收发、两跳中继服务；各个节点按照分时策略获得其所在总线的发言权，并按照选路策略中继转发数据信息。

在本发明中的横总线的分时策略为：

从一个令牌周期开始，头节点拥有令牌(10)，于是查看其行缓存(102)，若行缓存非空时，则在该横总线上发送行缓存的数据包(103)；

往复执行查看行缓存(102)，直至行缓存为空截止；

当行缓存(102)为空时，在该横总线上发送传输给下一个节点的令牌包(104)；同时放弃对该横总线的发言权，此时，头节点状态转换为返回接收状态100；

正在接收的节点持续监听该横总线上正在发言节点的发言内容(111)，如果发言内容为数据包(112)，则判断该数据包的目的地址是否与该接收节点在同纵总线(113)上；若不在同纵总线(113)上，则对该数据包不作任何处理(114)，所述正在接收节点返回接收状态(100)；

若在同纵总线(115)上，则判断此数据包的目的地址是否与该接收节点在同横总线(115)上；若不是在同一横总线上，则把该数据包拷贝入该节点的列缓存(116)，然后返回接收状态(100)；若在同一横总线上，则对该数据包处理(117)，并发送至终端，然后返回接收状态(100)；

如果发言内容为令牌包(121)，则判断该令牌包的目的地址是否与该接收节点在同一纵总线并且是同一横总线(122)上；如果否，则对该令牌包不作任何处理(123)，所述正在接收节点返回接收状态(100)；如果是，则取得该总线令牌及发言权(101)。

在本发明中的纵总线的分时策略为：

从一个令牌周期开始，头节点拥有令牌(20)，于是查看其列缓存(202)，若列缓存非空时，则在该纵总线上发送列缓存的数据包(203)；

往复执行查看列缓存(202)，直至列缓存为空截止；

当列缓存(202)为空时，在该纵总线上发送传输给下一个节点的令牌包(204)；同时放弃对该纵总线的发言权，此时，头节点状态转换为返回接收状态(200)；

正在接收的节点持续监听该纵总线上正在发言节点的发言内容(211)，如果发言内容为数据包(212)，则判断该数据包的目的地址是否与该接收节点在同横总线(213)上；若不在同横总线(213)上，则对该数据包不作任何处理(214)，所述正在接收节点返回接收状态(200)；

若在同一横总线上，则对该数据包处理(217)，并发送至终端，然后返回接收状态(200)；

如果发言内容为令牌包(221)，则判断该令牌包的目的地址是否与该接收节点在同一纵总线并且是同一横总线(222)上；如果否，则对该令牌包不作任何处理(223)，所述正在接收节点返回接收状态(200)；如果是，则取得该总线令牌及发言权(201)。

当有少量节点发生故障时，其他节点能够实行抗损毁策略而使得网络继续以较高的可靠性通信；即当损毁节点的上一个发言节点发言完毕，传出令牌包给损毁节点时，这根总线上面的其他节点也在监听，包括损毁节点的下一个发言节点，于是这个节点收到该报文后开始计时，并监听总线上信号，如果没有收到损毁节点的任何报文，那么计时器到时后自动占有此总线令牌，并保持其传递；同时，损毁节点的上一个发言节点修改其将来令牌的目的地址为损毁节点的下一个发言节点；如果损毁节点为头节点，那么下一个发言节点自动担当新头节点。

本发明具有分布式交换的机载网络的优点在于：

①本发明采用分布式、交换形式构建得到的机载网络，能够不需要统管全局的集中式交换设备，而是把交换功能分布在横、纵空间交叉的各个节点中，从而降低了用于复杂交换的硬件与软件的开销。

②具有分布式交换的机载网络中每条纵、横总线为独立传输，其信息吞吐量远大于总线型、环形、集线器型等机载网络。

③在分布式交换的机载网络中，若有少量节点发生故障，则采用抗损毁策略继续进行较可靠的通信，故本故障只会小范围影响其他节点的通信，不会引起整个的机载网络瘫痪。

附图说明

图1是构成局域网的平行总线传输与中继结构示意图。

图1A是图1的平面结构示意图。

图1B是单个节点的缩微图。

图2是本发明终端数据分配流程图。

图2A是本发明节点对于其所在横总线的操作时序流程图。

图2B是本发明节点对于其所在纵总线的操作时序流程图。

图2C是本发明节点的抗损毁策略的时序流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种具有分布式交换的机载网络，是由M条相互平行的纵总线和N条相互平行的横总线在三维空间中采用交叉布局方式构成的最底层物理连接网络(在一个机载网络中纵横总线的条数必须相同，即M＝N)，并将多个机载设备接入分布在所述空间交叉点上。参见图1所示，由多条纵、横总线构成的局域网中，将纵总线与横总线在三维空间上的交点记为节点；并将机载设备接入到该节点上，该节点用于为通信终端提供收发、两跳中继服务。为了实现上述服务，各个节点按照分时策略获得其所在总线的发言权，并按照选路策略中继转发数据信息。

参见图1A所示，将图1映射到平面坐标系XOY下时，所有横总线平行于X轴，所有纵总线平行于Y轴。则有A₀横总线、A₁横总线、A₂横总线、……、A_N-1横总线；B₀纵总线、B₁纵总线、B₂纵总线、……、B_M-1纵总线；

A₀横总线与B₀纵总线在空间上的节点记为V_0，0；

A₀横总线与B₁纵总线在空间上的节点记为V_0，1；

A₀横总线与B₂纵总线在空间上的节点记为V_0，2；

……；

A₀横总线与B_M-1纵总线在空间上的节点记为V_0，M-1；

……；

A_N-1横总线与B₀纵总线在空间上的节点记为V_N-1，0；

A_N-1横总线与B₁纵总线在空间上的节点记为V_N-1，1；

A_N-1横总线与B₂纵总线在空间上的节点记为V_N-1，2；

……；

A_N-1横总线与B_M-1纵总线在空间上的节点记为V_N-1，M-1，N表示横总线的条数，M表示纵总线的条数，在本发明中，横总线与纵总线的条数是相等的，即N＝M。

A_i横总线与B_j纵总线在空间上的节点记为V_i，j，在本发明中该节点也称为任意节点。

参见图1B所示，单个节点对于其所在横总线、纵总线分别有一套发送和接收设备，每个发送设备都有各自的缓存，节点内部的集中控制设备统管来自终端的数据包的分配，来自其他节点的数据包的地址分析，对需要中继的数据包的转发控制，对达到目的地的数据包发往终端的上行处理，以及维护其所在总线的分时策略，并且在其他节点出现故障时实行抗损毁策略进行故障(损毁)节点剔除，从而不会因单个节点的故障(损毁)影响到整个机载网络。

参见图2所示，每个节点都在等待来自终端的发送报文，如果接收到该报文，则分析其目的地址是否与其所在纵总线相同，如果相同，则把该报文拷贝入列缓存，并返回等待接收终端报文状态；如果不相同，则把该报文拷贝入行缓存，并返回等待接收终端报文状态。在本发明中，列缓存或者行缓存中采用分时策略进行节点间的通信(收发、中继)，所述分时策略包括有纵总线分时策略和横总线分时策略。

参见图2A所示，横总线的分时策略为：

从一个令牌周期开始，头节点拥有令牌10，于是查看其行缓存102，若行缓存非空时，则在该横总线上发送行缓存的数据包103；

往复执行查看行缓存102，直至行缓存为空截止；

当行缓存102为空时，在该横总线上发送传输给下一个节点的令牌包104；同时放弃对该横总线的发言权，此时，头节点状态转换为返回接收(监听)状态100；正在接收的节点持续监听该横总线上正在发言节点的发言内容111，如果发言内容为数据包112，则判断该数据包的目的地址是否与该接收节点在同纵总线113上；若不在同纵总线113上，则对该数据包不作任何处理114，所述正在接收节点返回接收(监听)状态100；

若在同纵总线115上，则判断此数据包的目的地址是否与该接收节点在同横总线115上；若不是在同一横总线上，则把该数据包拷贝入该节点的列缓存116，然后返回接收(监听)状态100；若在同一横总线上，则对该数据包处理117，并发送至终端，然后返回接收(监听)状态100；

如果发言内容为令牌包121，则判断该令牌包的目的地址是否与该接收节点在同一纵总线并且是同一横总线122上；如果否，则对该令牌包不作任何处理123，所述正在接收节点返回接收(监听)状态100；如果是，则取得该总线令牌及发言权101。

参见图2B所示，纵总线分时策略为：

从一个令牌周期开始，头节点拥有令牌20，于是查看其列缓存202，若列缓存非空时，则在该纵总线上发送列缓存的数据包203；

往复执行查看列缓存202，直至列缓存为空截止；

当列缓存202为空时，在该纵总线上发送传输给下一个节点的令牌包204；同时放弃对该纵总线的发言权，此时，头节点状态转换为返回接收(监听)状态200；

正在接收的节点持续监听该纵总线上正在发言节点的发言内容211，如果发言内容为数据包212，则判断该数据包的目的地址是否与该接收节点在同横总线213上；若不在同横总线213上，则对该数据包不作任何处理214，所述正在接收节点返回接收(监听)状态200；

若在同一横总线上，则对该数据包处理217，并发送至终端，然后返回接收(监听)状态200；

如果发言内容为令牌包221，则判断该令牌包的目的地址是否与该接收节点在同一纵总线并且是同一横总线222上；如果否，则对该令牌包不作任何处理223，所述正在接收节点返回接收(监听)状态200；如果是，则取得该总线令牌及发言权201。

在本发明中，每一条横、纵总线上的通信为时分复用，横、纵总线上的节点对于该横、纵总线的占用遵循令牌传递规则：一条总线只有一个令牌被各个该总线上节点轮流占有，节点只有得到该令牌时才能在该总线上发送数据，不占有令牌的节点对于该总线的操作只能监听或接收数据。

参见图2C所示，当横、纵总线上面有少量节点损毁时，令牌传递服从抗损毁策略继续进行通信传递。即当损毁节点的上一个发言节点发言完毕，传出令牌包给损毁节点时，这根总线上面的其他节点也在监听，包括损毁节点的下一个发言节点，于是这个节点收到该报文后开始计时，并监听总线上信号，如果没有收到损毁节点的任何报文，那么计时器到时后自动占有此总线令牌，并保持其传递；同时，损毁节点的上一个发言节点修改其将来令牌的目的地址为损毁节点的下一个发言节点；如果损毁节点为头节点，那么下一个发言节点自动担当新头节点；在整个机载网络中，故障(损毁)节点被剔除了。

在本发明中，根据互相通信的节点相对位置设置有三种选路策略，其中每个选路策略的具体处理步骤为：

选路策略一：如果横坐标相同，即共用一根纵总线，那么只使用该纵总线即可；

参见图1A所示，例如节点V_0，0、节点V_N-1，0是在同一横坐标下，即共用B₀纵总线，那么节点V_0，0和节点V_N-1，0使用所述B₀纵总线进行信息传输；

选路策略二：如果纵坐标相同，即共用一根横总线，那么只使用该横总线即可；

参见图1A所示，例如节点V_0，0、节点V_0，1是在同一纵坐标下，即共用A₀横总线，那么节点V_0，0和节点V_0，1使用所述A₀横总线进行信息传输；

选路策略三：如果横、纵坐标均不相同，就需要中继；因为横总线、纵总线的对偶性，在本发明中的转发方式分为两类，即先横后纵与先纵后横；在具有分布式交换的机载网络中所有节点只能配置为同一类方式。

先横后纵：发送节点先在横总线上面发送，此时与接收节点共用一根纵总线的节点(中继节点)必须完全缓存这个数据流，并在下一个令牌周期通过其所在的纵总线发送至目的地，因为中继节点与目的节点共用一根纵总线。所以这种数据包的传递时序如下：

源节点取得其横总线令牌(101)→源节点在横总线上发送(103)→中继节点接收和缓存(116、202)→中继节点等待下一个令牌周期(211)→中继节点取得纵总线令牌(201)→中继节点在纵总线上发送所缓存数据(203)→目的节点接收数据(217)。

参见图1A所示，例如节点V_0，0、节点V_N-1，1即不在同一纵坐标下，也不在同一横坐标下，于是节点V_0，0在其所在A₀横总线上发送数据包，而节点V_0，1监听到该数据包，并分析其目的地址为同一纵总线上的节点V_N-1，1，于是将该数据包拷贝入其列缓存中，等待节点V_0，1取得其所在的B₁纵总线上的令牌后，在该纵总线上发送此包，之后目的节点V_N-1，1成功收到节点V_0，0发来的数据包；A₀横总线上的其他节点同样也分析该数据包的目的地址，因为与其所在纵总线不同，所以不进行处理。

先纵后横：发送节点先在纵总线上面发送，此时与接收节点共用一根横总线的节点(中继节点)必须完全缓存这个数据流，并在下一个令牌周期通过其所在的横总线发送至目的地，因为中继节点与目的节点共用一根横总线。所以这种数据包的传递时序如下：

源节点取得其横总线令牌→源节点在纵总线上发送→中继节点接收和缓存→中继节点等待下一个令牌周期→中继节点取得横总线令牌→中继节点在横总线上发送所缓存数据→目的节点接收数据。

参见图1A所示，例如节点V_0，0、节点V_N-1，1即不在同一纵坐标下，也不在同一横坐标下，于是节点V_0，0在其所在B₀纵总线上发送数据包，而节点V_N-1，0监听到该数据包，并分析其目的地址为同一横总线上的节点V_N-1，1，于是将该数据包拷贝入其行缓存中，等待节点V_N-1，0取得其所在的A_N-1横总线上的令牌后，在该横总线上发送此包，之后目的节点V_N-1，1成功收到节点V_0，0发来的数据包；B₀纵总线上的其他节点同样也分析该数据包的目的地址，因为与其所在横总线不同，所以不进行处理。

在本发明中，选路策略的路由协议保证了信息的两跳可达。

在本发明中，头节点是指周期开始时刻令牌所在的节点定义为该总线的头节点。头节点对于令牌的维护与周期的同步有重要作用，因为本协议保证周期开始时刻令牌在头节点。头节点的位置可以根据情况动态地规定(如原来的头节点损毁后，要自动生成新头节点)。

在本发明中，令牌周期是指纵、横总线上一次完整的令牌轮回过程称为一个令牌周期。因为可靠的通信对于同步有很高的要求，所以在本发明中的策略要求并且保证所有总线(2N根)的令牌周期是同步的，即所有总线的令牌周期是重合的。

在本发明中，时间片是指令牌在节点处停留的时间单位定义为时间片。因为每个总线都有N个节点，所以规定一个周期有N个时间片。节点在一个周期内发言的时间一定是时间片的倍数。当网络负载不重的时候，可能有空闲的时间片。然而，N个时间片总和比有一个完整周期短，因为没有把令牌传递时间包含进去。

在本发明中，数据包是指在一个时间片内一根总线上通信的全部内容定义为一个数据包，它是节点间数据通信的依据。数据包的大小如下：大小等于时间片长度乘以传输速率，这保证每个数据包大小与时间片长短匹配。

在本发明中，令牌包是指在一根横总线(纵总线)上面节点传递令牌时所用报文定义为令牌包。令牌包很短小，所以其传输占用时间远远小于一个时间片，而且一个令牌周期内一定有N个令牌传递时间。节点发出令牌包后立即停止对相应总线的占用；令牌包目的地址的节点收到该包后开始占有发言权。

在本发明中，数据包格式表达为集合形式为DP＝{S，D，T₁，L，E}，S表示同步头，D表示目的地址，T₁表示数据类型(类型为数据包)，L表示L字节长度的数据体，E表示包结尾。

在本发明中，令牌包格式表达为集合形式为TP＝{S，D，T₂，E}，S表示同步头，D表示目的地址，T₂表示数据类型(类型为数据包)，E表示包结尾。

采用本发明的分布式机载网络结构，在组网时：尽量将数据量大、通信频繁、实时性、误码率、重要性等要求高的节点之间不采用中继方式，而是共用一根横总线或纵总线，有利于节点之间更好的满足上述要求，而且网络的抗毁性能也会提高。

吞吐量论证：

无拥塞时，本交换机吞吐量能达到N²(数据包/令牌周期)，数值上与节点数目相同，即可以满足一个周期中每一个节点都发送一个数据包，同时接收一个数据包(中继接收与发送不算在内)。

一个周期内一个总线信息量为N，有2N根总线，但是考虑转发一次，一个信息流可能需要占用2根总线，所以交换机容量为N×2N÷2＝N²。

拥塞论证：

如果本发明设计的具有分布式交换的机载网络是无拥塞的，那么每一根总线都是无拥塞的。另一方面，如果有一根或多根总线拥塞，那么网络就是拥塞的，所以两者是互为充分必要条件。

在具有分布式交换的机载网络中，如果任意一根总线上面，在一个周期内，其上面所有节点的发送时间片数之和不大于N，且接受时间片数之和也不大于N，那么一定是无拥塞状态。所有总线都无拥塞，可推得网络无拥塞。

在一般的一对一传输系统中，一个周期中，每个节点最多发送与接收一次。这样即使在最坏情况下面，每两个节点通信都要用到横总线一次，纵总线一次，仍保证所有总线无拥塞，因为对于任意一根横总线，它在一个周期中共有N个节点发送一次，所以恰好满载无拥塞。另一方面，任意一根纵总线在一个周期中共有N个节点接收一次，所以一定也是满载无拥塞的。综上，一对一传输是无拥塞的。

实时性论证：

在本发明中，因为选路策略规定了信息的两跳可达，所以无拥塞时信息从发送端到达接收端所需传输时间间隔最多为2倍周期长度。

抗毁性论证：

如果具有分布式交换的机载网络中一个节点损毁，那么所影响的范围是损毁节点本身的通信及其所在横总线上其他节点向其所在纵总线上其他节点发送报文的中继过程。根据本发明的分布组网建议，发明人认为包含中继过程的通信是重要性不是很高，所以单个节点损毁对于整个网络影响较小。克服了集中式交换机一旦损毁，整个其所属网络可能瘫痪。

Claims

1.一种具有分布式交换的机载网络，是采用多条相互平行的横总线与多条相互平行的纵总线按照空间交叉方式布局，并将多个机载设备接入分布在所述空间交叉点上，从而构成了分布式交换的机载网络；纵、横总线构成的局域网中，将纵总线与横总线在空间上交点记为节点；该节点用于为通信终端提供收发、两跳中继服务；各个节点按照分时策略获得其所在总线的发言权，并按照选路策略中继转发数据信息；所述的分时策略包括有纵总线分时策略和横总线分时策略；其特征在于：

所述的横总线分时策略为：

往复执行查看行缓存(102)，直至行缓存为空截止；

如果发言内容为令牌包(121)，则判断该令牌包的目的地址是否与该接收节点在同一纵总线并且是同一横总线(122)上；如果否，则对该令牌包不作任何处理(123)，所述正在接收节点返回接收状态(100)；如果是，则取得该总线令牌及发言权(101)；

所述的纵总线分时策略为：

往复执行查看列缓存(202)，直至列缓存为空截止；

2.根据权利要求1所述的具有分布式交换的机载网络，其特征在于：在机载网络中所有节点只能配置为同一类方式。

3.根据权利要求1所述的具有分布式交换的机载网络，其特征在于：当有少量节点发生故障时，其他节点能够实行抗损毁策略而使得网络继续以较高的可靠性通信；即当损毁节点的上一个发言节点发言完毕，传出令牌包给损毁节点时，这根总线上面的其他节点也在监听，包括损毁节点的下一个发言节点，于是这个节点收到该报文后开始计时，并监听总线上信号，如果没有收到损毁节点的任何报文，那么计时器到时后自动占有此总线令牌，并保持其传递；同时，损毁节点的上一个发言节点修改其将来令牌的目的地址为损毁节点的下一个发言节点；如果损毁节点为头节点，那么下一个发言节点自动担当新头节点。