CN104065707B - 基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统 - Google Patents

基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其包括多个端系统、多个中间节点路由器、计算节点，多个端系统、多个中间路由器节点和计算节点三者之间都通过时间触发的以太网连接。本发明能够得到的效果为较高效率的得到调度任务端到端延时的最小值，另外不会产生网络延时。

Description

基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统
技术领域
本发明涉及一种调度系统，特别是涉及一种基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统。
背景技术
当前计算机的应用越来越广泛，计算量和存储量也日益增加。由于计算机用户的基数较大，分部范围较广，单台计算机在相应时间和计算时间方面已远远不能满足当前的需要。为了解决这种情况，分布式系统应运而生。不同的服务器主机作为一个统一的整体展现给用户，服务器共享存储和计算资源，分散的物理和逻辑资源通过计算机网络实现信息交换，并动态调度任务，实现资源的一致性。
保证资源的一致性，不光要考虑到逻辑的正确性，也要考虑到任务的时间性，即保证任务在规定的时间内完成。当前分布式系统中，时间触发的调度方式能够保证较低的任务延时，有效抑制系统中的网络抖动。时间触发是指在系统中的任务在特定的时间内被激活并执行相应的动作，由系统全局同步的时间所决定。由于采用全局同步时间，每个任务的执行动作是明确的，故其延时特性是可以预测的。
时间触发的以太网TTEthernet(Time Triggered Ethernet，TTE)就是这样一种能够支持时间触发的网络。在TTEthernet的网络架构中，主要由节点(node)和链路(link)组成。每个节点由一台主机和负责任务接受发送的控制器组成，网络任务在节点与节点之间，通过链路进行传输。在TTEthernet中，主要有两种任务，时间触发任务(Time TriggeredMessages)和事件触发任务(Event Triggered Messages)。时间触发任务是指根据任务的初始状态，系统模型，输入变量和任务约束进行预测，在特定的时间点促使任务执行。除了时间触发任务外，事件触发任务是指当网络中存在复杂的不确定性因素(如离散动态事件控制，AFDX通信协议等)，无法事先预测任务的执行时间，以致任务执行时间呈现事件触发的特性。
目前，TTEthernet已被应用到工业领域，作为下一代航空网络通信协议为飞机提供可靠、灵活的数据传输机制。在任务传输过程中，由于任务较多且必须在一定的时间内完成，必须有一定的调度策略，确保任务能够按时完成。
在混合通信中，全局同步机制用来支撑时间触发数据传输。高可靠性、高安全性功能模块往往采用时间触发方式来保证良好的数据传输性能。对于整个系统而言，由于计算系统和通信系统没有进行同步，计算任务的调度在各种不确定性因素下往往使得计算呈现事件触发特性。当混合通信协议以时间触发方式传输事件触发产生的数据时，造成主要问题是可能造成较大的网络延时。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其能够得到的效果为较高效率的得到调度任务端到端延时的最小值，另外不会产生网络延时。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其特征在于，其包括多个端系统、多个中间节点路由器、计算节点，多个端系统、多个中间路由器节点和计算节点三者之间都通过时间触发的以太网连接。
优选地，所述端系统有自己的控制器、处理器和输入输出端口。
优选地，所述基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统用于调整任务，任务是指由一个端系统通过中间节点路由器、计算节点将消息传递到另一个端系统的过程。
优选地，所述任务有到达节点时间、开始执行时间和执行结束时间这三个基本属性。
优选地，所述消息的路由线路是已知的。
优选地，所述消息从一个端系统到达另一个端系统之间的时间为端到端延时。
本发明的积极进步效果在于：根据TTEthernet中任务的属性特点和TTEthernet网络特性，抽象得到的约束条件是本发明方法的精髓。这种通过抽象属性而得到的约束，对大部分的TTEthernet任务调度有较好的通用性与扩展性。只需要修改输入参数的值，就能适用各种网络调度。本发明不同于目前工业界惯常采用的遗传算法，可能会得到局部最优解的风险，在第二节中描述的TTEthernet的约束符合整数线性规划(Integer LinearProgramming，ILP)的求解方式，整数线性规划相比于遗传算法来说，具有更高效，更准确的优点。在线性规划算法中，依赖matlab工具箱中的YALMIP工具包的辅助，在较高效率下即可得到全局最优解。通过本发明方法，能够得到的效果为较高效率的得到调度任务端到端延时的最小值，并且可以保证是全局最优解。
附图说明
图1为本发明基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统包括多个端系统(比如端系统1至端系统N)、多个中间节点路由器(比如中间节点路由器1至中间节点路由器W)、计算节点，多个端系统、多个中间路由器节点和计算节点三者之间都通过时间触发的以太网连接。端系统都有自己的控制器、处理器和输入输出端口。基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统用于调整任务，任务是指由一个端系统通过中间节点路由器、计算节点将消息(message)传递到另一个端系统的过程。在这个过程中，消息的路由线路是已知的，即事先已经知道消息会依次经过哪些节点，且每个消息的传输时间(c)和计算时间(e)都是已知的。在这里，假设消息在每一个物理链路中的传输时间相同。将一个消息从一个端系统到达另一个端系统之间的时间叫做端到端延时。调度优化的目标即当系统中存在多个消息需要传递、计算时，在任务是时间触发的情况下，如何能够使得所有任务的端到端时延最短。所以求解目标为式(1)：
……………………………………………………式(1)
即对于所有的任务t∈T，要计算出任务在最后一个节点的结束时间f(t,l)与在第一个节点的到达时间a(t,0)之差的总和，为整个系统的目标函数。
从任务本身的属性来看，每个任务有三个基本属性，到达节点时间a，开始执行时间s和执行结束时间f。我们定义三个数组a,s和f分别对应着任务的到达时间，开始时间和结束时间。例如a(t,k)表示任务t在第k个节点(有可能是端系统，也有可能是路由器或计算节点)处的到达时间，即任务t在时间a(t,k)时刻到达第k个节点。所说的第k个节点指的是针对任务t的传输路径上的第k个节点，而非针对全局来说的。所以，同一个节点针对不同的任务来说，其序号不一定相同。相应的，s(t,k)表示的是任务t在第k个节点开始传输，到达第k+1个节点的时间；f(t,k)指任务t在第k个节点任务处任务结束的时间，相当于任务t到达第k+1个节点处的时间a(t,k+1)＝f(t,k)。
另外，任务还必须满足如下六个约束：
(1)f(t,l)≤d(t)，用d(t)表示任务t的截止时间，任务t在最后一个节点处的结束时间f(t,l)必须要比截止时间d(t)要早。
(2)f(t,k)＝s(t,k)+c(t)，c(t)表示的就是任务t在每一条物理链路上的传输时间。结束时间等于开始执行的时间加上传输时间。传输时间c(t)是与任务本身负载的消息的帧长fl(t)成正比的：c(t)＝M*fl(t)。
(3)a(t,k)+N＝＝s(t,k)，当任务达到中间节点时，必须马上传输或计算，不能等待其他冲突的任务执行完成后再执行，。其中N表示任务从到达节点到开始执行之间的一段时间，用来保证分布式系统中时间同步性。采用这种调度策略，可能会造成端到端延时的时间增大，且可调度性较小。但能够保证的是网络振荡是最小的，保证了网络状态的稳定。
(4)任务在TTEthernet网络中除了经过传输节点外，还有可能会经过计算节点。任务在计算节点会有一个计算执行时间e这个执行时间e必须大于任务的最大执行时间Max(t)≤e(t)，因为系统中存在系统任务或中断任务，实际的执行时间一定要预留到比最大执行时间大。
(5)如果系统中的两个任务t1和t2，它们都需要经过节点N。那么为了保证任务在节点处能够不发生冲突，必须要限制在同一个节点的不同任务的开始时间是不能相同的：s(t1,k1)≠s(t2,k2)。
(6)TTEthernet网络要求在每一条物理路径上，在一个时间点上只能传输一个任务。这就不光要求任务在同一个节点处的开始时间不同，也要求在同一段物理链路上，一个时间点上只能传输一个任务：
其中，p∈P表示系统中的一条物理链路，在任意时刻time时，如果任务t处于链路p上，则记et(time,p,t)＝1。
(7)表示在任意链路p，对所有任务t来说，其te的总和不能超过1，即在任何时刻一条链路上只能有一个任务进行传输或计算。
(8)et(time,p,t)＝1保证任务传输的连续性。
综上所述，能够得到的效果为较高效率的得到调度任务端到端延时的最小值，另外不会产生网络延时。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (5)

1.一种基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其特征在于，其包括多个端系统、多个中间节点路由器、计算节点，多个端系统、多个中间路由器节点和计算节点三者之间都通过时间触发的以太网连接；
所述基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统用于调整任务，任务是指由一个端系统通过中间节点路由器、计算节点将消息传递到另一个端系统的过程；
任务必须满足如下约束：
(1)f(t,l)≤d(t)，用d(t)表示任务t的截止时间，任务t在最后一个节点处的结束时间f(t,l)必须要比截止时间d(t)要早；
(2)f(t,k)＝s(t,k)+c(t)，c(t)表示的就是任务t在每一条物理链路上的传输时间；结束时间等于开始执行的时间加上传输时间；传输时间c(t)是与任务本身负载的消息的帧长fl(t)成正比的：
c(t)＝M*fl(t)；
(3)a(t,k)+N＝＝s(t,k)，当任务达到中间节点时，必须马上传输或计算，不能等待其他冲突的任务执行完成后再执行，其中N表示任务从到达节点到开始执行之间的一段时间，用来保证分布式系统中时间同步性；采用这种调度策略，会造成端到端延时的时间增大，且可调度性小；但能够保证的是网络振荡是最小的，保证了网络状态的稳定；
(4)任务在TTEthernet网络中除了经过传输节点外，还有会经过计算节点；任务在计算节点会有一个计算执行时间e，这个执行时间e必须大于任务的最大执行时间Max(t)≤e(t)，因为系统中存在系统任务或中断任务，实际的执行时间一定要预留到比最大执行时间大；
(5)如果系统中的两个任务t1和t2，它们都需要经过节点N；那么为了保证任务在节点处能够不发生冲突，必须要限制在同一个节点的不同任务的开始时间是不能相同的：s(t1,k1)≠s(t2,k2)；
(6)TTEthernet网络要求在每一条物理路径上，在一个时间点上只能传输一个任务；这就不光要求任务在同一个节点处的开始时间不同，也要求在同一段物理链路上，一个时间点上只能传输一个任务：
其中，p∈P表示系统中的一条物理链路，在任意时刻time时，如果任务t处于链路p上，则记et(time,p,t)＝1；
表示在任意链路p，对所有任务t来说，其et(的总和不能超过1，即在任何时刻一条链路上只能有一个任务进行传输或计算；
(8)et(time,p,t)＝1保证任务传输的连续性。
2.如权利要求1所述的基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其特征在于，所述端系统有自己的控制器、处理器和输入输出端口。
3.如权利要求1所述的基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其特征在于，所述任务有到达节点时间、开始执行时间和执行结束时间这三个基本属性。
4.如权利要求1所述的基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其特征在于，所述消息的路由线路是已知的。
5.如权利要求1所述的基于计算与通信协同设计的时间触发调度系统，其特征在于，所述消息从一个端系统到达另一个端系统之间的时间为端到端延时。
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