CN103067309B - 具有时空分离特性的afdx网络交换机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有时空分离特性的AFDX网络交换机，包括N个输入端口、N个输出端口、2N个DMA、交换机控制器和N块内存，其中每个输入端口经一个DMA与一块内存相连，所述内存再经一个DMA与一个输出端口相连；所述2N个DMA均与所述交换机控制器相连。本发明提供的AFDX系统中具有时空分离特性的交换机易于软硬件实现，在保持吞吐量100%的情况下，数据包经过交换机的时延、在交换机缓冲区中的排队时延以及缓冲区的队列大小都大大降低。

Description

具有时空分离特性的AFDX网络交换机

技术领域

本发明涉及一种交换机，尤其涉及一种具有时空分离特性的航空全双工交换式以太网（AvionicsFullDupleXethernet，AFDX）网络交换机。

背景技术

AFDX作为新型的航空数据总线，其目的是为高性能航空电子系统提供安全可靠的传输方案，满足复杂、恶劣条件下的飞行控制要求。早在上世纪末，世界航空业界的巨头波音和空客公司就将科研重点转向了使用商用的以太网技术对下一代的飞行控制总线进行改造。研究结果导致了AFDX的诞生。空客公司已经成功地将其应用于A380项目上，并且波音公司已经制定明确计划将在Boeing787上使用该技术。AFDX网络解决方案以IEEE802.3为基础，针对航空电子子系统的特殊需求进行适应性的修改，使其成为了具有商业以太网特性的航空网络。

作为航空以太网数据标准ARINC664的第七部分，AFDX协议为航空电子子系统定义了电子电气相关的规定和数据交换的协议。AFDX协议在整个设计和研发过程中使用了很多具有创新性的技术，比如对带宽控制采用了多带宽的应用策略，以及将ATM协议复杂性、健壮性和以太网简单链路进行高效的组合等。所以相比于早先提出的ARINC429和MIL-STD-1553总线技术，AFDX网络在灵活性、扩展性、模块性、传输速率和效率上都有了很大的提高。

传统的航空通信协议中，ARINC429和MIL-STD-1553是研究和应用最为广泛的。ARINC429协议采用的是总线节点拓扑，设备与设备之间必须通过双绞线连接才能收发数据，各个航空子系统之间数据通信速率仅为100kpbs，只为AFDX网络的千分之一，同时航空电子系统必须要给每个子系统的各个通信信道分配一条具有多个端点的ARINC429总线。这样的网络设计，使得整个ARINC429总线系统结构的质量和成本都非常大。相比而言，AFDX采用的是交换式以太网架构，各个子系统直接与交换机相连接，新增加的设备只需要将其与交换机端口相连接即可。同时，在ARINC429的总线架构中，一个发送端最多可以发送至20个接收端，而在AFDX网络中，由于交换机的级数和数量可以按需增加，所以可用的接收端数量只取决于总的交换机端口数目。所以，不管从扩展性还是从灵活性上考虑，AFDX网络比ARINC429的总线架构都具有更明显的优势。与ARINC429类似，MIL-STD-1533协议也是采用总线架构，但是其传输速率过低，仅为12.5kbps。缺陷更明显的是，MIL-STD-1533协议采用半双工和异步传输模式，需要增加一个总线控制器对总线上挂载的所有设备之间的通信进行控制。这种设计在扩展性、灵活性以及传输速率上与AFDX都有不小的差距。

在AFDX网络中，最重要的组成部分是由AFDX交换机互连组成的AFDX互连系统（AFDXInterconnect），所有设备之间的数据通信都经由AFDX互连系统的路由转发，最后到达目的设备。对于航空网络这样一个对任务和数据处理具有强实时性性能要求的系统中，在特定资源的条件下，数据包能否在给定时延上限内到达目的设备，是至关重要的。而AFDX互连系统主要由AFDX交换机组成，所以AFDX交换机的性能对于整个AFDX网络的性能起着举足轻重的作用。

在传统的计算机网络例如ATM网络和以太网中，交换机技术已经非常成熟，有非常多的交换机架构模式，其中共享内存架构相比其它的架构，有硬件成本低、利用率高、吞吐量大等优点。然而，共享内存架构也有明显的缺点，就是其容量和带宽不易扩展，数据包经过交换机的时延与抖动非常大。现有技术中共享内存交换机的架构如图1所示，其中共享内存架构存在两个瓶颈，第一个是共享内存，共享内存的容量和带宽就是整个交换机的容量和带宽的上限，而以目前的内存技术，共享内存的容量和带宽是远远达不到AFDX网络的需求的；第二个是交换机控制器，由于只存在一个交换机控制器，所以交换机控制器的负担非常重，每一个时隙交换机都必须轮循所有输入端口和输出端口，这势必造成数据包进入交换机和离开交换机的时间都是不确定的，亦即时延和抖动非常大。这与航空数据网络实时性与确定性的要求相背离。由此可见，需要对共享内存架构进行改进以适应AFDX网络的需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有时空分离特性的AFDX网络交换机，在时间分离性方面，该架构很好地继承了共享内存架构的优点，硬件利用率高、硬件成本低以及吞吐量大；在空间分离性方面，该架构充分利用AFDX网络的静态特性，极大程度上地消除了共享内存架构内存空间竞争与冲突的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有时空分离特性的AFDX网络交换机，包括N个输入端口、N个输出端口、2N个DMA、交换机控制器和N块内存，其中每个输入端口经一个DMA与一块内存相连，所述内存再经一个DMA与一个输出端口相连；所述2N个DMA均与所述交换机控制器相连。

如上述的具有时空分离特性的AFDX网络交换机，其中，每个DMA通过一个8位的数据总线与相应的内存相连接。

进一步地，如上述的具有时空分离特性的AFDX网络交换机，其中，存储器的访问周期为

$T=\frac{8*C}{2*R*N}=\frac{4C}{\mathrm{RN}}$

其中，N表示交换机的输入端口和输出端口数，R表示端口速率，C表示以字节为单位的包长度。

进一步地，如上述的具有时空分离特性的AFDX网络交换机，其中，当所述内存均不会出现包溢出的情况时，数据的平均队列长度L′和平均排队时延W′分别为：

$L^{\′}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\μ}}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{N\μ}-\mathrm{\λ}}{P}_B$

$W^{\′}=\frac{L^{\′}}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\mathrm{\μ}}+\frac{1}{\mathrm{N\μ}-\mathrm{\λ}}{P}_B$

其中P_B为所有服务器亦即内存都处于忙的概率，λ和μ分别为数据到达速率和服务速率的均值。

进一步地，如上述的具有时空分离特性的AFDX网络交换机，其中，

$P_B=\frac{1}{1+N!(1-\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{N\μ}})\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{N-n}}{n!}}.$

因此，本发明提供的AFDX系统中具有时空分离特性的交换机易于软硬件实现，在保持吞吐量100%的情况下，数据包经过交换机的时延、在交换机缓冲区中的排队时延以及缓冲区的队列大小都大大降低。

附图说明

图1是现有技术中共享内存交换机的架构图；

图2本发明的具有时空分离特性的AFDX网络交换机的架构图；

图3是本发明中OPNETModeler仿真的空间分离共享内存交换机的架构图；

图4是本发明中数据发送结点的进程模型的有限状态机图；

图5是本发明中数据接收结点的进程模型的有限状态机图；

图6是本发明中空间分离共享内存交换机结点的进程模型的有限状态机图；

图7是本发明中子进程模型的有限状态机图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

图2是本发明的具有时空分离特性的AFDX网络交换机（SpacePartitionedSharedMemorySwitch，SPSMS）的整体架构图，其主要描述交换机组成模块之间的联系，并未涉及到底层的电路与电气连接与特性。该交换机有N个输入端口、N个输出端口和N块内存，每个输入端口与输出端口均与一个直接存储器访问（DirectMemoryAccess，DMA）相连，每一个DMA与对应的内存相连。这些部件均由交换机控制器(SwitchController)来统一控制以相互协作完成数据交换任务。图中每一个DMA通过一个8位的数据总线与相应的内存相连接，此处DMA将集成DMA控制器（DirectMemoryAccessController，简称DMAC）的功能。下面分别阐述SPSMS有别于其它架构的两个技术，空间分离与异步调度。

（1）空间分离

传统的共享内存交换机是让所有的输出端口共享一块内存，但是SPSMS交换机针对每一个输出端口分配一块合适大小的内存，既保证内存资源不会出现严重浪费，又降低内存资源的共享和竞争。我们称之为空间分离（Spacepartition，SP）。空间分离并不是均匀地分割整块共享内存，甚至不是分割，而是根据输出端口的带宽为每个输出端口配备一块相应大小的各自独立的内存。

AFDX网络最显著的一个特点是静态性，一个AFDX网络一旦部署后，总的终端数、交换机数、虚拟链路数等都是固定的，每一条虚拟链路的带宽上限是确定的，总的带宽上限也是确定的。假设一个AFDX网络中总的虚拟链路数为N_VL，虚拟链路i(1~N_VL)的带宽为s_i，带宽上限为S_i，则存在以下不等式：

$\underset{N_{\mathrm{VL}}}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\≤\underset{N_{\mathrm{VL}}}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i\≤M$

上式中的M值为AFDX网络总的带宽，与S_i一样均为定值。记虚拟链路i路由路径上的某个交换机为W，输入端口数和输出端口数均为N，任意选取一个输出端口x(1~N)，由于AFDX网络是静态的，通过查询路由表可以得知流经x的虚拟链路集合是固定的，设为V_x，则x的带宽满足如下不等式：

$\underset{i\∈V_x}{\mathrm{\Σ}}{S}_i\≤\underset{i\∈V_x}{\mathrm{\Σ}}{S}_i$

上式右边是一个定值，因此只要分配与相对应大小的内存，就能满足输出端口x带宽需求。

空间分离比一般的并行交换机更优异之处表现为，并行交换机一般是所有输出端口共享很多并行的内存，对于输出端口和输入端口来说，它们看到的是一块虚拟出来的大内存，需要比传统共享内存交换机更加复杂的存储管理算法来完成数据帧的存储和空闲空间的维护和更新。然而，空间分离将所有输出端口需要的存储空间组成的集合划分成互不相交的子集，亦即每一个输出端口拥有只属于自己的内存，这一方面简化了内存管理，包括可用空间的维护和更新，另外一方面也便于快速地读写数据帧。

（2）异步调度

传统共享内存交换机只有一个控制器，所有内存访问操作都由控制器控制完成，当调度一个包存储进内存时，控制器必须等待访存操作结束，同时根据返回值判断是否存储成功，进而更新用于存储可用的存储空间地址的数据结构，通常来讲为一个列表，当这些一系列连续的操作结束之后，控制器才前进到下一个端口。当从内存中读取一个包时亦是如此。由于内存访问的时间具有很大的随机性，同时一个端口的数据包必须等待其它端口的数据包处理完后才能得到下一次处理的机会，这造成一个包从进入交换机到离开交换机的时延和抖动均相当大。

SPSMS交换机采用空间分离将共享内存变换为N个相互独立的内存，每块内存只需要维护它自己的可用存储空间，并且有专属于它自己的DMA，由DMA来完成具体的包存取操作，然后异步地将操作结果值返回给交换机控制器，并更新自己的可用存储空间。下面分别阐述输入和输出的情况。

当一数据帧到达输入端口i(1~N)时，由控制器给i号DMA一个控制信号以及该数据帧的目的输出端口例如k(1~N)，然后控制器立刻返回，并继续遍历下一个输入端口。i号DMA负责将数据帧存储进k号内存中。如果该帧是一个多播或者广播的帧，则控制器给该帧的每一个目的DMA都发送一个控制信号，并经由复制模块进行复制，最后由相应DMA存储进相应内存中，并将相应结果返回给控制器。

当开始遍历输出端口时，如果j(1~N)号输出端口有数据帧需要出去，则发送信号给j号DMA，然后返回，继续访问下一个非空闲的输出端口。j号DMA负责从j号内存读取数据帧，发往输出端口j，并将相应结果返回给控制器。

在以上的调度策略中，由于每一次内存存储操作都由DMA来控制完成，控制器不必等到每一次内存访问操作结束才返回，这大大降低了调度引起的时延和抖动，同时控制器异步地处理DMA的返回结果，并根据处理结果执行相应的操作，这也是取名为异步调度技术的原因。总而言之，不同的输出端口拥有不同的内存以存储去往该输出端口的数据帧，并且由不同的DMA控制，消除了传统共享内存交换机中对于内存资源的竞争，也解耦了输出端口之间的依赖，保留了吞吐量100%的优点。

下面利用排队理论的知识来对SPSMS交换机性能的改进做分析。

（1）存储访问周期

SPSMS交换机是用空间来换取时间，并列放置多个内存以平摊高速的存储带宽。设N表示交换机的输入端口和输出端口数，R表示端口速率，C表示以字节为单位的包长度，则存储器访问周期为

$T=\frac{8*C}{2*R*N}=\frac{4C}{\mathrm{RN}}$

分母乘以2是因为在一个时隙里面，交换机必须同时完成一个读操作和写操作。

在本发明提出的SPSMS交换机中，每一个输出端口均有自己相对应的一块内存，并且相互之间不存在竞争和冲突，所有的内存能并行存取数据包。事实上每一块内存的存储访问速度是不改变的，但是将并行的内存作为一个整体并且忽略控制器发送信号给DMA的时间，那么在一个存储器访问周期里面，每一块内存都可以完成长度为C的数据包存储或者读取，此时存储器总体的带宽为N*C，相比传统共享内存交换机来说提高了N倍。存储和转发同样多的数据，SPSMS只需要原来访问时间的1/N。

（2）平均排队时延和平均队列大小

由于每一个输出端口对应的内存都配备有DMA，交换机控制器只需要给有包出去的输出端口的DMA发送一个信号即可，然后由DMA来控制包的实际传送，这大大降低了交换机控制器的时延和抖动。除了调度时延之外，数据包流经交换机的时延的另外一个主要组成部分为排队时延。排队时延和队列长度均与交换机输入端口数据包到达的分布有关系，一般通过将交换机等价地映射为已有的队列模型，然后利用成熟的排队理论知识计算排队时延和队列长度。

将传统共享内存交换机映射成一个M/M/1模型，即数据包到达速率和服务速率均符合指数分布，同时假设只有一块内存并假设该内存足够大，不会出现包溢出的情况，所以映射成一个服务能力无限的服务器。设M/M/1模型中数据到达速率和服务速率的均值分别λ和μ，平均队列长度和平均排队时延分别为L和W，则有：

$L=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}}$

$W=\frac{1}{\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}}$

SPSMS交换机有N个并行的内存，假设每个内存均不会出现包溢出的情况，即相当于有N个容量无限的服务器，所以映射成一个M/M/N模型，此时的平均队列长度L'和平均排队时延W′分别为：

$L^{\′}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\μ}}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{N\μ}-\mathrm{\λ}}{P}_B$

$W^{\′}=\frac{L^{\′}}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\mathrm{\μ}}+\frac{1}{\mathrm{N\μ}-\mathrm{\λ}}{P}_B$

其中P_B为所有服务器亦即内存都处于忙的概率，

$P_B=\frac{1}{1+N!(1-\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{N\μ}})\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{N-n}}{n!}}$

可以明显看出P_B是关于N的递减函数，且N是大于1的正整数，当N＝2时， $P_B=\frac{1}{1+2(1-\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\μ}})\underset{n=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^{2-n}}{n!}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{2\mathrm{\μ}}^2+\mathrm{\λ\μ}}$

此时平均排队时延差为

$W-W^{\′}=\frac{1}{\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}}-\frac{1}{\mathrm{\μ}}-\frac{1}{2\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ}}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2{\mathrm{\μ}}^2+\mathrm{\λ\μ}}=\frac{\mathrm{\λ}(4\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ})}{(\mathrm{\μ}-\mathrm{\λ})({\left(2\mathrm{\μ}\right)}^2-{\mathrm{\λ}}^2)}$

由于μ>λ>0，所以上述差值大于0，从而W>W′，L>L′。可见SPSMS交换机在平均排队时延和平均队列长度上均比传统共享内存交换机要小。

依据SPSMS交换机架构，通过OPNETModeler仿真来验证SPSMS交换机的性能。图3是OPNETModeler仿真的SPSMS交换机架构图。图3中，结点node0～31是数据发送结点，node32是交换机结点，node33~64是数据接收结点。数据发送结点以平均数据到达间隔为4ms和平均数据包长为1000字节的指数分布产生数据包，数据包经由交换机结点的路由转发，最后到达数据接收结点。所有的结点的进程模型均以有限状态机来描述。

图4是数据发送结点的进程模型的有限状态机图。进程首先进入init状态，初始化虚拟链路ID的数学分布，并创建相关统计量，然后进入idle状态，每当一个数据包到达时，触发一个SRC_ARRIVAL事件，并执行xmt响应函数。在xmt函数里面，进程为每个数据包设置虚拟链路ID号，然后发送出去。

图5是数据接收结点的进程模型的有限状态机图。与数据发送结点的进程模型的有限状态机图一样，进程首先进入init状态，在init状态中完成初始化工作后，进入idle状态，每当一个数据包到达时，触发一个RECEIVE_ARRIVAL事件，并执行record_statistics函数，完成各种统计量的计算与收集。

图6是SPSMS交换机结点的进程模型的有限状态机图。进程在init状态完成初始化工作，构建32个子进程，分别负责32个输出端口的转发工作，然后进入dispatcher状态，每当一个包到达时，触发一个ARRIVAL事件，进程转移到arrival状态，在arrival状态里，进程根据包的输出端口号挑选子进程，由子进程完成存储转发任务。

图7是子进程模型的有限状态机图。子进程经过init状态之中的初始化后进入空闲状态，如果在init状态结束时刚好有帧到达，或者在空闲状态阻塞时有帧到达，那么就进入arrival状态，执行arrival状态的入口执行代码。执行完后，如果此时子进程不处于服务状态并且成功地将数据包压入子队列，就进入svc_start状态开始服务子队列中的下一个包，不管什么情况进程最后都重新回到空闲状态。当一个帧服务结束时，子进程进入svc_compl状态，将刚服务完的数据包从子队列中删除，并检查子队列，如果非空，则弹出下一个数据帧并开始服务，否则回到空闲状态。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种具有时空分离特性的AFDX网络交换机，其特征在于，包括N个输入端口、N个输出端口、2N个DMA、交换机控制器和N块内存，其中每个输入端口经一个DMA与一块内存相连，所述内存再经一个DMA与一个输出端口相连；所述2N个DMA均与所述交换机控制器相连；

每个DMA通过一个8位的数据总线与相应的内存相连接；

存储器的访问周期为

其中，N表示交换机的输入端口和输出端口数，R表示端口速率，C表示以字节为单位的包长度；

当所述内存均不会出现包溢出的情况时，数据的平均队列长度L'和平均排队时延W'分别为：

其中P_B为所有服务器亦即内存都处于忙的概率，λ和μ分别为数据到达速率和服务速率的均值；

所述输入端口的进程有限状态机为：进程首先进入init状态，初始化虚拟链路ID的数学分布，并创建相关统计量，然后进入idle状态，每当一个数据包到达时，触发一个SRC_ARRIVAL事件，并执行xmt响应函数；在xmt函数里面，进程为每个数据包设置虚拟链路ID号，然后发送出去；

所述输出端口的进程有限状态机为：进程首先进入init状态，在init状态中完成初始化工作后，进入idle状态，每当一个数据包到达时，触发一个RECEIVE_ARRIVAL事件，并执行record_statistics函数，完成统计量的计算与收集；

所述交换机控制器的进程有限状态机为：进程在init状态完成初始化工作，构建32个子进程，分别负责32个输出端口的转发工作，然后进入dispatcher状态，每当一个包到达时，触发一个ARRIVAL事件，进程转移到arrival状态，在arrival状态里，进程根据包的输出端口号挑选子进程，由子进程完成存储转发任务；

所述子进程的有限状态机为：子进程经过init状态之中的初始化后进入空闲状态，如果在init状态结束时刚好有帧到达，或者在空闲状态阻塞时有帧到达，那么就进入arrival状态，执行arrival状态的入口执行代码；执行完后，如果此时子进程不处于服务状态并且成功地将数据包压入子队列，就进入svc_start状态开始服务子队列中的下一个包；当一个帧服务结束时，子进程进入svc_compl状态，将刚服务完的数据包从子队列中删除，并检查子队列，如果非空，则弹出下一个数据帧并开始服务，否则回到空闲状态。