CN102497285A - 基于字节的afdx交换机的过滤警管系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于字节的AFDX交换机的过滤警管系统及方法，主要解决在抖动较大、帧长不同的情况下的帧丢失问题。该系统包括：缓存器、查找表、过滤模块、警管模块和判决模块；缓存器储存数据帧，并提取数据帧的VL和帧信息，利用VL在查找表中查找数据帧的过滤参数，进而与帧信息在过滤模块中进行比较，确定数据帧是否满足过滤要求，同时，在警管模块中利用字节漏桶算法对数据帧的流量进行控制，最后，通过判决模块决定是否允许该数据帧进入交换网络。本发明实现方法简单，节省系统资源，数据帧的通过率高，有利于提升网络交换的性能，可用于航空交换网络中数据帧的过滤及流量控制。

Description

基于字节的AFDX交换机的过滤警管系统及方法

技术领域

本发明涉及航空电子网络交换领域，特别是涉及一种基于字节的航空全双工交换式以太网AFDX交换机的过滤警管系统及方法，可用于对交换网络中数据帧进行过滤及流量控制。

背景技术

航空全双工交换式以太网AFDX最早是由空中客车公司基于802.3以太网技术设计的用于A380型大型客机的新一代管理数据网络ADN。尽管802.3以太网可以提供很高的传输速度和低成本以及良好的商用性，但是802.3以太网缺乏对于带宽和服务质量的保障，这恰恰是航空通信网所必须的。因此AFDX引入异步传输模式ATM中的虚链接VL概念，以实现任务的带宽和服务质量QoS保障。

根据航空总线标准ARINC 664协议第七部分，一个AFDX交换机有16个端口，每个端口可为256条VL提供服务，数据帧用不同的VL进行标识，一条VL代表着一条传输相同特性数据帧的链路，即相同的目的地址、最小帧间隔、和帧长。具有相同VL的相邻两个帧之间的最小时间间隔称为BAG，允许帧有抖动Jitter，每条VL分配的带宽是通过设置帧间隔BAG实现的，所有VL的总带宽不能超过网络的限制，同时，VL上的数据流在传输过程中必须保证正确的相关的特性。在交换网络的前端对不同VL的数据帧进行过滤和流量控制，确保正确的帧能迅速的通过交换网络，并能及时的阻止错误帧占用网络资源。

在AFDX中，数据帧的过滤和流量控制功能是由过滤警管方法实现的，现有的AFDX的过滤警管方法，均是基于帧的过滤警管。如利用令牌桶算法，当一帧到达时，不管到达帧的帧长是多少，令牌数ACi减少的量是协议允许范围内设定的最大帧长Simax，从而达到过滤和流量控制的目的。

基于上述的理论基础，人们还提出一种基于帧的过滤警管改进方法，即利用同一个VL的相邻到达帧的时间差值T作为过滤警管的依据，即满足BAG-Jitter＜T＜BAG+Jitter，表示该帧满足过滤警管要求，否则，丢弃该帧，可以通过该方法实现过滤和流量控制功能。

上述两种基于帧的过滤警管方法有利于保证时间间隔稳定的数据帧通过，但在抖动较大、不同帧长的数据交替到达的情况下，一个帧到达后，易造成短时间间隔内到达的帧丢弃，如图1所示，每个长帧后面出现一个短帧，即短帧1，短帧2和短帧3，当一个帧到达时，计数值ACi要减去一个定义的最大帧长Simax，并保证结果大于0。但在短帧1和长帧2到达的时刻，由于计数值ACi＜Simax，该两个短帧会被丢弃，从而造成正确的数据丢失。

由此可见，基于帧的过滤警管方法需要占用较大的时间资源，且对不同特征的数据帧的适应能力有限，特别是对抖动较大、帧长不同的数据帧的处理能力较差，限制了链路带宽，影响了交换网络的容量提升。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于字节的AFDX交换机的过滤警管系统及方法，以解决在抖动较大、帧长不同的情况下的帧丢失问题，从而满足不同链路中的数据传输要求，扩大数据传输带宽，提升AFDX交换网络的容量。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、术语说明

VL：代表AFDX交换机内部的一条交换链路，用数据帧中的16位比特表示。

过滤参数表：由256个VL和过滤参数组成的一组表项，其中，1个VL对应1个过滤参数。

警管参数表：由256个VL和警管参数组成的一组表项，其中，1个VL对应1个警管参数。

Constant域值：表示数据帧的传输时延，用数据帧中的32位比特表示。

二、本发明提出一种基于字节的AFDX交换机的过滤警管系统，包括：

缓存器，用于存储从网络中接收到的数据帧，提取数据帧的虚链路VL和帧信息，并分别发送到查找表、过滤模块和警管模块，同时接收判决模块的控制信息，清除或输出数据帧；

查找表，用于存储与VL相对应的过滤参数，并将过滤参数发送到过滤模块，该过滤参数包括输出端口号、Constant域值、设定的最大帧长S1、设定的最小帧长S2、设定的帧长范围S3；

过滤模块，用于接收从缓存器发送的帧信息和从查找表发送的过滤参数，进行帧信息和过滤参数的比较操作，并向判决模块输出数据帧的过滤结果信息；

警管模块，用于接收从缓存器发送的VL和帧信息，通过对帧到达时可用字节数C和帧长S的比较运算，进行数据帧流量控制操作，获得数据帧的警管结果信息，并发送到判决模块；

判决模块，用于接收过滤模块和警管模块的结果信息，并对该两个结果信息进行“与”操作，若两个结果信息均为1，即高电平，则向缓存器发送输出数据的控制信息，否则，向缓存器发送清空数据的控制信息。

所述的过滤模块包括：

端口匹配子模块，用于对帧信息中的输出端口号和过滤参数中的输出端口号进行比较，输出比较结果信息；

域值匹配子模块，用于对帧信息中的Constant域值和过滤参数中的Constant域值进行比较，输出比较结果信息；

最大帧长比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和过滤参数中的最大帧长S1进行比较，输出比较结果信息；

最小帧长比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和过滤参数中的最小帧长S2进行比较，输出比较结果信息；

合理帧长比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和过滤参数中的合理帧长范围S3进行比较，输出比较结果信息，S3的设定范围是64～1518字节；

“与”子模块，用于对上述五个子模块的结果信息进行“与”操作，当上述五个子模块的结果信息均为1时，即高电平，表示过滤成功，输出过滤成功信息，否则，表示过滤失败，输出过滤失败信息。

所述的警管模块包括：

CPU接口，用于向寄存器RAM传送初始警管参数，该警管参数包括前一帧到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2；

计时器，用于向运算比较子模块提供准确的数据帧到达时间，帧到达的时间间隔用字节的增加量表示；

寄存器RAM，用于存储与VL对应的警管参数，利用VL索引寄存器RAM中的警管参数，发送到运算比较子模块，并根据运算比较子模块中的比较结果信息更新寄存器RAM中的警管参数；

运算比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和寄存器RAM中的警管参数进行运算，得出警管的结果信息，并向寄存器RAM发送更新信息，该更新信息包括：前一帧到达时间T1的更新值和可用计数值C的更新值。

三、本发明基于字节的AFDX交换机的过滤警管方法，包括如下步骤：

(1)设定过滤参数和警管参数，该过滤参数包括输出端口号、Constant域值、最大帧长S1、最小帧长S2和合理帧长范围S3；该警管参数包括前一帧的到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2，使能信号EN为低电平，当有数据帧到达时，置EN为高电平；

(2)对使能信号EN进行检测，若EN为1，即高电平，执行步骤(3)，否则，继续对使能信号EN进行检测；

(3)记录数据帧的到达时间T2，提取数据帧的虚链路VL和帧信息，并利用虚链路VL获得该数据帧的过滤参数和警管参数，该帧信息包括Constant域值、帧长S和输出端口号；

(4)将步骤(3)中的帧信息和过滤参数进行比较：

若帧信息中的输出端口号和过滤参数中的输出端口号相同，置输出信号OUT为1，否则，置输出信号OUT为0；

若帧信息中的Constant域值和过滤参数中的Constant域值相同，置输出信号CON为1，否则，置输出信号CON为0；

若帧长S小于等于最大帧长S1，置输出信号MAX为1，否则，置输出信号MAX为0；

若帧长S大于等于最小帧长S2，置输出信号MIN为1，否则，置输出信号MIN为0；

若帧长S在合理帧长S3的范围内，置输出信号LEN为1，否则，置输出信号LEN为0，该S3的范围是64～1518字节；

(5)根据比较结果的输出信号，得到数据帧的过滤结果信息：若上述输出信号OUT、CON、MAX、MIN和LEN均为1，表示该帧过滤成功，置过滤结果信号F为1，否则，该帧过滤失败，置过滤结果信号F为0；

(6)将警管参数中的前一帧的到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2分别与数据帧到达时间T2和帧长S进行比较：

若T2-T1+C≥C1，C1-S≥C2，执行步骤(7)，

若T2-T1+C≥C1，C1-S＜C2，执行步骤(8)，

若T2-T1+C＜C1，T2-T1+C-S≥C2，执行步骤(7)，

若T2-T1+C＜C1，T2-T1+C-S＜C2，执行步骤(8)，

(7)置输出的警管结果信号P为1，更新前一帧到达时间T1和可用计数值C，令T1＝T2，C＝A-S；

(8)置输出的警管结果信号P为0，更新前一帧到达时间T1，令T1＝T2；

(9)根据步骤(5)中的过滤结果信号F和步骤(7)-(8)中警管结果信号P，确定控制信号J，若过滤结果信号F和警管结果信号P均为1，置控制信号J为1，输出数据帧，否则，置控制信号J为0，清除数据帧，返回步骤(2)。

本发明由于利用数据帧的帧信息和过滤参数完成帧过滤功能，并利用基于字节的漏桶算法对数据帧的流量进行控制，解决了在抖动较大、帧长不同的情况下的帧丢失问题，从而满足不同链路中的数据传输要求，扩大数据传输带宽，提升AFDX交换网络的容量。

附图说明

图1为现有基于帧的过滤警管的帧丢失模型图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明系统中的过滤模块框图；

图4为本发明系统中的的警管模块框图；

图5为本发明的过滤警管方法总流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方法更加清楚易懂，以下参照附图对本发明进行进一步的详细说明。

如图2所示，本发明的系统包括：查找表10、缓存器20、过滤模块30、警管模块40和判决模块50；其中，缓存器20与查找表10、过滤模块30和警管模块40单向连接，查找表10与过滤模块30单向连接，过滤模块30与判决模块50单向连接，警管模块40和与判决模块50单向连接，判决模块50与缓存器20单向连接。其中：

所述缓存器20，存储到达的数据帧，提取数据帧的VL和帧信息，将VL发送到查找表10和警管模块40，将帧信息发送到过滤模块30和警管模块40，同时接收判决模块50的控制信息，清除或输出数据帧；

所述查找表10，存储256个与VL相对应的过滤参数，通过VL将相应的一个过滤参数发送到过滤模块30，其中，该过滤参数包括：输出端口号、Constant域值、最大帧长S1、最小帧长S2、合理帧长范围S3，如表1所示：

表1查找表中的过滤参数表

所述过滤模块30，接收从缓存器20发送的帧信息和从查找表10发送的过滤参数，进行帧信息和过滤参数的比较操作，并向判决模块50发送过滤结果信息，其结构如图3所示，它包括端口匹配子模块301、域值匹配子模块302、最大帧长比较子模块303、最小帧长比较子模块304、合理帧长比较子模块305和“与”子模块306；该端口匹配子模块301，比较帧信息中的输出端口号和过滤参数中的输出端口号，若两者的输出端口号相同，发送端口匹配成功信息，置OUT为高电平；否则，发送端口号匹配失败信息，置OUT为低电平；该域值匹配子模块302，比较帧信息中的Constant域值和过滤参数中的Constant域值，若两者的Constant域值相同，发送域值匹配成功信息，置CON为高电平，否则，发送域值匹配失败信息，置CON为低电平；该最大帧长比较子模块303，比较帧信息中的帧长S和过滤参数中的最大帧长S1，若Si≤S1，发送比较成功信息，置MAX为高电平，否则，发送比较失败信息，置MAX为低电平；该最小帧长比较子模块304，比较帧信息中的帧长S和过滤参数中的最小帧长S2，若S≥S2，发送比较成功信息，置MIN为高电平，否则，发送比较失败信息，置MIN为低电平；该合理帧长比较子模块305，比较帧信息中的帧长S和过滤参数中的合理帧长范围S3，若S在S3的范围内，发送帧长合理信息，置LEN为高电平，否则，发送帧长不合理信息，置LEN为低电平；该“与”子模块306，将所述端口匹配子模块301、域值匹配子模块302、最大帧长比较子模块303、最小帧长比较子模块304和合理帧长比较子模块305的比较结果信息进行“与”操作：若OUT、CON、MAX、MIN、LEN均为高电平，表示该帧过滤成功，置过滤结果信息F为1，即高电平，否则，表示该帧过滤失败，置过滤结果信息F为0，即低电平；

所述的警管模块40，接收从缓存器20发送的VL和帧信息，通过对可用字节数C和帧长S的比较运算，进行数据帧流量控制操作，并将警管结果信息发送到判决模块50，其结构如图4所示，它包括计时器401、运算比较子模块402、寄存器RAM 403和CPU接口404；该计时器401，为运算比较子模块402提供准确的数据帧到达时间，帧到达的时间间隔用字节的增加量表示；该运算比较子模块402，对帧信息中的帧长S和寄存器RAM 403中的警管参数进行运算，得出警管结果信息，并向寄存器RAM403发送更新信息；该寄存器RAM 403，用于存储256个与VL对应的警管参数，利用VL索引警管参数，发送到运算比较子模块402，并根据运算比较子模块402中的比较结果信息更新相应的警管参数；该CPU接口404，用于向寄存器RAM 403传送初始的警管参数，警管参数包括：前一帧到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2，如表2所示：

表2寄存器RAM中的警管参数表

所述判决模块50，接收过滤模块30的过滤结果信息和警管模块40的警管结果信息，并对该两个结果信息进行“与”操作：若过滤结果信息和警管结果信息均1，即高电平，则向缓存器20发送输出数据的控制信息，否则，向缓存器20发送清空数据的控制信息。

整个过滤警管系统的工作原理是：主机上电，初始的过滤参数和警管参数分别下载到查找表10和寄存器RAM403中，计时器401开始计时；当一个数据帧到达时，缓存器20接收并储存该数据帧，并提取数据帧的VL和帧信息，利用VL在查找表10中查找数据帧的过滤参数，并与帧信息分别在端口匹配子模块301、域值匹配子模块302、最大帧长比较子模块303、最小帧长比较子模块304和合理帧长比较子模块305中进行比较，其比较结果通过“与”子模块306的“与”操作，输出过滤结果信息；计时器401和寄存器RAM 403分别将数据帧的到达时间、警管参数发送到运算比较子模块402中，并与帧信息中的帧长进行比较，得到警管参数的更新值，并输出警管结果信息；判定模块50对“与”子模块306发送的过滤结果信息和运算比较子模块402发送的警管信息进行判断，控制缓存器20输出或者清除数据帧，等待下一帧到达。

参照图5，本发明基于字节的AFDX交换机的过滤警管的方法，包括如下实现步骤：

步骤1，设置过滤参数和警管参数，该过滤参数包括输出端口号、Constant域值、最大帧长S1、最小帧长S2和合理帧长范围S3；该警管参数包括前一帧的到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2，使能信号EN为低电平，当有数据帧到达时，置EN为高电平。

步骤2，对使能信号EN的电平进行检测，若使能信号EN变成高电平，表示有数据帧到达，执行步骤3，否则，继续对使能信号EN进行检测。

步骤3，记录数据帧的到达时间T2，提取数据帧的虚链路VL和帧信息，并利用虚链路VL查找过滤参数和警管参数，该帧信息包括Constant域值、帧长S和输出端口号。

步骤4，将步骤3中的帧信息和过滤参数进行比较，确定输出信号：

(4a)若帧信息中的输出端口号和过滤参数中的输出端口号相同，置输出信号OUT为1，否则，置输出信号OUT为0；

(4b)若帧信息中的Constant域值和过滤参数中的Constant域值相同，置输出信号CON为1，否则，置输出信号CON为0；

(4c)若帧长S小于等于最大帧长S1，置输出信号MAX为1，否则，置输出信号MAX为0；

(4d)若帧长S大于等于最小帧长S2，置输出信号MIN为1，否则，置输出信号MIN为0；

(4e)若帧长S在合理帧长S3的范围内，置输出信号LEN为1，否则，置输出信号LEN为0，该S3的范围是64～1518字节。

步骤5，根据比较结果的输出信号，得到数据帧的过滤结果信息：若上述输出信号OUT、CON、MAX、MIN和LEN均为1，表示数据帧过滤成功，置过滤结果信号F为1，否则，表示数据帧过滤失败，置过滤结果信号F为0。

步骤6，将警管参数中的前一帧的到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2分别与数据帧到达时间T2和帧长S进行比较：

若T2-T1+C≥C1，C1-S≥C2，执行步骤(7)，

若T2-T1+C≥C1，C1-S＜C2，执行步骤(8)，

若T2-T1+C＜C1，T2-T1+C-S≥C2，执行步骤(7)，

若T2-T1+C＜C1，T2-T1+C-S＜C2，执行步骤(8)，

步骤7，置输出的警管结果信号P为1，更新前一帧到达时间T1和可用计数值C，令T1＝T2，C＝A-S。

步骤8，置输出的警管结果信号P为0，更新前一帧到达时间T1，令T1＝T2；

步骤9，根据步骤5中的过滤结果信号F和步骤7-8中警管结果信号P，确定控制信号J，若过滤结果信号F和警管结果信号P均为1，置控制信号J为1，输出数据帧，否则，置控制信号J为0，清除数据帧，返回步骤2。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉该技术领域的技术人员在对上述功能的实现方法的更改和变化，均在本发明的精神和原则之内。

Claims (5)

1.一种基于字节的AFDX交换机的过滤警管系统，包括：

缓存器，用于存储从网络中接收到的数据帧，提取数据帧的虚链路VL和帧信息，并分别发送到查找表、过滤模块和警管模块，同时接收判决模块的控制信息，清除或输出数据帧；

查找表，用于存储与VL相对应的过滤参数，并将过滤参数发送到过滤模块，该过滤参数包括输出端口号、Constant域值、设定的最大帧长S1、设定的最小帧长S2、设定的帧长范围S3；

过滤模块，用于接收从缓存器发送的帧信息和从查找表发送的过滤参数，进行帧信息和过滤参数的比较操作，并向判决模块输出数据帧的过滤结果信息；

警管模块，用于接收从缓存器发送的VL和帧信息，通过对帧到达时可用字节数C和帧长S的比较运算，进行数据帧流量控制操作，获得数据帧的警管结果信息，并发送到判决模块；

判决模块，用于接收过滤模块和警管模块的结果信息，并对该两个结果信息进行“与”操作，若两个结果信息均为1，即高电平，则向缓存器发送输出数据的控制信息，否则，向缓存器发送清空数据的控制信息。

2.根据权利要求1所述的AFDX交换机过滤警管系统，其中，过滤模块包括：

端口匹配子模块，用于对帧信息中的输出端口号和过滤参数中的输出端口号进行比较，输出比较结果信息；

域值匹配子模块，用于对帧信息中的Constant域值和过滤参数中的Constant域值进行比较，输出比较结果信息；

最大帧长比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和过滤参数中的最大帧长S1进行比较，输出比较结果信息；

最小帧长比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和过滤参数中的最小帧长S2进行比较，输出比较结果信息；

合理帧长比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和过滤参数中的合理帧长范围S3进行比较，输出比较结果信息，S3的设定范围是64～1518字节；

“与”子模块，用于对上述五个子模块的结果信息进行“与”操作，当上述五个子模块的结果信息均为1时，即高电平，表示过滤成功，输出过滤成功信息，否则，表示过滤失败，输出过滤失败信息。

3.根据权利要求1所述的AFDX交换机过滤警管系统，其中，警管模块包括：

CPU接口，用于向寄存器RAM传送初始警管参数；

计时器，用于向运算比较子模块提供准确的数据帧到达时间，帧到达的时间间隔用字节的增加量表示；

寄存器RAM，用于存储与VL对应的警管参数，利用VL索引寄存器RAM中的警管参数，发送到运算比较子模块，并根据运算比较子模块中的比较结果信息更新寄存器RAM中的警管参数；

运算比较子模块，用于对帧信息中的帧长S和寄存器RAM中的警管参数进行运算，得出警管结果信息，并向寄存器RAM发送更新信息，该更新信息包括：前一帧到达时间T1的更新值和可用计数值C的更新值。

4.根据权利要求3所述AFDX交换机过滤警管系统，其中所述的寄存器RAM子模块中的初始警管参数由CPU接口获得，并通过运算比较子模块的比较结果信息进行更新，该警管参数包括：前一帧到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2。

5.一种基于字节的AFDX交换机的过滤警管方法，包括如下步骤：

(1)设置过滤参数和警管参数，该过滤参数包括输出端口号、Constant域值、最大帧长S1、最小帧长S2和合理帧长范围S3；该警管参数包括前一帧的到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2，使能信号EN为低电平，当有数据帧到达时，置EN为高电平；

(2)对使能信号EN进行检测，若EN为1，即高电平，执行步骤(3)，否则，继续对使能信号EN进行检测；

(3)记录数据帧的到达时间T2，提取数据帧的虚链路VL和帧信息，并利用虚链路VL获得该数据帧的过滤参数和警管参数，该帧信息包括Constant域值、帧长S和输出端口号；

(4)将步骤(3)中的帧信息和过滤参数进行比较：

若帧信息中的输出端口号和过滤参数中的输出端口号相同，置输出信号OUT为1，否则，置输出信号OUT为0；

若帧信息中的Constant域值和过滤参数中的Constant域值相同，置输出信号CON为1，否则，置输出信号CON为0；

若帧长S小于等于最大帧长S1，置输出信号MAX为1，否则，置输出信号MAX为0；

若帧长S大于等于最小帧长S2，置输出信号MIN为1，否则，置输出信号MIN为0；

若帧长S在合理帧长S3的范围内，置输出信号LEN为1，否则，置输出信号LEN为0，该S3的范围是64～1518字节；

(5)根据比较结果的输出信号，得到数据帧的过滤结果信息：若上述输出信号OUT、CON、MAX、MIN和LEN均为1，表示该帧过滤成功，置过滤结果信号F为1，否则，该帧过滤失败，置过滤结果信号F为0；

(6)将警管参数中的前一帧的到达时间T1、可用计数值C、最大计数值C1和最小计数值C2分别与数据帧到达时间T2和帧长S进行比较：

若T2-T1+C≥C1，C1-S≥C2，执行步骤(7)，

若T2-T1+C≥C1，C1-S＜C2，执行步骤(8)，

若T2-T1+C＜C1，T2-T1+C-S≥C2，执行步骤(7)，

若T2-T1+C＜C1，T2-T1+C-S＜C2，执行步骤(8)，

(7)置输出的警管结果信号P为1，更新前一帧到达时间T1和可用计数值C，令T1＝T2，C＝A-S；

(8)置输出的警管结果信号P为0，更新前一帧到达时间T1，令T1＝T2；

(9)根据步骤(5)中的过滤结果信号F和步骤(7)-(8)中警管结果信号P，确定控制信号J，若过滤结果信号F和警管结果信号P均为1，置控制信号J为1，输出数据帧，否则，置控制信号J为0，清除数据帧，返回步骤(2)。

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