CN106712907A - 数据传输方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据传输方法及设备，将数据按特定的帧格式封装成数据帧进行传输，所述特定的帧格式包括：常量字段，消息控制字段，源地址、目的地址、目的端口字段，数据帧特性字段，命令特性字段，校验字段。与现有技术的三种机载网络互联总线标准相比，本发明的基于特定帧格式的数据传输方法由于有效包头长度大大减小，既提高了总线有效带宽，同时也降低了单个命令的延迟时间。

Description

数据传输方法及设备

技术领域

本发明涉及现场总线通信领域，特别涉及一种通过光纤、以太网传输的采用特定数据帧结构的命令响应式高速总线数据传输方法及设备。

背景技术

高速数据总线技术是航空电子系统的的关键技术，航空电子系统是现代飞机的“大脑”和“神经中枢”，机载总线网络则是其关键的“神经网络”，现有机载网络互联主要基于以下几种技术标准，一是MIL-STD1553总线标准，二是基于光纤的FC-AE-1553总线标准，三是基于以太网的AFDX总线标准。

MIL-STD-1553总线是美国专为飞机设备指定的一种信息传输总线标准，实时性可靠性高，其总线工作频率为1Mbps，采用曼彻斯特II码，半双工工作方式，主要的硬件部分为总线控制器iC，远程终端iT以及可选的监控器iM。总线最多支持31个远程终端，信息格式有10种类型，其消息的发起者均为总线控制器iC。

国内航空航天设备仍然大量采用MIL-STD-1553B总线进行数据通信，而MIL-STD-1553B总线在支持终端联机数量、传输速率方面产生了瓶颈。随着航空航天设备的发展，电磁干扰和电磁脉冲对MIL-STD-1553总线的影响越来越严重。

FC-AE-1553是将MIL-STD-1553B协议映射到光纤通道上得到的“吉比特1553”协议。

传统以太网的不确定性、鲁棒性、容错性差的特点，使之不能在实时性高的航电领域发展，AFDX总线标准是在传统以太网标准基础上发展起来，采用冗余结构、流量控制、VL虚链路等技术消除传统以太网的弱点，使适应航电总线领域。

上述三种技术在报文负载比重方面均有较大的开销，AFDX的最小命令需要48个字节，FC-AE最小命令需要36字节，既降低了总线有效带宽，同时也增加了单个命令的延迟时间。另外上述三种技术主要应用在民用领域，采用多层次协议体系，报文层层嵌套。如果转为军用时，由于其调度一般在较高层次发生，因此其调度时间不可避免的在不同层次间消耗，在同等速率下的平均调度时间受协议层次影响很大。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种通过光纤、以太网传输的采用特定数据帧结构的命令响应式高速总线数据传输方法及设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种数据传输方法，将数据按特定的帧格式封装成数据帧进行传输，所述特定的帧格式包括以下字段：

常量字段：Proto、Version字段，分别为报文遵循的协议以及协议版本；

消息控制字段：Pv，用来指示数据帧是否为广播消息；Priority，标识数据帧的优先级；Retry，重传次数标志；

源地址、目的地址、目的端口字段：Source iT、Dest iT、iPort，用来指示网络中的节点地址；

数据帧特性字段：Frame Index，多帧序号；Payload Length，数据有效负载长度；Flags，数据帧标识；Response Code，数据响应标识；

命令特性字段：Command Seq，用于标识总线消息的唯一性序列；RP，标识数据帧是命令还是响应；Command，总线命令编码；

校验字段：Frame Check Sequence，用于CRC校验。

所支持的数据传输类型包括以下一种或多种：主控制器发送或广播数据帧至远程节点；主控制器请求远程节点发送数据至主控制器；主控制器请求远程节点发送数据到另一远程节点；远程节点直接发送或广播数据至另一远程节点，不由主控制器发送命令；远程节点发送具有最高优先级的中断消息，该中断消息只被主控制器响应，主控制器预先安排中断消息向量表，中断消息触发某中断向量，执行固定的总线调度；由主控制器依据周期间隔定时广播周期控制消息，总线上的所有节点遵循周期控制消息发起数据传输。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种数据传输设备，所述数据传输设备包括：

封装单元，用于将不同类型的数据业务按权利要求1所述的特定帧格式封装成相应的数据帧；

发送单元，用于将封装好的数据帧发送至接收方；

接收单元，用于接收其他设备发送到本设备的数据帧；

解析单元，用于对接收到的数据帧进行解析；

处理单元，用于根据解析单元的解析结果进行相应的处理。

与前述现有技术的三种标准相比，本发明的基于特定帧格式的数据传输方法由于有效包头长度大大减小，既提高了总线有效带宽，同时也降低了单个命令的延迟时间。

附图说明

图1示出本发明所述传输方法中的数据帧结构示意图。

图2示出本发明的iC-iT消息（或广播）示意图。

图3示出本发明的iT-iC消息示意图。

图4示出本发明的iT-iT消息（或广播）示意图。

图5示出本发明的iT-iT直传消息示意图。

图6示出本发明的总线中断消息示意图。

图7示出本发明的UPID组成示意图。

图8示出本发明的采用特定数据帧结构进行数据传输的通信设备。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例提供一种采用特定数据帧结构的命令响应式高速总线数据传输方法，总线传输速率范围为10Mbps/100Mbps/1000Mbps，2Gbps/4Gbps/8Gbps，兼容光电两种接口方式。采用数据帧协议层次一致性，减少帧头冗余过大，降低平均调度时间。

为数据传输所设计的特定数据帧结构如图1所示，对各字段的解释如下：

1 常量字段：Proto/Version分别为报文遵循的协议以及协议版本，长度分别为8比特及4比特；

2 消息控制：Pv用来控制数据帧是否为广播消息，长度为1比特；Priority，标识数据帧的优先级，长度为3比特；Retry为重传次数标志，长度为2比特；

3 源地址、目的地址、目的端口：Source iT/Dest iT/Subaddress，用来指示网络中的节点地址，长度均为16比特；

4 数据帧特性：Frame Index，多帧序号，长度为8比特；Payload Length，数据有效负载长度，长度为16比特；Flags，数据帧标识，长度为8比特；Response Code，数据响应标识，长度为16比特；

5 命令特性：Command Seq，用于标识总线消息的唯一性序列，长度为14比特；RP，标识数据帧是命令还是响应，长度为1比特；Command，总线命令编码，长度为7比特；

6 校验：Frame Check Sequence，用于CRC校验，长度为32比特（4个字节）；

7 负荷：Payload，用于承载实际待传输的数据。

本协议采用层次一致性帧头，上述的帧头在MAC层、链路层、传输层中均可见，包括Frame Check Sequence在内其有效包头长度为20个字节。

节点支持最多65536种数据类型

一个目的节点可能包含多种数据类型或多种用途，Subaddress字段用于区分目的节点的数据类型或数据通道，16位宽的Subaddress最多包含65536个数据类型，完全满足现有传输需求。

报文长度优化

本协议在实现命令响应等命令方式的前提下，控制协议帧头的长度为20个字节（包含校验），显然在同等线路速度下，本协议网络报文吞吐率远远大于其它高速数据网络。

根据一般硬件设计最优化（存储器4KB边界条件，DMA传输效率等）长度以及串行收发器稳定传输的考虑，限定本协议的最大传输单帧为3968 Byte，不足4KB的128个字节用于应用层、监控等功能扩充需要的帧信息。

命令响应

命令及应答类型由Command字段定义，RP标识当前报文为命令还是响应。本协议节点支持主控制器（iC）、远程节点（iT）、总线监控（iM）三种类型。支持的命令包含下述基本类型：

1 iC-iT，主控制器发送数据帧至远程节点(或广播)；

2 iT-iC，主控制器请求远程节点发送数据至主控制器；

3 iT-iT，主控制器请求远程节点1发送数据到远程节点2（或广播）；

上述三种类型为一般总线具备的数据传输能力，在此基础上，本协议制定了下述节点数据传输类型：

1 iT-iT直传消息：远程节点1直接发送数据至远程节点2（或广播），不由主控制iC发送命令；

2 中断消息：远程节点iT发送的具有最高优先级的短消息，类似于传统的硬件中断，中断消息只被iC响应，iC节点预先安排中断消息向量表，中断消息触发某中断向量，执行固定的总线调度；

3 周期控制消息：本协议在保证总线的确定性上提出了周期控制消息，周期控制消息由iC依据周期间隔定时广播，总线上的所有节点遵循周期控制消息发起数据传输，保证总线调度的确定性。

周期与命令响应

总线上的消息分为周期消息与非周期消息，周期消息一般由iC控制器预先安排的指令调度产生，每一条消息可以安排单周期执行次数以及多周期执行间隔。

非周期消息由应用层随时插入，适用于突发以及不定数据间隔的数据传输。

总线上的每条消息均包含命令以及可选的响应。

iC-iT消息（或广播）是iC向iT进行控制或发送数据的过程，基本过程如图2所示。

iT-iC消息是iC请求iT发送数据至iC的过程，基本过程如图3所示。

iT-iT消息（或广播）是由iT向iT进行控制或者发送数据的过程，基本过程如图4所示。

iT-iT直传消息是由iT自我发起的向其它iT独立进行控制或者发送数据的过程，点到点传输，基本过程如图5所示。

中断消息是由iT向网络强制广播数据或状态的过程，其基本过程如图6所示。

中断消息只能由iC处理，并且iC依据事先编排好的向量启动中断消息处理调度程序。

采用上述特定帧结构的进行数据传输，还支持冗余管理与重传。冗余管理在链路层完成，其实现基于一个48比特的链路层唯一标识UPID，UPID的组成如图7所示。

UPID’48b = CSEQ’14b + Retry’2b + SiT’16b + RI’1b + CMD’7b + FIDX’8b

链路层依据UPID的唯一性对可能接收到的冗余报文进行过滤。

标识Retry为2bit字段，最大重传次数为3次，重传依据为目的节点没有在规定时间给出应答。重传次数超过三次后，返回链路层传输失败标记。

实施例2：

本实施例提供一种采用特定数据帧结构进行数据传输的设备，如图8所示，该通信设备包括封装单元、发送单元、接收单元、解析单元、处理单元，其中：

封装单元用于将不同类型的数据业务按图1所示的帧格式封装成相应的数据帧；

发送单元用于将封装好的数据帧发送至接收方；

接收单元用于接收其他设备发送到本设备的数据帧；

解析单元用于对接收到的数据帧进行解析；

处理单元用于根据解析单元的解析结果进行相应的处理。

本发明所述数据传输方法及设备中，各种数据业务根据一定的规则进行分类,发送方根据分类结果把不同类型的数据业务按图1所示的帧格式封装成相应的数据帧，然后进行传输，接收方对接收到的数据帧进行解析后再做相应的处理。由于包括Frame CheckSequence在内的有效包头仅为20个字节，与背景技术的三种标准相比，数据帧包头大大减小，既提高了总线有效带宽，同时也降低了单个命令的延迟时间。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备 等)执行本发明各个实施例所述的方法。

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局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种数据传输方法，其特征在于，将数据按特定的帧格式封装成数据帧进行传输，所述特定的帧格式包括以下字段：

常量字段：Proto、Version字段，分别为报文遵循的协议以及协议版本；

消息控制字段：Pv，用来指示数据帧是否为广播消息；Priority，标识数据帧的优先级；Retry，重传次数标志；

源地址、目的地址、目的端口字段：Source iT、Dest iT、iPort，用来指示网络中的节点地址；

数据帧特性字段：Frame Index，多帧序号；Payload Length，数据有效负载长度；Flags，数据帧标识；Response Code，数据响应标识；

命令特性字段：Command Seq，用于标识总线消息的唯一性序列；RP，标识数据帧是命令还是响应；Command，总线命令编码；

校验字段：Frame Check Sequence，用于CRC校验。

2.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，其所支持的数据传输类型包括以下一种或多种：

主控制器发送或广播数据帧至远程节点；

主控制器请求远程节点发送数据至主控制器；

主控制器请求远程节点发送数据到另一远程节点；

远程节点直接发送或广播数据至另一远程节点，不由主控制器发送命令；

远程节点发送具有最高优先级的中断消息，该中断消息只被主控制器响应，主控制器预先安排中断消息向量表，中断消息触发某中断向量，执行固定的总线调度；

由主控制器依据周期间隔定时广播周期控制消息，总线上的所有节点遵循周期控制消息发起数据传输。

3.如权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，数据的最大传输单帧为3968字节，并可依据总线链路传输介质调整最大单帧负载限制。

4.一种数据传输设备，其特征在于，包括：

封装单元，用于将不同类型的数据业务按权利要求1所述的特定帧格式封装成相应

的数据帧；

发送单元，用于将封装好的数据帧发送至接收方；

接收单元，用于接收其他设备发送到本设备的数据帧；

解析单元，用于对接收到的数据帧进行解析；

处理单元，用于根据解析单元的解析结果进行相应的处理。

5.如权利要求4所述的数据传输设备，其特征在于，其所支持的数据传输类型包括以下一种或多种：

主控制器发送或广播数据帧至远程节点；

主控制器请求远程节点发送数据至主控制器；

主控制器请求远程节点发送数据到另一远程节点；

远程节点直接发送或广播数据至另一远程节点，不由主控制器发送命令；

远程节点发送具有最高优先级的中断消息，该中断消息只被主控制器响应，主控制器预先安排中断消息向量表，中断消息触发某中断向量，执行固定的总线调度；

由主控制器依据周期间隔定时广播周期控制消息，总线上的所有节点遵循周期控制消

息发起数据传输。

6.如权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，数据的最大传输单帧为3968字节，并可依据总线链路传输介质调整最大单帧负载限制。