CN104660477A - 一种基于时间触发总线的星型拓扑网络搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间触发总线的星型拓扑网络搭建方法，包含以下步骤：1)、将若干TTE网络终端分别与TTE网络交换机连接，配置计算机与TTE网络终端和TTE网络交换机连接；2)、编写网络描述文件；3)、在配置计算机上将描述文件转换成可以加载至网络交换机和网络终端的镜像文件；4)、将镜像文件加载至网络交换机和网络终端上，网络交换机和网络终端之间运行实时数据流交换。本发明搭建了分布式综合模块化航电系统中基于时间触发总线的星型拓扑网络，实现终端设备和网络间的时间同步，降低了系统运行时的资源冲突。

Description

一种基于时间触发总线的星型拓扑网络搭建方法

技术领域

本发明涉及分布式综合模块化航空电子系统中基于时间触发总线的星型拓扑网络的搭建方法。

背景技术

现有飞机平台上，航电系统可能包括多种总线，处理机需要针对不同总线提供接口，设计繁琐；429总线、1553总线、AFDX(全双工以太网总线)、FC(光纤)总线，都是非时间关键性的总线，数据传输过程中可能会产生阻塞，在对实时性要求非常高的系统中具有较高的风险。

以太网作为一种最普遍的局域网技术，被广泛应用于办公、网络以及生产设施等场所。时间触发以太网(Time Triggered Ethernet：TTE)通过网络服务增强扩展了传统以太网的应用，从而满足先进综合系统可靠、实时的数据传输的新需求。

TTE网络使得混合关键系统的设计和聚系统(system-of-system)的综合更加便利。在航空领域，TTE可以用于高速有效的控制、智能传感器和驱动器网络，确定性航空电子系统和飞行器主网络、声音/视频传输，反射内存，以及模块化控制和综合模块化系统，例如IMA(综合模块化航空电子设备)或DIMA(分布式综合模块化航空电子设备)。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于时间触发总线的星型拓扑网络搭建方法，优化分布式综合模块化航电系统的网络传输效率；提高总线带宽利用率；实现不同终端间的时间同步。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于时间触发总线的星型拓扑网络搭建方法，包含以下步骤：

步骤1)、将若干TTE网络终端分别与TTE网络交换机连接，配置计算机与TTE网络终端和TTE网络交换机连接；

步骤2)、编写网络描述文件，包含同步方法、TTE网络终端和TTE网络的属性、物理连接方式、信息流相关参数；

步骤3)、在配置计算机上将网络描述文件转换成可以加载至TTE网络交换机和TTE网络终端的镜像文件；

步骤4)、配置计算机将镜像文件加载至TTE网络交换机和TTE网络终端上，配置完成，TTE网络交换机和TTE网络终端之间运行实时数据流交换；

步骤5)、TTE网络交换机将TTE网络交换机和TTE网络终端之间运行的实时数据流映射到配置计算机进行监控。

依据上述特征，所述TTE网络终端和TTE网络的属性包含在同步网络中的角色，端口名称，对应消息流接收缓存大小。

依据上述特征，所述信息流相关参数包含信息名称及类型，信息流ID，地址及端口号，信息流大小，信息流周期，信息流的约束条件；其中消息流的类型有时间关键性流、最大努力流、全双工以太网流，全双工以太网流的优先级高于最大努力流，时间关键性流与最大努力流、全双工以太网流分时占用物理链路。

依据上述特征，所述信息流的约束条件为：

采用循环调度的通用结构，通过调度的决策时刻将时间轴划分为区间，分区间遵循以下约束条件：

约束1：帧长f比每个任务Ti的执行时间ei都不小；

约束2：超周期H能够被帧长f整除，而且至少存在一种任务Ti的周期pi，能够被帧长f整除；

约束3：2倍帧长f比每个任务Ti的最坏情况下延迟时间都小。

依据上述特征，所述信息流周期通过离线生成表实现，所述离线生成表将所有的通信任务按照不同的任务加载顺序计算出所有可能的周期调度时刻表，并按照公共空闲区间法对时刻表进行评估，选出最优的一组表格作为最终的周期调度时刻表；所述公共空闲区间法是将所有TTE网络终端发送的公共空闲区间进行统计，将公共空闲区间的数目作为评价结果。

依据上述特征，所述同步方法为：同步主向相连的同步压缩主发送时钟同步控制帧PCF；同步压缩主采集所有同步主发送到达的时钟同步控制帧PCF，并使用CF收到的时钟同步控制帧PCF进行相应的延迟，调整本地时钟，并以同一个时刻发送回与之相连的同步主和同步客户端；同步主根据返回的时钟同步控制帧PCF自发地调整本地时钟CSM；其中所述同步主为在网络中担任提供PCF帧的节点，所述同步压缩主为在网络中对时钟同步控制帧PCF进行计算的节点，所述同步客户端为不负责提供时钟同步控制帧PCF的节点。

依据上述特征，所述步骤1)中TTE网络终端和TTE交换机通过以太网总线或者光纤总线连接，用于终端间的数据通信；

配置计算机通过串口总线和TTE网络终端连接，用于对TTE网络终端上驻留的软件进行调试；配置计算机通过网线和TTE网络终端连接，用于向终端设备加载镜像文件；

配置计算机通过网线和TTE网络交换机相连，在配置阶段，用于从配置计算机上加载镜像文件至交换机；在数据通讯阶段，用于通过TTE网络交换机对网络上的数据进行监控。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过该方法，能够有效搭建分布式综合模块化航电系统中基于时间触发总线的星型拓扑网络，实现终端设备和网络间的时间同步，降低了系统运行时的资源冲突；同时，根据预设进程设定合理的信息流时间调度方案，采用非时间关键数据流和时间关键数据流混合传输的方法，减少网络传输延迟，更为有效地提高带宽利用率。

附图说明

图1为TTE网络组成；

图2为本发明中网络配置流程图；

图3为本发明中时间配置示意图。

具体实施方式

本方法搭建TTE(Time Trigger Ethernet时间触发式以太网)网络的星型拓扑结构，实现4个模块之间的强实时性通讯。该网络由4块SBC7457开发板、4块时间触发网络终端板卡、一套时间触发网络交换机组成，是一套完整的分布式综合模块化系统开发环境。该网络能够实现最大努力流(Best-Effort，BE)、全双工以太网流(AFDX)和时间关键性流(Time-Trigger，TT)三种信息流的融合传输，构建数据融合的传输系统。而上层软件运行在TTE网络的网络平台上，完成对全网络在VxWorks653环境下的时间同步，提供硬件设备与VxWorks653的接口程序，实现对网络的配置管理与加载，并对网络数据流进行实时监控与录取回放。系统的结构如图1所示。TTE网络终端和TTE网络交换机通过以太网总线或者光纤总线连接，用于终端间的数据通信。

配置计算机通过串口总线和TTE网络终端连接，用于对终端上驻留的软件进行调试；配置计算机通过网线(以太网)和TTE网络终端连接，用于向终端设备加载镜像文件。

同时，配置计算机通过网线(以太网)和TTE网络交换机相连，在配置阶段，用于从配置计算机上加载镜像文件至TTE网络交换机；在数据通讯阶段，用于通过配置TTE网络交换机对网络上的数据进行监控。在这里，TTE网络交换机与配置计算机只需要一根网线连接起来即可。

组建好TTE网络终端平台后，将4个TTE网络终端平台与TTE 12+1可监控网络交换机用光纤线缆连接。此TTE网络交换机提供在线监控12+1个端口上运行的实时数据流。此TTE网络交换机可以实时选择正在运行的接口的任意发送端口(TX)和接收端口(RX)网线，将它们完整运行的数据映射到配置计算机专用的监控端口进行监控，TTE网络交换机可以在配置好后脱离配置计算机运行，配置信息存储在TTE网络交换机的固存中，在TTE网络交换机下一次上电或重启后生效。

将TTE网络交换机管理端口与配置计算机通过网线相连，便于配置计算机对TTE网络交换机新型网络配置和实时数据监控。

网络的具体配置方法：

1)网络的配置流程

a)结合网络拓扑结构，定义并配置信息流。定义内容包括消息流的类型(如：TT、BE、RC)，消息流的名称及对应至终端应用的虚端口名称等。配置内容包括配置信息流的消息类型、周期、长度、端口号、网络地址等。

b)根据网络同步方法和时间调度配置方法设定网络参数，编写网络描述文件。配置内容包括配置全局参数、同步参数、设备终端参数、交换机参数、链路参数(包括时间调度信息)、约束及指导条件等。

c)利用TTTech公司提供的网络配置工具，将描述文件转换成可以加载至交换机和终端的镜像文件。

配置流程图如图2所示。

2)网络消息流的定义与配置

图3列出了通信的模块之间的消息交换，包括它们的虚拟链路(VL)ID(包括最大努力型消息的ID)和VxWorks653/TTE网络端口/缓冲的语义。所有的消息被安排在20ms周期中，是与分区时间表主时间帧(MTF)相等的。对于BE消息来讲，一个通道每20ms发送BE消息，但是通道和MAC地址在以一种循环交替的方式在使用。

3)时间调度表的配置

TTE的时钟同步机制可以保障网络中各个设备的时钟是完全同步的，为建立按照时刻表发送周期性调度提供了必备条件，在特里的时刻表的设计下，可以保证帧之间绝对不会发生争用物理链路的情况。在实际应用中，TTE网络除了支持特有的时间触发数据帧TT外还兼容AFDX网络速率受限流量以及普通的以太网“最大努力”(BE，best effort)流量。其中RC流量的优先级高于BE流量，而TT流量可以与RC和BE流量分时占用物理链路。

TTE采用循环调度的通用结构，通过调度的决策时刻将时间轴划分为区间(帧)，分区间遵循以下约束条件：

约束1：帧长f比每个任务Ti的执行时间ei都不小

约束2：超周期H能够被帧长f整除，而且(充分条件)至少存在一种任务Ti的周期pi，能够被帧长f整除

约束3：2倍帧长f比每个任务Ti的最坏情况下延迟时间都小。

离线生成表需要将所有的通信任务按照不同的任务加载顺序计算出所有可能的周期调度时刻表，并按照公共空闲区间法对时刻表进行评估，选出最优的一组表格作为最终的周期调度时刻表。公共空闲区间法是将系统中所有终端发送表的公共空闲区间进行统计，公共空闲区间的数目作为评价结果。公共空闲区间数可以作为系统运行过程中可增加的动态任务的多少的衡量标准。根据系统中可能的动态任务的特征，即不同周期性动态任务产生的概率，可以对公共空闲区间可以容纳的不同周期任务的个数做加权平均，作为更准确合理的评价。TTtech提供的网络配置工具能够离线生成网络时刻调度表。

4)网络时间同步参数的配置方法

TTE交换或转发设备需要支持“透明时钟”。TTE引入IEEE 1588 V2中的透明时钟的概念，时钟同步的过程采用专门的时钟同步控制帧(ProtocolControl Frame，PCF)，其中含有8字节的透明时钟(TransparentClock，TC)域。

所谓透明时钟是指有专用交换设备记录数据帧进入与离开节点的时间，并得到两者之差，通过硬件改写PCF的TC域，使数据帧的节点驻留时间得以积累，而总延迟时间为所有节点驻留时间与路径延迟的总和，也被称为“透明时钟”(transparent clock)。

TTE的时钟同步过程是在系统的开始运行时进行并建立同步的，并在系统的运行过程中一直进行着同步。同步过程分为两步:同步主(即在网络中担任提供PCF帧的节点，SM)向其相连的同步压缩主(即在网络中对PCF帧进行计算的节点，CM)发送时钟同步控制帧(PCF)，CM向其相连的SM和SC(同步客户端，即不负责提供PCF帧的节点)发送压缩后的时钟同步数据帧。CM采集所有SM发送到达的PCF，并使用CF(CompressFunction压缩函数,是TTE标准中定义的用于计算同步时间的函数)将收到的PCF进行相应的延迟，调整本地时钟，并以同一个时刻发送回与之相连的SM和SC，同时被称为CM同步；而SM根据返回的PCF自发地调整本地时钟CSM，被称为SM同步。这两步是循环进行的，且各同步过程的轮次在时间上是相互交叠的，但只要采集窗口不交叠即可。

5)利用工具完成网络配置并加载至交换机和终端节点

TTE Plan使用网络描述XML文件作为输入，用来为TTE系统生成网络配置XML文件。网络描述XML文件包括拓扑结构、虚链路和同步参数等信息。网络配置XML文件将作为TTE Build的输入。

TTE Build使用TTE Plan的输出文件网络配置XML文件作为输入，为TTE网络中的设备生成设备配置文件。并将设备配置文件转换成二进制文件，用于加载到交换机和终端。

TTE Load用来将TTE Build生成的二进制配置表加载到交换机中。

TTE为基于以太网的实时架构提供了充分的可扩展性，其中面向实时系统的关键优势包括固有的高吞吐量、低复杂性、卓越的可扩展性以及较低的系统生命周期成本。较其他众多的航空电子总线技术而言，TTE在构建、维护和培训上的成本大幅降低。

TTE利用强大的服务扩大了传统以太网的外延，满足了对时间先决、确定性或安全相关系统越来越高的要求。TTE的开放式联网技术面向实时工业自动化、航空航天及其他运输行业应用，实现了与AFDX和ARINC 664的互操作性，从而将其确定性特点融入到现有的网络解决方案中。

Claims (8)

1.一种基于时间触发总线的星型拓扑网络搭建方法，包含以下步骤：

步骤1)、将若干TTE网络终端分别与TTE网络交换机连接，配置计算机与TTE网络终端和TTE网络交换机连接；

步骤2)、编写网络描述文件，所述网络描述文件包含同步方法、TTE网络终端和TTE网络的属性、物理连接方式、信息流相关参数；

步骤3)、在配置计算机上将网络描述文件转换成能被TTE网络交换机和TTE网络终端识别的的镜像文件；

步骤4)、配置计算机将镜像文件加载至TTE网络交换机和TTE网络终端上，配置完成，TTE网络交换机和TTE网络终端之间运行实时数据流交换。

2.根据权利要求1所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于还包含：

步骤5)、TTE网络交换机将TTE网络交换机和TTE网络终端之间运行的实时数据流映射到配置计算机进行监控。

3.根据权利要求1所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于所述TTE网络终端和TTE网络的属性包含在同步网络中的角色，端口名称，对应消息流接收缓存大小。

4.根据权利要求1所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于所述信息流相关参数包含信息流名称及类型，信息流ID，地址及端口号，信息流大小，信息流周期，信息流的约束条件；其中消息流的类型有时间关键性流、最大努力流、全双工以太网流，全双工以太网流的优先级高于最大努力流，时间关键性流与最大努力流、全双工以太网流分时占用物理链路。

5.根据权利要求4所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于所述信息流的约束条件为：

采用循环调度的通用结构，通过调度的决策时刻将时间轴划分为区间，分区间遵循以下约束条件：

约束1：帧长f比每个任务Ti的执行时间ei都不小；

约束2：超周期H能够被帧长f整除，而且至少存在一种任务Ti的周期pi，能够被帧长f整除；

约束3：2倍帧长f比每个任务Ti的最坏情况下延迟时间都小。

6.根据权利要求4所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于所述信息流周期通过离线生成表实现，所述离线生成表将所有的通信任务按照不同的任务加载顺序计算出所有可能的周期调度时刻表，并按照公共空闲区间法对时刻表进行评估，选出最优的一组表格作为最终的周期调度时刻表；所述公共空闲区间法是将所有TTE网络终端发送的公共空闲区间进行统计，将公共空闲区间的数目作为评价结果。

7.根据权利要求1所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于所述同步方法为：同步主向相连的同步压缩主发送时钟同步控制帧PCF；同步压缩主采集所有同步主发送到达的时钟同步控制帧PCF，并使用CF将收到的时钟同步控制帧PCF进行相应的延迟，调整本地时钟，并以同一个时刻发送回与之相连的同步主和同步客户端；同步主根据返回的时钟同步控制帧PCF自发地调整本地时钟CSM；其中所述同步主为在网络中担任提供PCF帧的节点，所述同步压缩主为在网络中对时钟同步控制帧PCF进行计算的节点，所述同步客户端为不负责提供时钟同步控制帧PCF的节点。

8.根据权利要求1所述的星型拓扑网络搭建方法，其特征在于所述步骤1)中TTE网络终端和TTE交换机通过以太网总线或者光纤总线连接，用于终端间的数据通信；

配置计算机通过串口总线和TTE网络终端连接，用于对TTE网络终端上驻留的软件进行调试；配置计算机通过网线和TTE网络终端连接，用于向终端设备加载镜像文件；

配置计算机通过网线和TTE网络交换机相连，在配置阶段，用于从配置计算机上加载镜像文件至交换机；在数据通讯阶段，用于通过TTE网络交换机对网络上的数据进行监控。