CN102427426B - 同时支持afdx与普通以太网交换的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同时支持AFDX和普通以太网交换的方法及装置，主要解决现有技术中AFDX交换机不能够同时支持AFDX和普通以太网交换的问题，其方法步骤包括：(1)提取分组特征信息；(2)接收调度分组；(3)查找转发表；(4)过滤和警管；(5)分组入队；(6)发送调度分组。其设备包括：输入缓存模块，接收调度模块，端口查找表模块，共享查找表模块，过滤警管模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块。本发明具有能够提高了AFDX组网方式的灵活性和载人航天领域器中以太网信息终端接入AFDX的可行性，并且能够充分地利用AFDX中的剩余带宽，有效地提高AFDX的带宽利用率，适用于网络与交换方面。

Description

同时支持AFDX与普通以太网交换的方法及装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及同时支持航空全双工以太网(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)和普通以太网交换的方法及装置。本发明可用于网络交换方面，通过协调AFDX分组和以太网分组，使得交换机能够同时支持航空全双工以太网AFDX和普通以太网交换。

背景技术

随着航空航天技术的发展，飞机、航天器等飞行器中会使用数据交换机来逐步取代目前使用的专线连接，其典型代表为航空全双工以太网AFDX，目前航空全双工以太网AFDX数据交换机可靠性高，带宽较大，实时性较强，但它需要初始配置，并且不能和普通的以太网兼容，这会导致载人航天器中人无法通过普通的个人电脑接入航空全双工以太网AFDX网络的问题，同时，普通以太网交换机支持即插即用，组网灵活，若航空全双工以太网AFDX交换机能够同时支持航空全双工以太网AFDX分组和普通以太网分组，则该问题将得到解决，并且目前的航空全双工以太网AFDX交换机的带宽利用率将得到提高，组网方式将更加灵活。

西北工业大学在提出的专利申请“一种航空电子全双工交换式以太网交换机调度方法”(申请日：2011.05.12，申请号：201110123250.0，公告号：CN102201988A)中公开了一种航空电子全双工交换式以太网交换机调度方法，用于解决高优先级消息的延迟时间。该方法的实施步骤是：第一，源端系统将要发送的消息封装成标准的以太网帧格式，发送到虚链路上等待传输；第二，将步骤一得到的消息传输到航空全双工以太网AFDX的交换网络后，航空全双工以太网AFDX交换机对到来的消息进行过滤，若不满足航空全双工以太网AFDX帧要求则丢弃，满足要求继续下一步；第三，根据路由配置表，将接受的消息发送到航空全双工以太网AFDX交换机的输出缓存区；第四，为将要发送的消息建立一个虚拟的输出队列，排队等待转发；第五，计算每一条虚拟输出队列中的消息的紧迫程度，并根据消息进入队列时的截止时间对消息设置初始优先级，具体包括以下步骤：a)在每一个虚拟输出链路中，设置一个技术其， 计算每一个进入虚拟输出队列的消息的截止时间di(t)-t，其中di(t)为该消息的任务时限，由发送消息的源端系统决定，t为当前时间；b)比较当前队列中个消息的截止时间大小，对新消息设置初始优先级，截止时间越小的消息初始优先级越高；第六，若当前进入虚拟输出队列的消息的截止时间最短，则初始优先级最高，则转发此消息到物理端口，完成对消息的转发了，若当前进入虚拟输出链路的消息截止时间不是最短，即初始优先级较低，则进入下一步；第七，消息在虚拟输出链路中继续等待，并每隔一个指定的时间段后，对虚拟输出链路中的所有的消息优先级加一，每次选择优先级最高的消息发送；第八，每当虚拟输出队列有新消息到来时，进入步骤五。该方法能够有效地减少高优先级分组的时延。

该方法的不足之处在于，它提出的调度方法不支持普通以太网分组，使得航空全双工以太网AFDX交换机带宽利用率较低，组网灵活性较低；它提到的调度方法中没有协调高、低优先级分组的输出调度，只是尽可能的减少高优先级分组的转发时延，这无法满足航空全双工以太网AFDX分组发送到达时间确定性的要求。

杭州华三通信技术有限公司提出的专利申请“融合了电路交换和分组交换的以太网交换方法与设备”(申请日：2006.12.28，申请号：200610156713.2，公告号：CN101212424A)中公开了一种融合了电路交换和分组交换的以太网交换方法与设备，用于解决交换机同时支持混合交换虚电路和分组的问题。该方法的实施步骤是：第一，以太网端口输出部分按定长以太网帧的单位传输时间划分输出时隙，且各输出时隙被灵活制定参加分组交换或时分交换；第二，以太网端口输入部分接收定长以太网帧后，交换单元对应的转发表项将参与十分交换定长以太网帧交换至指定以太网端口的制定输出时隙，或将参与分组交换定长以太网帧交换至指定的以太网端口；第三，以太网端口输出部分在同步信息协调下，按输出时隙编号发送定长以太网帧。该方法既能够进行时分业务的电路交换，又能够进行突发业务的分组交换，同时能够提高线路带宽利用率。

该方法的不足之处在于，它提出的方法不支持交换机转发航空全双工以太网AFDX分组，所以不能应用到航空全双工以太网AFDX交换机中。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供了同时支持AFDX和普通以太网交换的方法及装置，在航空全双工以太网AFDX交换机中实现航空全双工以太网 AFDX分组和普通以太网分组的混合交换，提高组网方式的灵活性和网络的带宽利用率。

为了实现上述目的，本发明方法的思路是：为航空全双工以太网AFDX分组和普通以太网分组提供两条逻辑上并行处理的路径，并且通过将普通以太网分组设为低优先级分组，从而在航空全双工以太网AFDX分组和普通以太网分组同时作输出调度时，能够优先调度航空全双工以太网AFDX分组，保证航空全双工以太网AFDX的高优先级分组优先调度。

本发明的装置包括八个模块：输入缓存模块，接收调度模块，端口查找表模块，共享查找表模块，过滤警管模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块；其中：输入缓存模块，用于接收并缓存数据分组，为接收调度提供分组特征信息；接收调度模块，用于轮询输入端口分组，根据分组的特征信息作接收调度；端口查找表模块，用于为航空全双工以太网AFDX分组查找目的端口；共享查找表模块，用于为普通以太网分组查找目的端口；过滤警管模块，用于对航空全双工以太网AFDX分组按照合法性要求作过滤，并对其进行流量控制；输出队列模块，用于缓存即将被发送调度的分组；发送调度模块，用于对高优先级和低优先级分组采用非抢占式优先级排队策略作发送调度；输出缓存模块，用于缓存发送调度模块发送的分组，向输出端口顺序发送该分组。

本发明方法的实现步骤如下：

(1)输入缓存模块接收数据分组，并提取分组特征信息；

(2)接收调度分组

接收调度模块按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则按照步骤(1)中的分组特征信息判断分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，若是，则将航空全双工以太网AFDX分组送入端口查找表模块，否则，将普通以太网分组送入共享查找表模块；

(3)查找转发表

3a)在端口查找表模块的第一级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据步骤(1)中的分组特征信息，查找找与之匹配的第二级随机存取存储器的地址，若查到，则执行步骤3b)；若未查到，则丢弃；在共享查找表模块中接收普通以太网分组，根据步骤(1)中的分组特征信息，查找与之匹配的源地址，若查到， 则执行步骤3c)，否则，向输出队列广播该普通以太网分组，执行步骤(4)；

3b)在端口查找表模块的第二级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据步骤3a)查到的第二级随机存取存储器地址，读取该地址对应的查找表项，从中提取该航空全双工以太网AFDX分组的分组调度信息，执行步骤(4)；

3c)从匹配的共享查找表模块表项中，提取普通以太网分组的目的端口号，执行步骤(4)；

(4)过滤和警管

4a)接收端口查找表模块发送的航空全双工以太网AFDX分组，对该分组的合法性作过滤，符合过滤条件的，执行步骤4b)，否则丢弃；接收共享查找表模发送的普通以太网分组，执行步骤(5)；

4b)对符合过滤条件的分组作警管处理，调整分组间隔，使得经过警管的分组能够均匀的发送到输出队列模块，执行步骤(5)；

(5)分组入队

输出队列模块接收数据分组，根据步骤3b)中的分组调度信息和步骤3c)中的普通以太网分组的目的端口号，将航空全双工以太网AFDX分组送入对应的高优先级队列或低优先级队列；将普通以太网分组送入低优先级队列，执行步骤(6)；

(6)发送调度分组

根据步骤3b)中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤(5)中的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块；

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用并行处理航空全双工以太网AFDX分组和普通以太网分组方式，并将以太网分组的优先级统一设为低优先级，在输出调度时，克服了现有技术存在的航空全双工以太网AFDX交换机不支持普通以太网交换分组问题，并能够保证航空全双工以太网AFDX高优先级分组不受普通以太网的影响而准时发送，提高了航空全双工以太网AFDX组网方式的灵活性和载人航天领域器中以太网信息终端接入航空全双工以太网AFDX的可行性。

第二，由于本发明采用普通以太网分组作为低优先级分组和航空全双工以太网AFDX分组同时作查表转发的方式，使得本发明能够克服航空全双工以太网AFDX的带宽利用率通常较低的问题，能够充分地利用航空全双工以太网AFDX中的剩余带宽， 有效地提高航空全双工以太网AFDX的带宽利用率。

附图说明

图1为本发明装置的方框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1，附图2，对本发明作进一步描述：

参考附图1，本发明的装置包括八个模块：输入缓存模块，接收调度模块，端口查找表模块，共享查找表模块，过滤警管模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块。

输入缓存模块，用于接收并缓存数据分组，为接收调度提供分组特征信息；数据分组的帧格式，如下表：(单位：Byte)

其中，航空全双工以太网AFDX分组的目的地址的前32位用于区分该分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，后16位为用于记录目的虚链路号；普通以太网分组的目的地址为其目的MAC地址，输入缓存模块会将分组缓存在输入缓存中，从分组中提取的有用的分组特征信息包括：分组的目的地址和源地址；数据分组进入输入缓存模块，接收调度模块轮询输入缓存模块，若输入缓存非空，则将分组和调度信息送入接收调度模块，若输入缓存为空，则不向接收调度模块发送信息。

接收调度模块，用于轮询输入端口分组，根据分组的特征信息作接收调度；分组进入接收调度模块，接收调度模块会根据特征信息判断该分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，若是，则将航空全双工以太网AFDX分组送入端口查找表模块，若不是，将普通以太网分组送入共享查找表模块。

端口查找表模块，用于为航空全双工以太网AFDX分组提供查找目的端口，端口查找表模块在每个输入端口各设置一个，它包括第一级随机存取存储器和第二级随机存取存储器，其中第一级随机存取存储器，用于为交换机所有输入端口的虚链路提供256*16个查找表项，在第一级随机存取存储器查找表项中，每个本端口支持的虚链路表项里会存放第二级随机存取存储器的地址，在第二级随机存取存储器查找表项中存 放着对应虚链路的目的端口等信息，其表项如下表：(单位：Bit)

其中各个字段的含义如下：输出端口：输出端口对应虚链路号，宽度16bits；优先级：高优先级还是低优先级，分配宽度1bits；多播分组指示符：用于指示是否是多播分组，分配宽度1bits；多播存放队列号：用于指示多播分组存放到哪个队列，分配宽度4bits。Constant域值：用于过滤时对数据分组的constant域进行检查，宽度32bits；最大帧长为1538bytes；最小帧长为84bytes；端口查找表模块为发送调度模块提供的分组调度信息包括，目的端口、优先级、多播/单播以及长度。

共享查找表模块，用于为普通以太网分组查找目的端口，所有端口的以太网分组共享一个查找表寄存器，它为发送调度模块提供普通以太网分组的目的端口号，采用端口查找表和共享查找表分别为航空全双工以太网AFDX分组和普通以太网分组作查表转发的方式，能够克服航空全双工以太网AFDX分组与普通以太网分组混合交换时，普通以太网分组查找表的表项与航空全双工以太网AFDX分组的查找表的表项不兼容的问题，从而提高两者的兼容性，并进一步保证航空全双工以太网AFDX分组得到优先发送。

过滤警管模块，用于对航空全双工以太网AFDX分组按照合法性要求作过滤，并对其进行流量控制。

输出队列模块，用于缓存即将被发送调度的分组，该模块包括高优先级输出队列和低优先级输出队列，分组由过滤警管模块发送到输出队列模块中，其中航空全双工以太网AFDX分组根据分组调度信息中的优先级，进入高优先级输出队列或低优先级输出队列，而普通以太网分组统一进入低优先级输出队列。

发送调度模块，用于对高优先级和低优先级分组采用非抢占式优先级排队策略作发送调度，保证高优先级分组的准时发送到输出缓存模块。

输出缓存模块，用于缓存发送调度模块发送的分组，向输出端口发送该分组。

参照附图2，对本发明的实现方法作进一步描述。

步骤1，输入缓存模块接收数据分组，并提取分组特征信息。

分组特征信息包括分组的目的地址和源地址，其中航空全双工以太网AFDX分组 的目的地址的前32位用于区分该分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，后16为用于记录目的虚链路号；普通以太网分组的目的地址为其目的MAC地址。

步骤2，提取时间注册表信息

接收调度模块按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则按照步骤(1)中的分组特征信息判断分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，若是，则将航空全双工以太网AFDX分组送入端口查找表模块，否则，将普通以太网分组送入共享查找表模块。

步骤3，查找转发表

首先，在端口查找表模块的第一级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据步骤1中的分组特征信息，查找与之匹配的第二级随机存取存储器的地址，若查到，则在端口查找表模块的第二级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据前面查到的第二级随机存取存储器地址，读取该地址对应的查找表项，从中提取该航空全双工以太网AFDX分组的分组调度信息，包括目的端口、优先级、多播/单播以及长度，执行步骤4；若未查到，则丢弃；

其次，在共享查找表模块中接收普通以太网分组，根据步骤1中的分组特征信息，查找与之匹配的源地址，若查到，则从匹配的共享查找表模块表项中，提取普通以太网分组的目的端口号，执行步骤4；否则，向输出队列广播该普通以太网分组，执行步骤4；

步骤4，过滤和警管

首先，接收端口查找表模块发送的航空全双工以太网AFDX分组，对该分组的合法性作过滤，分组的合法性指，分组能够通过检错校验，以及分组长度在系统设置的范围内，对符合过滤条件的分组，作警管处理，使得经过警管的分组能够均匀的发送到输出队列模块，警管指对分组流量控制，将分组间隔较系统预设值小的分组，延时发送，将分组间隔较系统预设值大的分组优先发送，执行步骤5；

若过滤没有通过，则丢弃该分组；

其次，接收共享查找表模发送的普通以太网分组，执行步骤5；

步骤5，分组入队

输出队列模块接收数据分组，根据步骤3中的分组调度信息和普通以太网分组的目的端口号，将航空全双工以太网AFDX分组送入对应的高优先级队列或低优先级队 列；将普通以太网分组送入低优先级队列，执行步骤6。

步骤6，发送调度分组

根据步骤3中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤5提供的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块，其中发送调度策略指，发送调度模块优先调度高优先级分组，其次再调度低优先级分组，当低优先级分组正在被调度时，高优先级分组不打断低优先级分组的调度过程。

Claims (8)

1.同时支持AFDX和普通以太网交换的装置，AFDX是指航空全双工以太网，该装置包括八个模块：输入缓存模块，接收调度模块，端口查找表模块，共享查找表模块，过滤警管模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块；其中：

所述输入缓存模块，用于执行步骤(1)接收并缓存数据分组，为接收调度提供分组特征信息；

所述接收调度模块，用于按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则在输入缓存模块接收数据分组，并提取分组特征信息的基础上，判断分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，若是，则将航空全双工以太网AFDX分组送入端口查找表模块，否则，将普通以太网分组送入共享查找表模块；

所述端口查找表模块，用于完成以下操作步骤：3a)在端口查找表模块的第一级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据交换方法步骤(1)中的分组特征信息，查找与之匹配的第二级随机存取存储器的地址，若查到，则执行步骤3b)；若未查到，则丢弃；在共享查找表模块中接收普通以太网分组，根据步骤(1)中的分组特征信息，查找与之匹配的源地址，若查到，则执行步骤3c)，否则，向输出队列广播该普通以太网分组，执行交换方法步骤(4)；3b)在端口查找表模块的第二级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据步骤3a)查到的第二级随机存取存储器地址，读取该地址对应的查找表项，从中提取该航空全双工以太网AFDX分组的分组调度信息，执行步骤(4)；3c)从匹配的共享查找表模块表项中，提取普通以太网分组的目的端口号，执行步骤(4)；

所述共享查找表模块，用于为普通以太网分组查找目的端口；

所述过滤警管模块，用于完成以下操作步骤(4)：4a)接收端口查找表模块发送的航空全双工以太网AFDX分组，对该分组的合法性作过滤，符合过滤条件的，执行交换方法步骤4b)，否则丢弃；接收共享查找表模发送的普通以太网分组，执行步骤(5)；4b)对符合过滤条件的分组作警管处理，对分组作流量控制，将分组间隔较系统预设值小的分组延时发送，将分组间隔较系统预设值大的分组优先发送，调整分组间隔，使得经过警管的分组能够均匀的发送到输出队列模块，执行交换方法的步骤(5)；

所述输出队列模块，用于缓存即将被发送调度的分组；

所述发送调度模块，用于对高优先级和低优先级分组采用非抢占式优先级排队策略作发送调度；

所述输出缓存模块，用于缓存发送调度模块发送的分组，向输出端口顺序发送该分组；

其中步骤(5)为输出队列模块接收数据分组，根据步骤3b)中的分组调度信息和步骤3c)中的普通以太网分组的目的端口号，将航空全双工以太网AFDX分组送入对应的高优先级队列或低优先级队列；将普通以太网分组送入低优先级队列，执行步骤(6)；

步骤(6)：发送调度分组，根据步骤3b)中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤(5)中的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块。

2.根据权利要求1所述的同时支持AFDX和普通以太网交换的装置，其特征在于，所述端口查找表模块包括第一级随机存取存储器和第二级随机存取存储器，端口查找表模块在每个输入端口各设置一个。

3.根据权利要求1所述的同时支持AFDX和普通以太网交换的装置，其特征在于，所述输出队列模块包括高优先级队列和低优先级队列。

4.同时支持AFDX和普通以太网交换的方法，包括如下步骤：

(1)输入缓存模块接收数据分组，并提取分组特征信息；

(2)接收调度分组

接收调度模块按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则按照步骤(1)中的分组特征信息判断分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，若是，则将航空全双工以太网AFDX分组送入端口查找表模块，否则，将普通以太网分组送入共享查找表模块；

(3)查找转发表

3a)在端口查找表模块的第一级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据步骤(1)中的分组特征信息，查找与之匹配的第二级随机存取存储器的地址，若查到，则执行步骤3b)；若未查到，则丢弃；在共享查找表模块中接收普通以太网分组，根据步骤(1)中的分组特征信息，查找与之匹配的源地址，若查到，则执行步骤3c)，否则，向输出队列广播该普通以太网分组，执行步骤(4)；

3b)在端口查找表模块的第二级随机存取存储器中接收航空全双工以太网AFDX分组，根据步骤3a)查到的第二级随机存取存储器地址，读取该地址对应的查找表项，从中提取该航空全双工以太网AFDX分组的分组调度信息，执行步骤(4)；

3c)从匹配的共享查找表模块表项中，提取普通以太网分组的目的端口号，执行步骤(4)；

(4)过滤和警管

4a)接收端口查找表模块发送的航空全双工以太网AFDX分组，对该分组的合法性作过滤，符合过滤条件的，执行步骤4b)，否则丢弃；接收共享查找表模发送的普通以太网分组，执行步骤(5)；

4b)对符合过滤条件的分组作警管处理，对分组作流量控制，将分组间隔较系统预设值小的分组延时发送，将分组间隔较系统预设值大的分组优先发送，调整分组间隔，使得经过警管的分组能够均匀的发送到输出队列模块，执行步骤(5)；

(5)分组入队

输出队列模块接收数据分组，根据步骤3b)中的分组调度信息和步骤3c)中的普通以太网分组的目的端口号，将航空全双工以太网AFDX分组送入对应的高优先级队列或低优先级队列；将普通以太网分组送入低优先级队列，执行步骤(6)；

(6)发送调度分组

根据步骤3b)中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤(5)中的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块。

5.根据权利要求4所述的同时支持AFDX和普通以太网交换的方法，其特征在于，步骤(1)所述分组特征信息包括分组的目的地址和源地址，其中航空全双工以太网AFDX分组的目的地址的前32位用于区分该分组是否为航空全双工以太网AFDX分组，后16位用于记录目的虚链路号；普通以太网分组的目的地址为其目的MAC地址。

6.根据权利要求4所述的同时支持AFDX和普通以太网交换的方法，其特征在于，步骤3b)所述分组调度信息包括目的端口、优先级、多播/单播以及长度。

7.根据权利要求4所述的同时支持AFDX和普通以太网交换的方法，其特征在于，步骤4a)所述分组的合法性指，分组能够通过检错校验和分组长度在系统设置的范围内。

8.根据权利要求4所述的同时支持AFDX和普通以太网交换的方法，其特征在于，步骤(6)所述发送调度策略为发送调度模块优先调度高优先级分组，再对低优先级分组作调度，当低优先级分组正在被调度时，高优先级分组不打断低优先级分组的调度过程。