CN106850466B - 一种时间触发网络中数据包的转发方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间触发网络中数据包的转发方法及装置，首先根据网络的业务流量和拓扑结构计算出时间路由转发表并配置到交换机中，数据包到达时，根据数据包中的特征字段的HASH运算的结果查询时间路由转发表得到该数据包允许到达时隙和其输出端口号，比较数据包的到达时隙和允许到达时隙，如果相符则转发，否则丢弃。相对现有技术，本发明降低了时间触发网络交换机设计的复杂性，能实现网络容错，并可降低数据包的转发延迟，可应用于光纤通道网络及以太网等场景中，它使网络各节点具备时间同步、无冲突、低延时、确定性的通信功能，能满足航空航天、医疗技术、轨道交通、汽车等领域对高速、实时、容错通信应用的需求。

Description

一种时间触发网络中数据包的转发方法及装置

技术领域

本发明涉及航电网络的大容量实时数据的处理及转发领域，具体涉及一种时间触发网络中数据包的转发方法及装置。

背景技术

时间触发网络可为可能争用物理链路的数据帧分配好互不冲突的时隙，保证了网络实时性，而航电网络对实时性和可靠性要求较高。将时间触发网络传输的实时性、确定性、容错能力等特点与航电网络相结合，可以满足工业实时通信的需要。由于时间触发网络由至少一个交换机组成，为了保证时间触发交换机的强实时特性，需要对时间触发数据包转发方法以及时间同步方式进行优化。

现有技术中，只有关于时间触发的以太网装置设备，在数据包转发方法上，通过一张离线配置时间调度表控制交换机，为不同时刻到达的数据包安排不同的时隙进行转发。这种表由子表项组成，包含1bit的子表项有效域，6bit的源端口，6bit的目的端口和64bit传输窗口时长，使用这种交换机数据包转发方法，可能使得交换机设计架构变得复杂，降低转发效率。

现有技术在时间同步方式上采用AS6802同步协议，在2011年发布的SAE AS6802是一种使普通以太网具备无冲突同步通信的时间同步协议。AS6802协议中采用透明时钟和固化函数相结合的方法，在实际情况中使用该方法很多因素影响同步时钟精度，包括透明时钟的精确度、节点晶振的稳定性、MAC和PHY芯片的选型、同步周期的设置、接收点的获得方式等等。此实现方式相对较复杂且只能实现亚微秒级(理论上)的同步精度。

现有技术中，只有时间触发以太网交换机的相关装置，还没有出现成熟的时间触发的光纤通道交换机装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时间触发网络中数据包的转发方法及装置，可用于FC或以太网等协议的交换机的设计与实现中，可以用于实现时间触发光纤通道交换机，并且可以简化时间触发以太网交换机的设计，提高转发性能

本发明通过下述技术方案实现：

一种时间触发网络中数据包的转发方法，包括以下步骤：

(a)首先进行预先的离线规划：将所有节点数据包的发送和接收时间划分成周期，一个周期划分成多个时隙，在节点发送端，根据业务流的流量特征建立发送时隙表，在节点接收端，根据数据包的发送时隙建立接收时隙表，根据发送时隙表和接收时隙表，建立交换机的时间路由转发表，然后根据要处理的业务流特征确定时隙长度；

(b)在系统上电之后完成下面的各节点及交换机之间的原语时间同步：由主节点向从节点发送时间同步原语，从节点收到后立即将此原语返回，主节点再收到发出的原语，根据发送和接收的时刻得到两节点间的延时，再用原语将此延时信息通知从节点以使其调整时钟完成同步；

(c)最后进行帧的发送、转发和接收：在节点发送端，根据发送时隙表发送数据包；在交换机，根据接收的数据包对应的特征字段，进行HASH运算后查表得到时间路由转发表的时隙比特位图，若帧到达时刻对应的时隙在时间路由转发表的比特位图表示的可以转发的时隙范围内，则进行转发输出，否则丢弃。

下面是关于本发明所涉及技术的进一步的介绍：这种技术预先对每个外部发送节点配置了发送时间调度表，并对连接外部发送节点的交换接收端口配置了时间路由转发表，这个表满足整个交换机内部每一时刻不同端口之间的帧的传输不存在输出端冲突，即在每一时刻对所有的输入端口和输出端口都完成了匹配，之后根据这张表对帧来处理和转发即可。为实现上述目的，本发明根据原协议对于帧的帧头及开销的预先设计好的格式，添加针对TT(Time-trigger)帧的标志位以区分帧类型，来用于交换设备事先对TT帧进行识别与解析。根据TT帧的特征字段，设计多个时隙来为不同节点的TT帧预留传输空间，根据业务流需求及链路延迟，上层软件根据一定的算法为各节点分配对应的时隙，得到时隙表。一个时隙长度大于对应的发送节点的最大帧帧长并留有一定的空闲位及相应链路的延时；系统上电后完成主从同步过程，由主节点向从节点发送时间同步原语，从节点收到后立即将此原语返回，主节点再收到发出的原语，根据发送和接收的时刻得到两节点间的延时，再用原语将此延时通知从节点以使其调整时钟完成同步。设计计数器以确定某一时刻对应的时隙号。每次交换机在帧解析部分根据到达帧的源端口地址和目的端口地址的信息，进行HASH运算后查表得到时间路由转发表的时隙比特位图(Bitmap)，若帧到达时刻对应的时隙在时间路由转发表的比特位图表示的可以转发的时隙范围内则进行转发输出，若不在范围内则丢弃。

具体的讲，所述步骤(a)中还包括时隙的分配方法：在交换机的接收端，对于即将接收的TT帧，根据其预期到达接收端口的时刻以及TT帧的源端口和目的端口地址信息的组合，设计多个时隙，并用多位二进制数的不同比特位来表示不同的时隙，每个比特位唯一地表示一个时隙，再根据系统网络的节点个数和各自占用的带宽为不同的节点分配一个到多个时隙，得到时隙表。在进行所述步骤(a)中的离线规划时，根据不同节点的业务流特征和各节点到交换设备的链路延时由软件通过一定的匹配算法得到每个端口的时间路由转发表，这张表上记录着不同的源端口和目的端口地址信息的组合对应的时隙比特位图，与原有的路由转发端口信息的比特位图共同作为查表的结果，由于不同节点的数据流发送需求不同，使得不同节点的发送时间调度表也不同，之后根据时间路由转发表通过FC帧通知每个不同节点各自的发送时刻。

本发明的另一个目的是为了实现上述的数据包转发方法，提供一种适配的装置系统，包括输入模块、输出模块、PCI模块、以及交换模块，其中输入模块包括时钟同步模块、帧解析模块等，其中：

PCI模块：主要负责交换部分与软件进行帧交互以及寄存器连接，包括控制上层软件对时间路由转发表进行配置时的数据通道；

时钟同步模块：用于在系统上电之后完成下面的各节点及交换机之间的原语时间同步，得到各个端口的时隙转发表；

帧解析模块：用于对输入的TT帧和非TT帧进行解析，然后传输至交换模块；

交换模块：根据接收到的帧信息和使能信号对输入端口处理后的帧进行调度和转发。

所述的帧解析模块包括时间路由转发查找模块，用于对输入的TT帧进行查时间路由转发表的处理，若符合时隙分配要求，则将要转发的端口号作为后面的交换转发依据，若不符则将TT帧丢弃。在帧解析模块中还进行帧类型的判断和帧错误情形的检测等处理。

所述的交换模块包括调度模块和Crossbar模块，其中：

调度模块：对来自于输入模块的帧信息进行排队调度，使得TT帧和非TT帧实现无冲突调度；

Crossbar模块：对来自于调度模块的配置信息控制开关通断，让TT帧和非TT帧实现实时调度。

所述的TT帧和非TT帧解析后通过共用的输出接口，负责将将数据包输出交换装置，输出规则为：TT帧的输出优先于非TT帧，即当有TT帧要传输时，输出接口模块先输出TT帧，没有TT帧传输，输出接口模块才能够处理非TT帧。

具体到帧在交换机中的处理过程，本发明的TT帧由光口进入交换机，经过串并转换处理和字同步等操作后，在帧解析模块的时间路由转发子模块进行上述的查时间路由转发表的处理，若符合时隙分配要求，则将要转发的端口号作为后面的交换转发依据，并在帧解析模块中进行帧类型的判断和帧错误情形的检测。完成之后，由于上述方法保证了各TT帧之间无竞争情形的发生，不需缓存直接送往Crossbar模块进行交换转发。到达输出端口后根据对不同帧类型的调度实时送往GTX模块并从交换机输出。本发明与原有的时间触发以太网方法相比降低了设计复杂度，在保证性能指标的同时降低时间同步延迟，提高同步精度，可以满足对实时性和可靠性有较严格要求的网络环境的需求。

本发明与现有技术相比，与原有的时间触发以太网方法相比降低了设计复杂度，在保证性能指标的同时降低时间同步延迟，提高同步精度，可以满足对实时性和可靠性有较严格要求的网络环境的需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例中TT帧的帧头结构示意图；

图2本发明实施例中时间触发数据包转发方法的系统连接示意图；

图3为本发明方法中查表的第一种流程图；

图4为本发明方法中查表的第二种流程图；

图5为本发明实施例中查表的流程图；

图6为本发明数据包的转发流程示意图；

图7为本发明的转发装置原理示意图；

图8为本发明实施例中转发装置的连接示意图。

其中，图1中占用字3的比特24作为TT帧和非TT帧的标识符，1表示非TT帧，0表示TT帧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至8所示，本发明一种时间触发网络中数据包的转发装置，包括输入模块、输出模块、PCI模块、以及交换模块，其中输入模块包括时钟同步模块、帧解析模块，其中：PCI模块：主要负责FC交换机输入输出、交换部分与软件进行帧交互以及寄存器连接，包括控制上层软件对时间路由转发表进行配置时的数据通道；时钟同步模块：用于在系统上电之后完成下面的各节点及交换机之间的原语时间同步，得到各个端口的时隙转发表；帧解析模块：用于对输入的TT帧和非TT帧进行解析，然后传输至交换模块，帧解析模块包括时间转发查找模块，用于对输入的信号进行查时间调度转发表的处理，若符合时隙分配要求，则将要转发的端口号作为后面的交换转发依据，并在帧解析模块中进行帧类型的判断和帧错误情形的检测；交换模块：根据接收到的帧信息和使能信号对输入端口处理后的帧进行调度和转发；交换模块包括调度模块和Crossbar模块，其中：调度模块：对来自于输入模块的帧信息进行排队调度，使得TT帧和非TT帧实现无冲突调度；Crossbar模块：对来自于调度模块的配置信息控制开关通断，让TT帧和非TT帧实现实时调度。

本发明的数据包转发方法如下：

首先进行预先的离线规划，在介绍离线规划之前先说明时隙的分配方法：在交换机的接收端，对于即将接收的TT帧，根据其预期到达接收端口的时刻以及TT帧的源端口和目的端口地址信息的组合，设计多个时隙，并用多位二进制数的不同比特位来表示不同的时隙，每个比特位唯一地表示一个时隙，再根据系统网络的节点个数和各自占用的带宽为不同的节点分配一个到多个时隙，具体的时隙数及占用的比特位由上层软件根据链路状况设计算法来分配，得到时隙表。进行离线规划时，根据不同节点的业务流特征和各节点到交换设备的链路延时由软件通过一定的匹配算法得到每个端口的时间路由转发表，这张表上记录着不同的源端口和目的端口地址信息的组合对应的时隙比特位图，与原有的路由转发端口信息的比特位图共同作为查表的结果。之后根据时间路由转发表通过FC帧通知每个不同节点各自的发送时刻。

对于TT帧的传输周期，可以根据发送端要传输什么样的消息得知，而TT帧的传输时长，可以根据发送消息的长度和传输速率来求得。若系统时钟为106.25MHz，传输时使用4bytes的位宽，对于一个帧长等于最大帧长2144Bytes的TT帧，传完此帧需要花费2144/4＝536个时钟单位，最大帧传输延时为

即5.04μs。以上作为设计一个时隙的时长的参考，以保证每一个TT帧占用一个独立的时隙，时隙内还应包括链路延时及空闲原语的填充。

然后，在系统上电之后完成下面的各节点及交换机之间的原语时间同步机制，本发明实施例主要用到了主从同步的模式，利用了诸如FC协议的同步原语和以太网中的某些控制帧的可用字段来携带时刻信息，主设备为已知与系统完成同步的设备。主设备到从设备之间的延迟主要有节点或交换机内部的底层逻辑的寄存器延时以及线路延时。先由主设备向要同步的从设备发送该同步原语，原语相应字段记录有发送时刻，经过设备内部和链路发送到从设备时，从设备立即通过相同数据通路将此原语返回给原主设备，主设备接收到返回的原语并记录返回的时刻信息，将此时刻信息记录在另一时间同步原语的对应字段上并告知从设备，从设备将这个信息与开始的发送信息比较得到差值再除以2得到两设备间的延迟，并根据延迟信息调整自己的系统时钟，系统中需要同步的设备均照此法来完成系统的同步过程，此过程与TTE的同步机制比较，精度较高可达纳秒级，且容易实现。

最后，进行帧的发送、转发和接收。以FC网络为例，节点在各自发送TT帧和非TT帧前，在帧头的TYPE字段占用1bit用于标识以区别非TT帧和TT帧，非TT帧标识1，TT帧标识0。在接收端设置两个计数器以确定当前时刻对应的时隙号：在起始时刻，计数器1和计数器2都置0，时隙长度作为计数器1的阈值，之后在到达阈值之前的时间区间内为该节点的数据流空出相应的传输时间，计数器1开始计数，每一时钟单位加1，在到达阈值之后的时刻使计数器1清零，并且使计数器2加1，再预留一段传输时间，计数器1累加到新的阈值后使计数器1再次清零，计数器2再次加1，之后的传输过程如此依次进行。计数器2的计数值作为某一时刻应到达的TT帧的时隙号。当某个时刻的TT帧到来后，先根据该帧的S_ID和D_ID的组合进行HASH运算：以FC网络为例，分别取S_ID和D_ID的高16位，拼接后组成32位数据，应用CRC32算法，得到CRC32校验码，取其低8位。之后与原先的从D_ID中截取的有用字段共同作为地址查找已配置好的时间路由转发表，得到包含路由和时隙信息的比特位图。最后，将计数器2记录的帧的到达时间对应的时隙号与比特位图中表示时隙的为1的比特位对应的时隙号比较，在后者范围内的的TT帧正常转发，不符的将其丢弃。若应用在以太网环境中，同样在备用字段占用1bit标识位，若以太网帧的目的MAC地址前24位不是0x01005e，使用目的MAC地址加vlan进行HASH运算，得到8位结果以作为之后查询组播对应的转发表的地址，若目的MAC地址前24位是0x01005e，则只使用目的MAC地址进行HASH运算，得到8位结果以作为之后查询组播对应的转发表的地址。对于TT帧，分别取源MAC地址和目的MAC地址的低24位并拼接，再进行HASH运算得到另一个8位的结果，与前面目的MAC地址的HASH结果共同作为时间路由转发表的查表地址来查表，得到包含路由和时隙信息的比特位图。之后的比较及决定转发或丢弃的过程与FC的例子中的做法相同；不同时隙标识位的TT帧被放入不同的时隙内，在交换设备的数据通路上无冲突地传输，非TT帧不做上述处理，依原有的处理规则进行。

本实施例的转发装置中，TT帧由光口进入交换机，经过串并转换处理和字同步等操作后，在帧解析模块的时间路由转发子模块进行上述的查时间调度转发表的处理，若符合时隙分配要求，则将要转发的端口号作为后面的交换转发依据，并在帧解析模块中进行帧类型的判断和帧错误情形的检测。完成之后，由于上述方法保证了各TT帧之间无竞争情形的发生，不需缓存直接送往Crossbar模块进行交换转发。到达输出端口后根据对不同帧类型的调度适时送往GTX模块并从交换机输出。本发明与原有的时间触发以太网方法相比降低了设计复杂度，在保证性能指标的同时降低时间同步延迟，提高同步精度，可以满足对实时性和可靠性有较严格要求的网络环境的需求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种时间触发网络中数据包的转发方法，其特征在于包括以下步骤：

（a）首先进行预先的离线规划：将所有节点数据包的发送和接收时间划分成周期，一个周期划分成多个时隙，在节点发送端，根据业务流的流量特征建立发送时隙表，在节点接收端，根据数据包的发送时隙建立接收时隙表，根据发送时隙表和接收时隙表，建立交换机的时间路由转发表，然后根据要处理的业务流特征确定时隙长度；

（b）在系统上电之后完成下面的各节点及交换机之间的原语时间同步：由主节点向从节点发送时间同步原语，从节点收到后立即将此原语返回，主节点再收到发出的原语，根据发送和接收的时刻得到两节点间的延时，再用原语将此延时通知从节点以使其调整时钟完成同步；

（c）最后进行帧的发送、转发和接收：在节点发送端，根据发送时隙表发送数据包；在交换机接收端，根据接收的数据包对应的特征字段，进行HASH运算后查表得到时间路由转发表的时隙比特位图，若帧到达时刻对应的时隙在时间路由转发表的比特位图表示的可以转发的时隙范围内，则进行转发输出，否则丢弃。

2.根据权利要求1所述的一种时间触发网络中数据包的转发方法，其特征在于：所述步骤（a）中还包括时隙的分配方法：在交换机的接收端，对于即将接收的TT帧，根据其预期到达接收端口的时刻以及TT帧的源端口和目的端口地址信息的组合，设计多个时隙，并用多位二进制数的不同比特位来表示不同的时隙，每个比特位唯一地表示一个时隙，再根据系统网络的节点个数和各自占用的带宽为不同的节点分配一个到多个时隙，得到时隙表。

3.一种时间触发网络中数据包的转发装置，其特征在于包括输入模块、输出模块、PCI模块、以及交换模块，其中输入模块包括时钟同步模块、帧解析模块，其中：

PCI模块：主要负责交换部分与软件进行帧交互以及寄存器连接，包括控制上层软件对时间路由转发表进行配置时的数据通道；

时钟同步模块：用于在系统上电之后收发符合协议的原语或帧并记录收发时刻，以完成各节点及交换机之间的原语时间同步；

帧解析模块：用于对输入的TT帧和非TT帧进行解析，然后传输至交换模块；

交换模块：根据接收到的帧信息和使能信号对输入端口处理后的帧进行调度和转发；

输出模块：用于输出交换模块发送至的数据包。

4.根据权利要求3所述一种时间触发网络中数据包的转发装置，其特征在于：所述的帧解析模块包括时间路由转发查找模块，用于对输入的TT帧进行查时间路由转发表的处理，若符合时隙分配要求，则将要转发的端口号作为后面的交换转发依据，若不符则将TT帧丢弃，在帧解析模块中还进行帧类型的判断和帧错误情形的检测。

5.根据权利要求4所述一种时间触发网络中数据包的转发装置，其特征在于：所述的交换模块包括调度模块和Crossbar模块，其中：

调度模块：对来自于输入模块的帧信息进行排队调度，使得TT帧和非TT帧实现无冲突调度；

Crossbar模块：对来自于调度模块的配置信息控制开关通断，让TT帧和非TT帧实现从输入端口到输出端口的实时发送。

6.根据权利要求4所述一种时间触发网络中数据包的转发装置，其特征在于：所述的TT帧和非TT帧解析后通过共用的输出接口，输出规则为：TT帧的输出优先于非TT帧。