CN102045256A - 一种基于cots的带宽预分配保证网络功能演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于COTS的带宽预分配保证网络功能演示系统，该系统包括端系统和交换节点两部分。端系统采用通用计算技术模拟航空电子全双工交换式以太网中真实端系统功能。通过对端系统航空电子应用相关消息的周期进行模拟，对网络应用层的采样服务和队列服务进行定制和行为仿真，对数据链路层的虚拟链路进行配置和帧间间隔保障，并按照网络协议帧格式进行帧组装，模拟端系统通信功能。交换节点采用COTS交换机，按照配置的固定MAC地址表对进入到交换节点的数据帧进行转发处理。通过对端系统和交换节点进行组网，完整实现：发送消息-源通信端口-源IP-虚拟链路-目的IP-目的通信端口-接收消息的寻址映射，模拟了带宽预分配保证网络基于虚拟链路的整个通信过程。

Description

一种基于COTS的带宽预分配保证网络功能演示系统

技术领域

本发明涉及一种应用于带宽预分配保证网络的功能演示系统，更特别的说，是指一种采用商用货架技术(Commercial Off-The-Shelf，COTS)经过协议改造而实现的带宽预分配保证网络功能展示系统平台。

背景技术

随着微电子、数字技术、计算机技术的飞速发展，航空电子总线网络技术典型的也经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式四个发展阶段。当前的航空电子总线网络技术更加强调商用货架技术(COTS)和统一网络(Universal Avionics Network，UAN)。

相比于普通计算机网络，机载总线网络在实时性和可靠性方面有更高的要求。实时性要求航空电子总线网络提供端到端延时保障机制，确保消息的实时传输；可靠性要求航空电子总线网络提供故障隔离、冗余检错等手段确保消息的有效传输。采用带宽预分配保证技术的航空电子全双工交换式以太网通过虚拟链路(Virtual Link，VL)对链路带宽资源进行有效分配和隔离，极大地增强了网络的实时性和可靠性。采用虚拟链路技术的带宽预分配保证网络从数据源对消息流量进行分配和规整，从而限制数据源的数据突发性；在空分交换网络中，采用静态路由的方案增强消息寻径的实时性和可靠性。

为了对基于虚拟链路技术的带宽预分配保证网络进行功能展示，并验证其实施过程中的关键技术，需要在COTS平台的基础上对普通以太网技术进行改造，使其满足带宽预分配保证网络的典型技术特征，建立一套带宽预分配保证网络的功能演示系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种COTS平台下的改造和实施方案，实现基于虚拟链路技术的带宽预分配保证网络的通信功能展示，建立一套带宽预分配保证网络的功能演示系统平台。该功能演示系统通过对以太网协议栈进行改造，使其接纳以虚拟链路为标识的消息收发过程，并满足带宽预分配保证性能，建立了端系统演示模型；通过对交换节点进行静态路由配置，使其满足以虚拟链路为标识进行静态寻址功能，建立了交换节点演示模型；通过对端系统模型和交换节点模型进行组网，构建了典型带宽预分配保证网络功能演示系统。该功能演示系统可以实现多个节点的带宽预分配保证网络演示功能；作为消息源的端系统(End System，ES)系统，能够按照采样端口服务和队列端口服务以设定的帧间间隔(Bandwidth Allocation Gap，BAG)发送数据帧；作为消息路由和转发的交换节点，能够按照配置的固定路由方式实现消息的转发处理；所构建的网络演示系统与真实的航空电子全双工交换式以太网具有互操作性。

本发明的一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，该系统是基于航空电子网络技术，通过对普通以太网TCP/IP协议栈进行改造，使系统在消息发送过程中满足带宽预分配机制，并格式化通信数据帧格式，使改造后的普通以太网结点能够无缝接入航空电子全双工交换式以太网中；该系统包括端系统和交换节点两部分；

端系统采用通用计算技术模拟航空电子全双工交换式以太网中真实端系统功能；通过对端系统航空电子应用相关消息的周期进行模拟，对网络应用层的采样服务和队列服务进行定制和行为仿真，对数据链路层的虚拟链路进行配置和帧间间隔保障，并按照网络协议帧格式进行帧组装，模拟端系统通信功能；所述的端系统包括有网络驱动模块、接口服务模块、端系统仿真模块；

交换节点采用COTS交换机，按照配置的固定MAC地址表对进入到交换节点的数据帧进行转发处理；所述的交换节点包括有交换模块和静态路由配置模块；

在系统对于消息接收处理过程中，将具有虚拟链路标识的数据帧提交端系统应用作进一步处理，对于普通以太网协议数据帧，则原封不动提交给TCP/IP协议帧，进行一般网络通信处理；通过配置静态路由表，实现交换节点按照虚拟链路ID为标识的固定转发关系进行消息转发处理；通过对端系统和交换节点进行组网，完整实现：发送消息-源通信端口-源IP-虚拟链路-目的IP-目的通信端口-接收消息的寻址映射，模拟了带宽预分配保证网络基于虚拟链路的整个通信过程。

本发明基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统的优点在于：

1.本发明在普通以太网的基础上通过对COTS技术进行改造，实施了一种带宽预分配保证网络的功能演示系统，模拟了带宽预分配保证网络基于虚拟链路的通信过程，提供了一个迅速、快捷、廉价的途径构建带宽预分配保证网络，为学习和研究带宽预分配保证网络的通信模式和实时可靠性的保证机制提供了方便。

2.本发明的技术改造方案基于windows平台，并提供带宽预分配保证网络接口服务的API函数，方便研究人员在带宽预分配保证网络功能演示系统上进行二次开发，制定或者改造已有特定应用程序，并使其在带宽预分配保证网络功能演示系统上进行运行，研究特定应用在带宽预分配保证网络上的通信行为。

3.本发明的与真实带宽预分配保证网络具有协议互操作性，可以在功能演示系统平台上利用改造技术方案实施端系统或者交换机的通信行为模拟，并与真实带宽预分配保证网络进行网络对接，替代网络中部分真实节点或者交换机，完成整个带宽预分配保证网络的部署。

4.本发明提供通信参数配置和修改功能，可以在带宽预分配保证网络功能演示系统上通过修改通信参数，观察通信参数对网络通信行为的影响结果和范围，在功能演示系统上进行带宽预分配保证网络实验。

附图说明

图1是本发明一种基于COTS的带宽预分配保证网络功能演示系统框架图。

图2是本发明的端系统实现结构框图。

图3是本发明的交换节点实现结构框图。

图4是本发明端系统帧间间隔保证器工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明基于航空电子网络技术，通过对普通以太网TCP/IP协议栈进行改造，使其消息发送过程满足带宽预分配机制，并格式化通信数据帧格式，使改造后的普通以太网结点能够无缝接入航空电子全双工交换式以太网中；对于消息的接收处理，将具有虚拟链路标识的数据帧提交端系统应用作进一步处理，对于普通以太网协议数据帧，则原封不动提交给TCP/IP协议帧，进行一般网络通信处理；通过配置静态路由表，实现交换节点按照虚拟链路ID为标识的固定转发关系进行消息转发处理；通过对端系统和交换节点进行组网，完整实现：发送消息-源通信端口-源IP-虚拟链路-目的IP-目的通信端口-接收消息的寻址映射，模拟了带宽预分配保证网络基于虚拟链路的整个通信过程。

一种基于COTS的带宽预分配保证网络演示系统包括端系统和交换节点两部分。端系统，即第一个端系统10A、第二端个系统10B、第三端个系统10C、……、第n个端系统10D。交换节点，即第一个交换节点20A、第二个交换节点20B、第三个交换节点20C、……、第m个交换节点20D。端系统采用通用计算技术模拟航空电子全双工交换式以太网中真实端系统功能。通过对端系统航空电子应用相关消息的周期进行模拟，对网络应用层的采样服务和队列服务进行定制和行为仿真，对数据链路层的虚拟链路进行配置和帧间间隔保障，并按照网络协议帧格式进行帧组装，模拟端系统通信功能。交换节点采用COTS交换机，按照配置的固定MAC地址表对进入到交换节点的数据帧进行转发处理。对于端系统，主要包括网络驱动模块108、接口服务模块107、数据访问池106、端系统仿真模块105四部分；对于交换节点，主要包括交换模块110、静态路由配置模块109两部分。

图1给出了4个端系统(即10A、10B、10C、10D)和4个交换节点(即20A、20B、20C、20D)进行组网的演示系统。每个端系统通过网络接口102接入到交换网络中，端系统与交换节点之间通过物理链路101进行连接；交换节点通过端口103接入到交换网络中，交换节点可以与交换节点通过物理链路104进行级联，从而构成规模更大的网络拓扑结构。在图1中，每个交换节点连接一个端系统，同时4个交换节点两两相连，构建了一个最大跳数为2的交换网络拓扑结构。在带宽预分配保证网络功能演示系统的具体实施过程中，可以视演示系统的规模对图1所示网络拓扑结构进行扩展。惟一规模受限制的因素仅取决于端系统和交换节点个数，以及每个交换节点的端口数(比如24个端口)。

所述端系统，即10A、10B、10C、10D中的端系统仿真模块105，按照配置的消息周期和消息长度，模拟航空电子应用对于数据产生和数据接收的处理过程。操作人员可以通过人机界面对端系统收发消息、服务端口和虚拟链路信息进行配置。对于周期消息，需要进一步配置的信息包括：消息ID、消息名称、消息周期、初始相位、抖动比例、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID、子虚拟链路ID、消息长度；对于非周期消息，需要进一步配置的信息包括：消息ID、消息名称、产生频率、初始相位、抖动比例、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID、子虚拟链路ID、消息长度。对于服务端口，端系统仿真模块105提供的配置属性包括：端口模式(采样端口、队列端口)、源UDP、目的UDP、最多消息数目、刷新率。对于虚拟链路，端系统仿真模块105提供的配置属性包括：虚拟链路ID、虚拟链路名称、BAG、最大帧长、最小帧长、VL类型(发送/接收)。完成端系统配置操作后，操作人员可以开启端系统仿真模块105的仿真功能，端系统仿真模块105将配置好的服务端口信息和虚拟链路信息下发到数据访问池106中；端系统仿真模块105通过数组维护消息配置信息，根据消息的发送规律，模拟数据源的产生过程，并对数据访问池106返回的接收消息事件进行响应，对端系统接收到的数据帧进行处理和显示。端系统仿真模块105提供发送数据帧和接收数据帧的计数和统计功能，并通过运行结果显示界面，对消息发送和接收实时运行结果进行显示。

所述端系统，即10A、10B、10C、10D中的数据访问池106将根据用户配置的服务端口信息，模拟采样端口和队列端口缓存数据的行为，根据标准协议，数据访问池为采样端口提供缓冲长度为1的缓冲区，为队列端口提供最大长度为8912的FIFO队列。位于队列头部的数据帧在VL调度窗口内启动消息的实际发送进程。数据访问池106对配置信息中的虚拟链路信息进行分离，并将其进一步下发到接口服务模块107中，在接口服务模块里模拟虚拟链路的调度机制，实现数据帧最小帧间间隔保障。

所述端系统，即10A、10B、10C、10D中的接口服务模块107，按照带宽预分配保证网络协议，进行数据帧的分包、组包、帧格式封装、帧格式解析等帧格式处理，同时按照承载数据帧的虚拟链路的帧间间隔，控制数据帧向网络驱动模块108提交的时间，限制消息通信带宽消耗上限，确保带宽预分配方案，从而保证整个网络通信的确定性机制和实时性特征。接口服务模块107包括两组功能集合：虚拟链路发送功能组和虚拟链路接收功能组。对于虚拟链路发送功能组集合，当接收到从应用程序(包括端系统仿真模块105)发来的消息后，按照配置文件端口服务配置情况，添加对应UDP包头，根据承载消息的虚拟链路的最大帧长进行IP分包处理，将各个分包加上对应的IP头，计算IP包头的校验和，然后将每个分包加上MAC包头，将各包放入对应子虚拟链路的缓存队列中，轮询所有虚拟链路，取出有数据需要发送，且满足BAG间隔要求的数据包，将数据包加上帧顺序SN，发送给网络驱动模块108。对于虚拟链路接收功能组集合，当接收到从网络驱动模块108发来的数据帧，判断数据帧的虚拟链路ID号以及SN序号，将通过完整性检查的数据帧加入到对应的接收虚拟链路缓存中，去掉数据帧MAC包头，完成IP校验，解IP包头，并判断数据帧是否为分包类型，完成组包操作，然后完成UDP校验，解UDP包头，将解析后的消息提交到数据访问池106的采样端口和队列端口缓冲中，并通知应用程序进行消息接收处理。

所述端系统，即10A、10B、10C、10D中的网络驱动模块108，实现待发送消息向网络接口102的实际发送控制和从网络接口102接收数据包，进行通信协议栈的派送处理。网络驱动模块108遵循微软网络驱动程序接口规范(Network DriverInterface Specification，NDIS)中的协议驱动模型，从物理端口捕获数据，根据包的不同类型，将具有虚拟链路ID标识的数据帧提交给端系统中的接口服务模块107，将其它数据包原封不动提交给TCP/IP协议栈，进行一般的网络通信处理；从接口服务模块107传递过来的带有虚拟链路标识，并按照带宽预分配保证网络协议帧格式进行封装的数据包，网络驱动模块108将其交给网络接口102发送出去，完成数据帧的实际发送处理。

所述交换节点，即20A、20B、20C、20D中的交换模块110，根据配置的固定MAC地址表进行消息的实际转发处理。交换模块110通过对配置的固定MAC地址表和端口映射关系进行查询，实现数据帧的固定路由转发功能。

所述交换节点，即20A、20B、20C、20D中的静态路由配置模块109，提供人机界面完成交换模块110的配置工作。需要配置的信息包括：固定MAC地址表，同时静态路由配置模块109默认关闭交换节点的生成树协议功能，禁止未知目的MAC地址的单播和多播，同时开启广播风暴控制功能，使能交换节点只能按照配置的MAC地址进行数据转发，从而模拟航空电子全双工交换式以太网中真实交换机的固定路由转发功能。

图2给出了本发明端系统实现结构框图。端系统10A包含端系统仿真模块105、数据访问池106、接口服务模块107和网络驱动模块108四部分组成。端系统10A通过人机接口305与操作人员进行交互，操作人员可以通过人机接口305向端系统输入通信参数配置以及运行控制命令，简称控制/配置306，同时端系统通过人机接口305向操作人员提供收发数据帧的统计结果显示307。端系统10A通过网络接口102接入到交换网络30中。

其中端系统仿真模块105提供通信参数配置功能、运行控制功能、通信结果统计显示功能和基于应用层的消息收发功能。端系统仿真模块将按照操作人员配置的消息参数，实现周期消息和非周期消息的消息发送和接收处理，其中非周期消息发送按照泊松分布模拟其消息到达规律。对于通信参数配置功能将在通信参数配置单元308中进行执行；运行控制功能将在运行控制单元309中进行执行；通信结果统计显示功能将在结果统计显示单元310中进行执行；基于应用层的消息发送功能将在消息生成器311中进行执行；基于应用层的消息接收功能将在消息接收器312中进行执行。来自操作人员输入的配置信息送入到通信参数配置单元308中实现通信参数配置，来自操作人员输入的控制信息将送入到运行控制单元309和结果统计显示单元310中，控制整个端系统仿真运行进程，典型的控制命令包括：开始、停止、结束。操作人员配置好的通信参数将下发到消息生成器311和消息接收器312中，从而对消息发送和接收参数进行定制。运行控制单元309根据操作人员的命令，控制消息生成器311和消息接收器312的工作状态。消息生成器311和消息接收器312将应用层消息发送数目和消息接收数目发送到结果统计显示单元310中，在结果统计显示单元310里将以消息ID为归类标识，对发送和接收到消息数目进行分类统计。

在端系统仿真模块105中的通信参数配置单元308里，操作人员可以配置的通信参数包括：消息参数、服务端口参数和虚拟链路参数。针对消息参数，通信参数配置单元308提供周期消息和非周期消息两种配置方式。周期消息需要进一步配置的参数包括：消息ID、消息名称、消息周期、初始相位、抖动比例、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID、子虚拟链路ID、消息长度；非周期消息需要进一步配置的参数包括：消息ID、消息名称、产生频率、初始相位、抖动比例、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID、子虚拟链路ID、消息长度。针对服务端口参数，实现采样服务和队列服务行为定制，具体的配置参数包括：端口模式、源UDP、目的UDP、最多消息数目、刷新率。针对虚拟链路参数，将模拟真实端系统消息←→子虚拟链路←→虚拟链路←→物理链路之间的映射机制，完成子虚拟链路对于消息的承载，虚拟链路对于子虚拟链路基于Round-Robin轮询机制的窗口激活，以及虚拟链路承载数据在物理链路上的聚合输出过程。虚拟链路需要进一步配置的参数包括：虚拟链路ID、虚拟链路名称、BAG、最大帧长、最小帧长、VL类型。通信参数配置单元308提供属性配置对话框实现通信参数的添加和修改功能，提供列表视图实现通信参数的可视化处理。

对于端系统仿真模块105中的运行控制单元309，将用户界面的运行控制操作命令转换成端系统的不同运行状态，端系统包含的运行状态有：开机、初始化、运行、暂停、停止。开机为端系统上电后的最开始状态，执行端系统默认初始化操作；初始化为操作人员加载端系统配置表，并完成端系统通信参数配置后的状态；运行为端系统启动消息发送和消息接收，模拟真实端系统消息收发过程的状态；暂停为端系统暂时停止消息发送模拟以及消息接收的状态，在这个状态只有端系统仿真模块105停止消息接收工作，对于数据访问池106、接口服务模块107，以及网络驱动模块108仍处于热备份状态，为端系统进行运行状态做好准备；停止为端系统关闭消息发送和接收处理，恢复到初始化状态，在这个状态里，端系统仿真模块105、数据访问池106、接口服务模块107，以及网络驱动模块108都处于功能关闭状态。

对于端系统仿真模块105中的结果统计显示单元310，在端系统处于开机状态时执行发送消息和接收消息的计数功能。结果统计显示单元310为每条消息分别进行计数，从消息生成器311更新的发送消息计数信息和从消息接收器312更新的接收消息计数信息构成了结果统计显示单元310的信息统计来源，同时结果统计显示单元310维护一个全局发送和接收信息计数器，实现端系统收发数据总数的统计。对于每条发送消息和接收消息，结果统计显示单元310为其分配了一个存储器，存储当前该消息ID下最新一条发送消息或者接收消息的内容，并在界面消息内容区域中进行显示。

对于端系统仿真模块105中的消息生成器311，根据操作人员配置的消息参数，实现周期消息和非周期消息的发送。周期消息根据配置的消息周期、初始相位和抖动比例进行消息发送处理；非周期消息根据配置的产生频率、初始相位和抖动比例进行消息发送处理。在消息周期保证和消息周期辨识度保证的前提下，对于消息生成器311采用统一时钟源，按照消息的到达间隔进行消息排序发送，从而增强消息发送时间的保障。

对于端系统仿真模块105中的消息接收器312，根据操作人员配置的消息参数，接收从数据访问池106传递过来的消息，并将接收消息计数信息传递给结果统计显示单元310进行接收消息个数统计和显示。

在端系统10A中数据访问池106，实现采样端口313和队列端口304行为模拟。对于采样端口313，在消息发送过程中，维护长度为1的一个缓冲区，并为每个采样端口配置一个发送标志。消息的更新周期和数据被接口服务模块107接纳的周期进行分离设计，当当前数据被接口服务模块107接纳(前后两个数据帧调度间隔大于或等于虚拟链路最小帧间间隔)，则对端口发送标志进行置位处理，当下次接口服务模块107调度窗口到来时，则根据发送标志判断当前数据是否已被发送，如果发送标志被置位，则不对当前采样端口内数据进行发送，从而保证同一个采样数据不会在多个虚拟链路调度窗口内被多次重复发送，当新的数据到来时，则对发送标志置低，使能数据的后续发送处理过程。对于队列端口304，在数据发送的过程中，数据访问池106根据配置参数为其分配一个FIFO队列，队列长度为端口配置长度，当有新的消息到达时，则将消息置入FIFO队列的尾部，当接口服务模块107虚拟链路调度窗口到达时，将FIFO队列头部消息向接口服务模块107进行下发，从而实现队列头部数据帧的发送处理。对于采样端口313，在消息的接收处理过程中，同样为其分配一个长度为1的缓冲区，每次后续数据帧的到达，则直接对该缓冲区数据进行覆盖，并通知应用层进行数据接收处理。对于队列端口304，在消息的接收处理过程中，为其分配一个基于配置长度的FIFO队列，每次数据帧的到达，则将刚接收的消息放入FIFO队列的尾部，并通知应用层进行消息接受处理，允许应用层一次接收多个数据帧。

对于基于带宽预分配保证网络接口服务API函数而开发的特定航空电子应用203，直接通过API函数调用323，实现对数据访问池106的访问操作，访问操作主要包括：参数配置API，消息发送API、消息接收API、过程控制API这四个API函数，从而实现特定航空电子应用在所述COTS演示平台上的运行和对带宽预分配网络访问的操作。

在端系统10A接口服务模块107中，按照带宽预分配保证网络的协议，对发送消息进行帧格式封装、分包处理，并按照配置的虚拟链路帧间间隔向网络驱动模块108提交待发送数据帧。同时接口服务模块107从网络驱动模块108提取带有虚拟链路标识的数据帧210信息，按照带宽预分配保证网络的协议进行消息格式解析、组包处理，并将组装好的消息向数据访问池106进行提交，经过通信端口映射和向应用层进行消息接收事件通知，完成消息的接收处理。接口服务模块107为两大功能集合：虚拟链路发送功能组和虚拟链路接收功能组。两大功能集合共享数据访问池106，从数据访问池传递过来的发送消息，将启动虚拟链路发送功能组合；当接口服务模块107从网络驱动模块108接收到来自网络端口的数据帧信息，将启动虚拟链路接收功能组合。

对于端系统10A接口服务模块107中的虚拟链路发送功能组集合包含：分包单元314、帧格式封装单元315、Sub-VL调度器316和帧间间隔保证器317等四个功能单元。在分包单元314中，根据消息的长度和相关虚拟链路最大帧长度完成消息的分包操作；在帧格式封装单元315中，根据带宽预分配保证网络帧格式，进行消息帧格式封装处理；在Sub-VL调度器316中，根据操作人员配置的消息和子虚拟链路匹配关系，将待发送数据帧存放在与其对应的Sub-VL队列中，并根据子虚拟链路个数和Sub-VL队列填充情况进行基于Round-Robin机制的子虚拟链路轮询访问操作；在帧间间隔保证器317中根据操作人员配置的虚拟链路BAG和消息前后两帧的到达时间间隔，决定数据帧向网络驱动模块108的提交时间。

对于端系统10A接口服务模块107中的虚拟链路接收功能组集合包含：帧格式解析单元319和组包单元318两部分。从网络驱动模块108传递过来的数据帧，首先在帧格式解析单元319中按照带宽预分配保证网络帧格式进行协议信息解析，包括解析MAC包头、IP校验、解析IP包头，并提取SN序号，对帧到达的完整性进行检查，然后在组包单元318中判断数据帧是否为分包类型，完成组包操作，将组包完成的数据帧提交到数据访问池106中，等待应用层的消息接收处理。

在端系统10A中网络驱动模块108实现封装好的数据帧向网络接口102的具体发送处理过程，并从网络端口102上对接收到的所有数据帧按照通信协议类型进行分发处理。对于包含虚拟链路标识的数据帧210，则提取虚拟链路标识号，并向接口服务模块107进行接收消息提交，待其进行后续处理；对于普通的以太网协议数据帧303，则通过消息派送功能，向定购消息的端口进行消息发送处理，这些派送的消息经过TCP/IP协议栈302处理，最终被送到普通以太网协议通信应用301中。从普通以太网协议通信应用301发出的消息，则直接经过TCP/IP协议栈302进行处理，最终通过网络接口102实现消息的发送。网络驱动模块108与接口服务模块107虚拟链路发送功能组和接收功能组进行对应，包含数据帧发送单元320和数据帧接收单元321两部分，分别进行消息发送处理和消息接收处理两部分工作。

图3给出了本发明交换节点实现结构框图。交换节点20A包含静态路由配置模块109和交换模块110两部分组成。静态路由配置模块109通过人机接口401与操作人员进行交互，操作人员可以通过人机接口401向静态路由配置模块输入交换机配置信息，同时静态路由配置模块的配置过程和结果也可以通过人机接口向操作人员进行反馈显示。交换节点20A通过交换模块110的物理端口接入到交换网络30中，交换节点物理端口可以与端系统进行直接连接，同时还可以与其它交换节点通过交叉线进行连接，从而构成多级交换网络。在本发明的交换节点中，并不限制级联的交换节点之间只能有一根物理连接线，交换节点与交换节点之间可以有多个物理端口直接相连，从而扩大交换节点之间的数据交换容量，构成交换主干网。在本发明的交换节点中，也不限制级联的交换节点构成环路通道，对于普通的以太网交换机构成的交换网络，当交换机之间形成了环路后，由于生成树协议功能的开启，往往会造成端口之间的广播风暴，将正常通信过程进行阻塞。通过禁止交换节点的生成树协议功能，并最大程度开启广播风暴控制，以及配置交换节点只能按照固定路由方式转发数据，禁止未知MAC地址的广播和多播，可以实现交换节点之间的多个物理链路连接，并规避环路连接带来的广播风暴影响。

对于交换模块110，在交换节点20A的具体实施过程中，可以采用具有静态路由配置功能的商用2层/3层交换机。例如：可以采用Cisio2960系列交换机作为交换节点20A中的交换模块110。

对于静态路由配置模块109与交换模块110之间的配置通信链路，在具体实施过程中，可以采用串口方式进行连接。利用串口通信实现交换模块110的静态路由配置控制操作。添加静态MAC  地址的命令如下：mac address-table static mac addr vlan vlan-id interface interface-id，表明：给MAC地址表增加一条静态MAC地址，MAC地址为mac-addr的数据包被转发到端口interface-id。因此由虚拟链路ID和固定域组合的MAC地址则构成了交换节点用于静态路由的MAC目的地址，其48bit长度中后16位表明了虚拟链路的ID，从而实现了静态路由的配置过程。

图4给出了本发明端系统10A接口服务模块107中帧间间隔保证器317的工作流程图。在帧间间隔保证器317维护一个消息到达的全局事件标志hHaveData，当接口服务模块接收到从数据访问池106传递过来的消息后，对该事件hHaveData进行置位，并对消息所在VL的发送标志赋值为1(True)。全局事件标志hHaveData的设置，使的帧间间隔保证器317的判断过程与数据帧到达事件保持同步。帧间间隔保证器317通过判断当前数据帧的到达时间与前一数据帧的调度时间的差值和虚拟链路的BAG的相对大小，决定向网络驱动模块108提交待发送数据帧的时间，从而进行帧间间隔保证。在具体实施过程中，帧间间隔保证器317采用CPU频率计数的方式，获得微秒(us)级的高精度时间差值计算。对于帧间间隔保证器的工作状态通过全局标志hIdle进行控制。当帧间间隔保证器317判断全局标志hIdle为假时，退出守候线程守候，当全局标志hIdle为假时真时，等待消息到达事件。当帧间间隔保证器317守候到消息到达的全局事件标志hHaveData置位后，帧间间隔保证器317中对端系统所有发送虚拟链路进行遍历监控，通过VL的发送标志观察每条虚拟链路是否有消息等待发送，如果某条虚拟链路有消息等待发送，则根据Sub-VL调度器316的调度结果，对其中一个子虚拟链路上的数据进行帧间间隔检查，当当前时间减去该虚拟链路上一帧数据调度时间的差值大于虚拟链路配置的BAG时，则当前数据帧被送往网络驱动模块108进行数据帧的物理发送处理，并对该VL的发送标志赋值为0(False)；当当前时间与该虚拟链路上一帧数据调度时间的差值小于虚拟链路配置的BAG时，帧间间隔保证器317对该数据帧在本轮遍历过程中不作任何处理，直接转向对下一个虚拟链路进行判断操作；当端系统所有发送虚拟链路VL的发送标志都为低(0)时，则表明当前端系统没有数据需要发送，帧间间隔保证器317对消息到达的全局事件标志hHaveData进行复位，继续等待消息的下一次到达事件。在这个处理过程中，帧间间隔保证器317可以对多条VL承载的数据帧进行最小间隔保证操作，对于不符合帧间间隔保证的数据帧的发送时间，一直被推迟到满足BAG间隔规范后才向网络驱动模块108进行数据帧发送提交。对于数据源消息发送过程执行帧间最小间隔发送约束，满足了带宽预分配保证网络时间确定性机制的要求。

利用本发明的端系统和交换节点，对带宽预分配保证网络进行典型演示拓扑结构搭建，可以完成十二项带宽预分配保证网络功能展示。在演示拓扑结构中，端系统，即10A、10B、10C、10D与交换节点，即20A、20B、20C、20D通过物理链路101进行连接，同时交换节点之间可以采用物理链路104进行交叉线级联，扩大演示系统规模。从端系统发送出来的数据经过端口行为模拟、帧格式封装、虚拟链路调度和带宽预分配保证，最后经过网络接口102接入到交换网络30中，这些比特流数据经过交换机端口103引入到交换节点内部数据转发结构，按照配置的固定MAC转发表(以虚拟链路ID为标识)进行端口间数据交换，使数据帧被正确路由到消息目的端系统，在消息接收端，通过对数据帧包含的虚拟链路标识进行识别，并将数据帧按照协议层次分层进行协议行为实现，最终完成了带宽预分配保证网络的通信过程展示。

采用本发明，可以完成演示的带宽预分配保证网络功能包括：

1.基于虚拟链路的带宽预分配保证网络的通信过程；

2.带宽预分配保证网络数据帧帧格式组装和解析过程；

3.采样端口服务和队列端口服务的工作行为机制；

4.消息端到端源通信端口、源IP、VLID、目的IP、目的通信端口的五元映射寻址过程；

5.基于虚拟链路最大帧长的分包和组包过程；

6.数据帧最小帧间间隔保证机制及流量限制过程；

7.基于轮转调度策略下的子虚拟链路数据流聚合到虚拟链路数据流的调度过程；

8.虚拟链路承载数据帧聚合到物理链路的过程及抖动产生观察；

9.数据帧发送过程中帧顺序号的循环累加过程；

10.交换节点基于固定路由的帧过滤和帧转发过程；

11.交换节点转发数据帧技术时延情况观察；

12.基于虚拟链路标识号的单薄和多播数据转发过程。

所述一种基于COTS的带宽预分配保证网络功能演示系统，其功能演示步骤如下：

步骤一：连接带宽预分配保证网络功能演示系统中各个端系统和交换节点之间的物理连线，并启动各个设备，完成设备的上电操作；

步骤二：定制各个端系统的通信行为，对每个端系统所涉及的消息、服务端口和虚拟链路的配置信息进行定制；

步骤三：按照端系统与交换节点之间的实际拓扑连接和数据帧固定路由转发情况，对交换节点进行固定MAC地址表配置，并使能广播风暴检查，关闭生成树协议；

步骤四：启动带宽预分配保证网络功能演示系统中的各个端系统仿真功能，在端系统仿真模块上能够观察到消息的发送和接收过程；

步骤五：修改消息发送源的发送内容，在消息接收端观察接收数据内容的变化；

步骤六：观察消息发送源的消息发送数目和消息接收端(包括多播方式)接收到的消息数目，对其发送和接收的数据的一致性进行判断；

步骤七：配置某条消息的长度大于所关联虚拟链路的最大帧长，在消息接收端观察消息组包的过程；

步骤八：在消息发送源修改消息与子虚拟链路的匹配关系，在消息接收端观察消息的接收过程；

步骤九：在消息发送源修改消息与虚拟链路的匹配关系，使修改前所关联的虚拟链路的单播或者多播地址与修改后所关联的虚拟链路的单播或者多播地址不一致，并保证修改后的虚拟链路ID在与消息发送源所在端系统相连的交换节点所配置的静态MAC地址表范围内，在消息接收端观察消息的接收过程；

步骤十：在消息发送源修改消息的发送周期，使得消息的到达间隔小于所关联的虚拟链路的最小帧间间隔BAG，在消息接收端观察消息接收数目的统计，并与发送端消息的发送数目进行对比；

步骤十一：在消息发送源修改消息的发送周期，使得消息的到达间隔大于所关联的虚拟链路的最小帧间间隔BAG，观察消息接收端接收到的消息数目情况，并与发送端消息的发送数目进行比对；

步骤十二：在消息发送源修改消息所关联虚拟链路ID，并保证修改后的虚拟链路ID不在与消息发送源所在端系统相连的交换节点所配置的静态MAC地址表中，在消息接收端观察消息的接收情况；

步骤十三：停止带宽预分配保证网络功能演示系统中各个端系统和交换节点，功能演示操作结束。

Claims (6)

1.一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，该系统是基于航空电子网络技术，通过对普通以太网TCP/IP协议栈进行改造，使系统在消息发送过程中满足带宽预分配机制，并格式化通信数据帧格式，使改造后的普通以太网结点能够无缝接入航空电子全双工交换式以太网中；其特征在于：该系统包括端系统和交换节点两部分；

端系统采用通用计算技术模拟航空电子全双工交换式以太网中真实端系统功能；通过对端系统航空电子应用相关消息的周期进行模拟，对网络应用层的采样服务和队列服务进行定制和行为仿真，对数据链路层的虚拟链路进行配置和帧间间隔保障，并按照网络协议帧格式进行帧组装，模拟端系统通信功能；所述的端系统包括有网络驱动模块、接口服务模块、端系统仿真模块；

交换节点采用COTS交换机，按照配置的固定MAC地址表对进入到交换节点的数据帧进行转发处理；所述的交换节点包括有交换模块和静态路由配置模块；

在系统对于消息接收处理过程中，将具有虚拟链路标识的数据帧提交端系统应用作进一步处理，对于普通以太网协议数据帧，则原封不动提交给TCP/IP协议帧，进行一般网络通信处理；通过配置静态路由表，实现交换节点按照虚拟链路ID为标识的固定转发关系进行消息转发处理；通过对端系统和交换节点进行组网，完整实现：发送消息-源通信端口-源IP-虚拟链路-目的IP-目的通信端口-接收消息的寻址映射，模拟了带宽预分配保证网络基于虚拟链路的整个通信过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，其特征在于：所述端系统中的网络驱动模块，实现带宽预分配保证网络报文的收发功能；网络驱动模块基于NDIS驱动模型，从物理端口捕获数据，根据包的不同类型，将具有虚拟链路编号的数据帧提交给端系统原型中的接口服务模块，将其它数据包原封不动提交给TCP/IP协议栈，进行一般的网络通信处理；从端系统原型中的接口服务模块传递过来的带有虚拟链路标识，并按照带宽预分配保证网络协议帧格式进行封装的数据包，网络驱动模块将其交给物理端口发送出去，完成数据帧的实际发送过程。 

3.根据权利要求1所述的一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，其特征在于：所述端系统原型中的接口服务模块，按照带宽预分配保证网络协议，进行数据帧的分包、组包、帧格式封装、帧格式解析的帧格式处理，同时按照承载数据帧的虚拟链路的帧间间隔，控制数据帧向端系统原型中的网络驱动模块提交的时间，保证消息通信所需的带宽预分配方案；接口服务模块包括两组功能集合：虚拟链路发送功能组和虚拟链路接收功能组；对于虚拟链路发送功能组集合，当接收到从应用程序发来的消息后，按照配置文件端口服务配置情况，进行采样端口和队列端口缓冲处理，并添加对应UDP包头，根据承载消息的虚拟链路的最大帧长配置进行IP分包处理，将分包加上对应的IP头，计算IP包头的校验和，然后将分包加上MAC包，将各包放入对应子虚拟链路的缓存队列中，轮盘查询所有虚拟链路，取出有数据需要发送，且满足BAG要求的数据包，将数据包加上帧顺序SN序号，发送给网络驱动模块；对于虚拟链路接收功能组集合，当接收从网络驱动模块发来的带宽预分配保证网络数据帧，判断数据帧的虚拟链路归属以及SN序号，将通过检查的数据帧加入对应的接收虚拟链路缓存中，去数据帧MAC包头，完成IP校验，解IP包头，并判断数据帧是否为分包类型，完成组包操作，然后完成UDP校验，解UDP包头，将解析后的消息放入采样端口和队列端口缓冲中，并通知应用程序进行消息接收处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，其特征在于：所述端系统原型中的端系统仿真模块，按照配置的消息周期和消息长度，模拟航空电子应用对于数据产生和数据接收的处理过程；操作人员可以通过人机界面实现端系统发送和接收消息，以及相关的服务端口和虚拟链路进行配置；对于周期消息，需要进一步配置的信息包括：消息ID、消息名称、消息周期、初始相位、抖动比例、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID、子虚拟链路ID、消息长度；对于非周期消息，需要进一步配置的信息包括：消息ID、消息名称、产生频率、初始相位、抖动比例、消息源IP、消息目的IP、消息源UDP、消息目的UDP、虚拟链路ID、子虚拟链路ID、消息长度；对于服务端口，端系统仿真模块提供的配置属性包括：端口模式、源UDP、目的UDP、最多消息数目、刷新率；对于虚拟链路，端系统仿真模块提供的配置属性包括：虚拟链路ID、虚拟链路名称、BAG、最大帧长、最小帧长、VL类型；完成端系统配置操作后，操作人员 可以开启端系统仿真模块的仿真功能，端系统仿真模块将配置的服务端口信息和虚拟链路信息下发到接口服务模块中，启动接口服务模块的初始化操作；端系统仿真模块通过数组维护消息配置信息，根据消息的发送规律，模拟数据源的产生过程，并对接口服务模块返回的接收消息事件进行响应，对端系统原型接收到的数据帧进行处理和显示；端系统仿真模块提供发送数据帧和接收数据帧的计数和统计功能，并通过运行结果显示界面，对消息发送和接收结果进行显示。

5.根据权利要求1所述的一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，其特征在于：所述交换节点原型中的交换模块，根据配置的固定MAC地址表进行消息的实际转发处理；交换模块通过对配置的固定MAC地址表和端口映射关系进行查询，实现数据帧的固定路由转发功能。

6.根据权利要求1所述的一种基于COTS技术的带宽预分配保证网络演示系统，其特征在于：所述交换节点原型中的静态路由配置模块，提供人机界面完成交换模块的配置工作；需要配置的信息包括：固定MAC地址表，同时静态路由配置模块默认关闭交换节点的生成树协议功能，禁止未知目的MAC地址的单播和多播，同时开启广播风暴控制功能，使能交换节点只能按照配置的MAC地址进行数据转发，从而模拟航空电子全双工交换式以太网中真实交换机的固定路由转发功能。 

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