CN104486250A - 一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法，属于机载网络通信技术领域，在本发明中，越接近Deadline的数据帧其调度优先级越高，同时，交换机各个端口间采用公平轮询的方式实现，保证不同链路的公平服务，保证了网络交换延时的确定性。本发明解决了安全关键业务要求强实时调度服务、端到端延时具有上界的问题。最大限度保证了机载网络的延时确定性要求，可提前将无法满足时延要求的数据帧丢弃，保证了数据帧的时间完整性。

Description

一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法

技术领域

本发明用于机载网络通信技术领域，涉及网络交换中面向Deadline的调度方法。

背景技术

网络化是机载系统发展的必然趋势，除航电任务系统外，机电和飞控等涉及飞行安全的关键控制系统也逐渐采用网络化结构。多个机载系统通过计算机网络实现信息共享、资源共享和功能综合，实现了机载系统的综合化和网络化。机载网络成为机载系统的关键部件，机载网络的失效将直接导致飞行安全隐患。

除传统的传输数据正确性外，机载网络还必须保证传输时间的正确性。特别是兼容了飞控、机电和航电网络的混合安全关键系统，如果不能保证网络控制信息传输的时间确定性，将有可能导致影响飞行安全的重大事故。

目前机载交换网络都采用高低几个优先级的静态调度策略，不能满足机载网络多任务对时间的不同要求，尤其在任务量突发的情况下，无法保证机载任务的时间确定性。

发明内容

为满足安全关键业务的时间正确性要求，本发明提出一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法，越接近Deadline的数据帧其调度优先级越高，保证了网络交换延时的确定性。同时在业务要求的延时界限内，最大限度的增加了数据帧的可调度性，保证了服务质量。

本发明的技术解决方案如下：

一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特殊之处在于：

包括调度系统，调度系统包括源端、交换机和接收端，源端通过交换机和接收端相连，源端存在不同类型的数据帧，接收端延时不大于Dr；接收端延时指接收端开始接收某个数据帧至完成接收该数据帧的持续时间；所述调度方法包括以下步骤：

1】设定数据帧的Deadline，

2】由源端向交换机发送数据帧，并记录每个数据帧的起始发送时间T1；

3】交换机接收到数据帧，并记录交换机接收到的每个数据帧的时间T2；

D1＝T2-T1，D2＝L/V，D＝Deadline-D1-D2-Dr；

D1同一个为数据帧由源端发送到交换机的实际用时，

L为交换机到接收端的传输距离，

V为调度系统所属网络的传输速率，

D2同一个为数据帧由交换机发送到接收端的传输用时，

D同一个为数据帧由交换机进行调度的剩余时间；

4】若交换机接收到了n个数据帧，将由交换机调度到同一个发送端口的数据帧进行排序，根据每个数据帧D的大小，按照由小到大的顺序，将每个数据帧依次通过交换机发送至接收端；

数据帧在开始发送过程中的等待时间为D3，T＝D-D3；

T指：数据帧排序后，由交换机进行调度的剩余时间；

若T为0时，则丢弃该数据帧。

上述步骤4】中，

在交换机向接收端发送数据帧的过程中，若交换机向接收端发送了m个数据帧，同时，交换机还接收到了y个数据帧；

若所述n个数据帧还在交换机剩余s个数据帧，根据这s个数据帧的T和y个数据帧的D，由小到大进行排序，并按照由小到大的顺序，将每个数据帧依次通过交换机发送至接收端。

上述步骤2】中记录每个数据帧的起始发送时间T1的方法是：在每个数据帧中增加时间戳字段。

上述步骤3】中记录交换机接收到的每个数据帧的时间T2的方法是：在交换机中记录每个数据帧到达时间。

Dr≤150μs。

上述源端、交换机和接收端的时间同步，即调度系统全网的时间同步。

上述步骤1】中设定数据帧的Deadline的方法是：在生成配置时为不同类型的数据帧设置Deadline，并将配置加载到交换机，供交换机接收到数据帧时获取相应的Deadline。

本发明具有以下技术效果：

数据帧在交换机端口内面向Deadline的调度机制，最大限度保证了机载网络源端到接收端的延时要求。同时，交换机各个端口间采用公平轮询的方式实现，保证不同链路的公平服务。

附图说明

图1是AFDX网络源端到接收端的延时分析图；

图2是引入Deadline的网络延时参数；

图3是面向Deadline的调度示意图；

图4是交换机接收到新的数据帧后，对图3中的数据帧重新排序后的调度示意图。

具体实施方式

安全关键通信系统对时间确定性具有非常严格的要求，即源端到接收端的消息传输时间必须有上界，从而确保安全关键应用所发出的请求、命令能够在规定的时间内得到应答、响应。因此，机载网络必须保证数据消息在规定的时间内被目的端所接收。

本发明提供了一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法，如图1，包括调度系统，调度系统包括源端、交换机和接收端，源端通过交换机和接收端相连，源端存在不同类型的数据帧，接收端延时不大于为Dr，不同的调度系统，Dr可以不同，在本发明中可以设定Dr≤150μs；接收端延时指接收端开始接收某个数据帧至完成接收该数据帧的持续时间；所述调度方法包括以下步骤：

1】设定数据帧的Deadline，

设定数据帧的Deadline的方法可以是：在生成配置时为不同类型的数据帧设置Deadline，并将配置加载到交换机，供交换机接收到数据帧时获取相应的Deadline；；

2】由源端向交换机发送数据帧，并记录每个数据帧的起始发送时间T1；

3】交换机接收到数据帧，并记录交换机接收到的每个数据帧的时间T2；

D1＝T2-T1，D2＝L/V，D＝Deadline-D1-D2-Dr；

D1同一个为数据帧由源端发送到交换机的实际用时，

L为交换机到接收端的传输距离，

V为调度系统所属网络的传输速率，

D2同一个为数据帧由交换机发送到接收端的传输用时，

D同一个为数据帧可由交换机进行调度的剩余时间；

4】如图3，若交换机接收到了n个数据帧，将由交换机调度到同一个发送端口的数据帧进行排序，根据每个数据帧D的大小，按照由小到大的顺序，将每个数据帧依次通过交换机发送至接收端；

数据帧在开始发送过程中的等待时间为D3，T＝D-D3；

T指：数据帧排序后，由交换机进行调度的剩余时间；

若T为0时，则丢弃该数据帧。数据流量过大时，可能会导致T为0，因为该数据帧即使被传输到接收端也已经不能保证时间完整性，丢弃该数据帧可防止不满足时间确定性要求的数据帧继续消耗资源，保证了接收端接收到的数据帧都是有效数据帧。

交换机发送数据帧的过程中，交换机根据D3距D的大小将待发的数据帧进行动态调整，距离D越小数据帧调度优先级越高，若无新数据帧到达，排序数据帧T的大小在同步减小，则排队等待调度数据帧的调度顺序不变。

若有新数据帧到达交换机的排序数据帧，根据新到数据帧D的大小，和未发出数据帧T的大小重新按照由小到大的顺序排序，并继续按照由小到大的顺序发出；可以在每次调度后(即每次发出数据帧后)，根据等待的时间重新计算继续等待的数据帧T的大小。

比如，步骤4】中，在交换机向接收端发送数据帧的过程中，若交换机向接收端发送了m个数据帧，同时，交换机还接收到了y个数据帧；若所述n个数据帧还在交换机剩余s个数据帧，根据这s个数据帧的T和y个数据帧的D，由小到大进行排序，并按照由小到大的顺序，将每个数据帧依次通过交换机发送至接收端。

步骤2】中记录每个数据帧T1的具体方法是：在每个数据帧中增加相应的时间戳字段。时间戳字段用来标识待发送数据帧在源端的发送时间。

步骤3】中记录每个数据帧T2的具体方法是：每个数据帧到达交换机时，由交换机记录其到达时间。

源端、交换机和接收端的时间同步。由于数据帧加入时间戳字段后，若调度系统的全网时间不统一，则该时间戳字段对于全网内的其他设备来说则会失去意义，因此应该进行全网时间同步。对于已经全网时间同步的网络不需要考虑时间同步问题，对于全网时间不同步的网络，本发明采用的网络全局时钟算法具体可参见SAE AS 6802规范中的时间同步算法。

数据帧端到端延时如图1所示，将源端的数据帧发送至接收端，源端到接收端的延时D_i可以分解为源端的延时D_S、传输延时D_T、交换延时D_K、接收端延时D_R，传输延时D_T包括源端与交换机之间的传输延时D_T1和交换机与源端之间的传输延时D_T2，即D_i＝D_S+D_T+D_K+D_R。考虑到机载网络的传输速率一定，其传输延时D_T应该仅与传输距离相关；同时根据机载网络的要求，源端的延时D_S与接收端延时D_R都有上限要求，因此交换延时D_K成为影响端到端确定性传输的一个重要因素。

交换延时主要由两部分组成，一部分是存储转发中的数据拷贝，该部分延时与数据帧长度和存取速度有关，存取速度一定时，时间上限固定。另一部分则是由交换机调度机制的调度排队引起的，该部分与交换机采用的调度机制有关。采用合理的调度机制，可以很大程度减小关键数据帧的交换延时，从而满足关键数据帧的时间确定性要求。

随着任务的多样化发展，单纯依靠静态优先级的划分，难以满足任务的时间确定性要求，因此引入待发送数据帧的Deadline来作为动态调度策略的优先级指标，引入Deadline后的时间参数如图2所示。

交换机获取到数据帧中携带数据帧发送时间的时间戳字段，计算交换依据D还需要源端到目的端延时要求Deadline。本发明中，在进行流量规划时，需要根据不同业务配置不同的时间要求Deadline，即需要在配置表中给每种类型的消息增加端到端延时字段。交换机根据数据帧类型，查找数据帧配置即可获取数据帧端到端延时Deadline要求。

具体调度方法如图3所示，图中数字表示数据帧调度依据D的大小，由源端与交换机相连的端口1向交换机与接收端相连的端口1发送的数据帧的D为5，由源端与交换机相连的端口2向交换机与接收端相连的端口1发送的数据帧的D为2，此时在交换机与接收端相连的端口1排队中有两个等待的数据帧，这两个等待的数据帧的D分别为3和9，则D为2的待发数据帧进入排队后重新按照D的大小排序，交换机与接收端相连的端口1的数据帧的发送顺序变为2、3、5、9。

数据帧在交换机端口内面向Deadline的调度机制，最大限度保证了机载网络的端到端延时要求。同时，交换机各个端口间采用公平轮询的方式实现，保证不同链路的公平服务。

本发明的原理：

将源端到接收端延时进行分解，并确定每部分的计算方法。针对交换延时，引入端到端延时要求Deadline，并给出调度依据D的计算方法，以数据帧在交换机中可调度时间D为调度依据，进行动态调度，保证D较小的数据帧优先调度出去。对于交换延时已到达D，仍旧无法调度出去的数据帧进行丢弃处理，保证到达目标端的数据帧均为有效帧，防止资源的浪费。调度依据D的计算方法为：D＝Deadline-D1-D2-Dr。

本发明属于机载网络通信技术。针对机载交换机的调度机制，制定了一种面向Deadline的调度方法，解决了安全关键业务要求强实时调度服务、端到端延时具有上界的问题。最大限度保证了机载网络的延时确定性要求，可提前将无法满足延时要求的数据帧丢弃，保证了数据帧的时间完整性。

Claims (7)

1.一种面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：

包括调度系统，调度系统包括源端、交换机和接收端，源端通过交换机和接收端相连，源端存在不同类型的数据帧，接收端延时不大于Dr；接收端延时指接收端开始接收某个数据帧至完成接收该数据帧的持续时间；所述调度方法包括以下步骤：

1】设定数据帧的Deadline，

2】由源端向交换机发送数据帧，并记录每个数据帧的起始发送时间T1；

3】交换机接收到数据帧，并记录交换机接收到的每个数据帧的时间T2；

D1＝T2-T1，D2＝L/V，D＝Deadline-D1-D2-Dr；

D1为同一个数据帧由源端发送到交换机的实际用时，

L为交换机到接收端的传输距离，

V为调度系统所属网络的传输速率，

D2为同一个数据帧由交换机发送到接收端的传输用时，

D为同一个数据帧由交换机进行调度的剩余时间；

4】若交换机接收到了n个数据帧，将由交换机调度到同一个发送端口的数据帧进行排序，根据每个数据帧D的大小，按照由小到大的顺序，将每个数据帧依次通过交换机发送至接收端；

数据帧在开始发送过程中的等待时间为D3，T＝D-D3；

T指：数据帧排序后，由交换机进行调度的剩余时间；

若T为0时，则丢弃该数据帧。

2.根据权利要求1所述的面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：所述步骤4】中，

在交换机向接收端发送数据帧的过程中，若交换机向接收端发送了m个数据帧，同时，交换机还接收到了y个数据帧；

若所述n个数据帧还在交换机剩余s个数据帧，根据这s个数据帧的T和y个数据帧的D，由小到大进行排序，并按照由小到大的顺序，将每个数据帧依次通过交换机发送至接收端。

3.根据权利要求1或2所述的面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：所述步骤2】中记录每个数据帧的起始发送时间T1的方法是：在每个数据帧中增加时间戳字段。

4.根据权利要求3所述的面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：所述步骤3】中记录交换机接收到的每个数据帧的时间T2的方法是：在交换机中记录每个数据帧到达时间。

5.根据权利要求4所述的面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：Dr≤150μs。

6.根据权利要求5所述的面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：所述源端、交换机和接收端的时间同步。

7.根据权利要求6所述的面向Deadline满足时间确定性的调度方法，其特征在于：所述步骤1】中设定数据帧的Deadline的方法是：在生成配置时为不同类型的数据帧设置Deadline，并将配置加载到交换机，供交换机接收到数据帧时获取相应的Deadline。