CN107040440B - 在基于以太网的运载工具中网络中启动触发的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在基于以太网的运载工具中网络中的启动触发。为了在基于以太网的运载工具中网络中实施由IEEE 802.1 Qbv建议的约束,其中,网络包括配置成用于发送基于TAS的帧的至少一个装置和配置成用于传输基于TAS的帧的至少一个桥,并且其中,所述至少一个装置和所述至少一个桥使用防护频带以便确定何时必须发送或传输基于TAS的帧,建议:‑向装置传输触发报文,其中触发报文限定装置必须开始发送其第一调度帧的时间;‑相对于传输的时间调整装置的防护频带;‑向网络中的至少一个桥传输触发报文,其中触发报文限定桥将接收来自装置的第一调度帧的时间;以及‑相对于传输的时间调整桥的防护频带。
Description
技术领域
本发明涉及在基于以太网的运载工具中网络中的时间感知流量整形(TAS),其中,网络包括配置成用于发送基于TAS的帧的至少一个装置和配置成用于传输基于TAS的帧的至少一个桥,并且其中,至少一个装置和至少一个桥使用防护频带以便确定何时必须发送或传输基于TAS的帧。
背景技术
对于在运载工具中网络中获得极低的时延(latency)和时基抖动(jitter)数据传输的需要已经激发了基于以太网的时间感知整形器(IEEE 802.1 Qbv)的开发,该基于以太网的时间感知整形器当前由IEEE 802.1工作组限定。针对该开发的另一动机是对预测运载工具中的时间和安全重要的网络的时序行为的需要。
时间感知整形器(TAS)的一个目标是实现来自桥/开关中的队列的流量的确定调度。没有TAS的情况下,任意高优先级流量(traffic)必须在其数据包队列存储器中等待调度,直到在出口端口(egress port)上的当前调度的帧已经被传输。这引入了额外的可变时延,这在时间敏感的流(调度的流量)的情形中,例如在工业和汽车网络中(其中,确定的时延是一种约束)是不可接受的。TAS要求针对每个出口端口上的队列中的每一个的调度,这意味着,每一个桥/开关应当感知调度流量预期到达的时间,使得在这种特定时间窗口/时间间隙(slot)中,阻止另一更低优先级的流量传输。这是为了确保调度流量在确定的延迟下从发送者通过所有网络节点转发至接收器。为了保护调度流量不干扰可以恰好开始传输的非调度流量,可要求防护频带(guard band),使得在调度流量的传输的开始不久之前,阻止从所有队列的传输。防护频带的大小取决于干扰帧的最大可能的大小。
然而,IEEE 802.1 Qbv标准不限定如何能够获得这些目标。具体地,标准对于桥/开关和发送基于TAS的帧的装置将如何提前知道何时应当开始帧的传输以及如何调整桥/开关的防护频带的问题未给出任何解决方案。
发明内容
在本发明的独立权利要求中限定的方法、系统和节点针对前述问题给出解决方案。具体地,如由独立权利要求所限定的方法、系统和节点通过使帧发送装置感知其必须发送其第一调度帧的时间以及使桥/开关感知其必须转发所接收的帧的时间,使得能够在基于以太网的网络内保证用于时间和安全重要的帧的传输的低时延和时基抖动。
附图说明
本发明的实施例以示例且不受限于附图中的图的方式图示,在附图中,同样的附图标记指示相似的元件,以及附图中:
图1示出在支持时间感知整形器的装置中的队列模型的概览;
图2给出调度帧通过网络的传输的概览;
图3给出根据本发明配置的网络的概览;
图4是时序图表,且示出如何确定触发报文中的时间戳字段的值;
图5示出其中两个装置希望传输基于TAS的帧(这导致冲突)的状况;
图6示出用于实现增强的启动触发机制的网络布局的示例;以及
图7示出基于增强的启动触发机制操纵调度帧以便避免冲突的示例。
具体实施方式
在以下描述中,引入许多具体细节以提供对于本发明的实施例的透彻理解,以及实现针对本发明的实施例的描述。然而,相关领域技术人员将认识到,能够在没有一个或多个具体细节的情况下或者用其它部件、系统等实践这些实施例。在其它情形中,公知结构或操作未被示出,或者未被详细描述,以避免使所公开的实施例的方面模糊。
图1示出支持TAS的装置1的出口或输出端口12处的帧列队机制。根据IEEE 802.1Q标准(时间感知整形器基于该标准),在输出端口12处允许最多八个队列13。
实际上,切换的以太网装置中的帧传输模式没有冲突。然而,由于输出端口12处的干扰,数据包的传输能够经受一些不确定的延迟。当数据包或帧准备好传输,但是因为正在相同链路上传输另一帧而不能够被传输时,出现干扰。由于不可预测的延迟,该状况能够增大端到端的时延。对于要求极低时延和时基抖动的一些重要的数据包,必须避免干扰。这是TAS的一个目标。
如图1中所示,每一个调度帧队列13具有门14,其能够打开和关闭,且因此确定是否必须传输帧。门14由门驱动器15控制。调度帧的传输以1/T的频率被周期性地执行。当针对调度帧打开门时,输出端口必须是空闲的,以便避免易于延迟传输的干扰。这通过基于1/T的频率的防护频带保证。
大体而言,在给定周期i中的时间t_GBi处防护频带16的开始处,所有门14均关闭。在一定时间间隔,例如图1中所示的t2-tGB1(其为对应于由装置1操纵的最长帧的传输延迟的时间间隔)之后,适当的调度帧队列门14被打开,以允许基于TAS的帧的传输。在该情形中,当非调度的帧的传输在t_GBi之前开始时,这种帧的传输将在t2之前完成,因此避免对调度帧的干扰。
在调度帧已被完全发送之后,对应的门14关闭,且其它门打开。该场景然后在后续周期中重复,例如,t3、t4、t5.....为了进一步保证横跨多跳(hop)的网络从终端装置1到另一终端装置的帧的输送期间的零干扰,发送和转发该帧的每一个节点均必须运行TAS。
图1还示出带有防护频带16的时间线17。基于时间线18的图表示出用于调度队列的门状态,且基于时间线19的另一图表示出其它队列的门状态。在这两个门状态图表中,附图标记c标记关闭的门,且o标记打开的门。从这些图表中能够看到,在防护频带16期间,所有门均关闭以便传输。
图2示出在包括两个终端装置1、6和四个桥2、3、4、5的网络中基于TAS的帧F1、F2、F3和F4的传输。图2还示出对应于装置1的时间线21、分别对应于桥2到5的时间线22到25,以及对应于装置6的时间线26。如从时间线21中能够看到的,装置1在时间t21处发送第一调度帧F1。时间线22示出在桥2上建立的防护频带16,其在时间t22处控制帧F1的转发。以相同的方式,桥3、4和5设置其防护频带23、24、25以在传输帧F1时防止干扰,直至帧F1在装置6处被接收。在第二防护频带16之后,装置1发送第二帧F2,其将经由桥2、3、4、5被传输至装置6。然后针对调度帧F3和F4重复相同的过程。
图3示出一种机制,其使得能够通知网络中的装置该装置必须开始其第一调度帧的传输的时间。标记为启动触发机制的该机制也告知桥关于它们将接收到调度帧的时间。因此,引入触发节点30,在其上执行启动触发机制。
在贯穿网络建立共同时基之后,触发节点30生成触发报文31、32,并且将触发报文31发送到装置1和将触发报文32发送到桥2、3、4、5。发送到装置1的触发报文31包含装置1必须发送其第一调度帧F1的时间。传输到桥2、3、4、5的触发报文32包含它们将接收到第一调度帧的时间。
触发报文31、32的格式可以包括三个主要字段:
-报文ID:限定在三个比特位上。指示数据包或帧是触发报文31、32。用于触发报文31、32的ID值是例如110。
-节点ID:该字段通过代表其MAC地址的六个比特位编码标识触发节点30。
-时间戳:该字段包括十个字节,且代表装置1必须发送其第一调度帧F1的时间或者桥2、3、4、5将在其输入端口处接收到调度帧F1的时间。
图4示出如何能够确定触发报文31、32中时间戳字段的值。假设触发节点30已经知晓一些相关延迟,诸如触发报文传输延迟41、调度帧传输延迟42、防护频带延迟16以及调度帧到达桥输入端口处和其到达其输出端口处之间的时间间隔(在图4中标记为43)。
在于网络中建立共同时基之后,触发节点30针对t=t_t调度触发报文31、32的传输。触发节点30还被配置成设置时间t_t2,在该时间处,必须由装置1传输第一调度帧F1。触发节点30设置t_t2使得t_t2-t_t大于防护频带延迟16。
从装置1传输的第一调度帧F1将在t_t3处到达桥2的输入端口。以相同的方式,触发节点30分别将t_t4、t_t5和t_t6限定为第一调度帧F1在桥2到5处的到达时间。在已经限定和计算t_t、t_t2、…、t_6之后,触发节点30同时将触发报文31、32发送到装置1和桥2、3、4、5。根据这种机制的一个实施例,触发节点30通过当其将操纵触发报文31、32之外的报文时建立防护频带来发送触发报文31、32。
图5使其中想要发送调度帧的两个装置存在于网络中的状况形象化。图5示出装置1,桥2、3、4、5和装置6,以及也配置成发送基于TAS的调度帧的装置8。时间线51涉及装置1,时间线52涉及桥2,且时间线58涉及装置8。
在图5中示出的状况中,两个装置1和8均需要提前知晓它们何时必须开始其调度帧的传输。桥2、3、4、5需要知晓装置1和装置8的这些第一帧将到达桥的输入端口的时间。
然而,现在存在调度冲突的风险,这将使用桥2作为示例来描述:由于调度帧现在从两个装置到达,所以桥2需要两个队列53和54以操纵调度帧。假设装置1以等于1/T的频率传输其调度帧,同时装置8以等于1/2T的频率传输其调度帧。当然,这仅是示例,以便示出冲突可以如何发生。
在t=t21处,装置1开始其第一调度帧F1的传输,同时在t=t21+T=t31处,装置8开始发送其调度帧。因此,装置1的第二调度帧F2和第一调度帧F8_1同时到达桥2处。这意味着,两个调度帧F2和F8_1必须在相同链路上同时由桥2转发,而这是不可能的。
相同的状况也关于帧F4和帧F8_2出现。因此,对于一些调度帧,调度帧由桥2的转发将延迟。该状况导致经受由于另一调度帧导致的干扰的调度帧的端对端时延和时基抖动的增大。
图6示出标记为增强的启动触发机制的机制,其使得能够通知两个装置1、8关于其必须开始发送其第一调度帧的时间以及告知桥2、3、4、5关于其将接收到调度帧的时间。增强的启动触发机制实施一种策略,以避免上文借助于图5所描述的冲突。因此,引入增强的触发节点60以在网络中与两个调度帧源一起使用,以便防止桥中的调度冲突。
在网络启动时建立共同时基之后,增强的触发节点60生成增强的触发报文61、62,并且将这些报文61、62发送至传输和转发调度帧的所有装置。发送至装置1和8的增强的触发报文61包含装置1和8必须发送其第一调度帧F1和F8_1的时间。传输至桥2、3、4、5的增强触发报文62包含它们将接收到调度帧F1和F8_1的时间。
增强触发报文61、62的格式类似于触发报文30。然而,报文ID是例如111,并且时间戳由或者十个字节或者20个字节构成。如果增强触发报文61将被传输至调度帧发送装置1、8且指示必须发送第一调度帧的时间,则时间戳基于十个字节。然而,发送至桥2、3、4、5的增强触发报文62需要20个字节,原因在于传输第一调度帧中的每一个将到达其输入端口处的两个时序数据。
增强的触发节点60确保装置1和8不同时发送第一调度帧。这通过提供由两个装置1、8进行的第一调度帧传输的开始之间的时间间隙70实现。时间间隙70被限定为小于T且大于最长的调度帧的传输延迟。
图7示出针对不同装置的时间线和帧的操纵。装置1处的状况在时间线71中示出,且针对装置8的状况在时间线78中示出。时间线72和73分别涉及桥2和3。
如在图7中能够看到的,当旨在由桥转发调度帧时,没有其他调度帧占用输出端口。因此,现在避免了任何调度冲突。此外,在任意桥2、3、4、5中,调度帧将以相同的次序到达。相同情形将在桥3、4、5中重复,因此在所有桥中避免调度冲突。
Claims (14)
1.一种用于在实现时间感知流量整形(TAS)的基于以太网的运载工具中网络(100)中的启动触发的方法,其中,所述网络(100)包括被配置成用于发送基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4、F8_1、F8_2)的至少一个装置(1;8)和配置成用于传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4;F8_1、F8_2)的至少一个桥(2、3、4、5),并且其中,所述至少一个装置(1)和所述至少一个桥(2、3、4、5)使用防护频带(16)用于确定必须发送或传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4)的时间,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
-向所述装置(1)传输触发报文(31),其中,所述触发报文(31)限定所述装置(1)必须开始发送其第一调度帧(F1)的时间(t21);
-相对于所传输的时间(t21)调整所述装置(1)的所述防护频带(16);
-向所述网络(100)中的至少一个桥(2、3、4、5)传输触发报文(32),其中,所述触发报文(32)限定所述桥(2、3、4、5)将接收到来自所述装置(1)的所述第一调度帧(F1)的时间(t22、t23、t24、t25;t22_1;t23_1);以及
-相对于所传输的时间(t22、t23、t24、t25;t22_1;t23_1)调整所述至少一个桥(2、3、4、5)的所述防护频带(16)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述网络(100)包括配置成用于发送基于TAS的帧的第一装置(1)和第二装置(8),并且其中,所述至少一个装置(1)和所述至少一个桥(2、3、4、5)使用第二防护频带(16)以便确定何时必须传输从所述第二装置(8)发出的基于TAS的帧(F8_1、F8_2),其特征在于
-所述方法包括限定时间间隙(70)和将所述第二装置(8)必须开始发送其第一调度帧(F1_8)的时间(t81)确定为所述第一装置(1)必须开始其第一调度帧(F1)的时间(t21)与所述时间间隙(70)之和的又一步骤;
-所述方法包括生成触发报文(61)和向所述第二装置(8)传输所述触发报文(61)的又一步骤,其中,所述触发报文(61)包括所述第二装置(8)必须开始发送其第一调度帧(F1_8)的时间(t81);
-被传输至所述至少一个桥(2、3、4、5)的所述触发报文(32;62)还包含所述桥(2、3、4、5)将接收到来自所述第二装置(8)的所述第一调度帧(F8_1)的时间(t22_2;t23_2);以及
-相对于所传输的时序数据(t22、t23、t24、t25;t22_1、t23_1、t22_2;t23_2)调整所述至少一个桥(2、3、4、5)的所述防护频带(16)。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述时间间隙(70)被确定为小于所述防护频带(16)的每一个周期的持续时间(T)且大于或等于最长的所述帧(F1、F2、F3、F4)的传输延迟。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法,其特征在于,在贯穿所述网络建立共同时基之后,传输所述触发报文(31、32;61、62)。
5.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的方法,其特征在于,所述触发报文(31、32;61、62)被同时传输。
6.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于,传输至所述至少一个桥(2、3、4、5)的所述时序数据(t22、t23、t24、t25;t22_1、t23_1、t22_2;t23_2)取决于以下特征确定:
-调度帧传输延迟(42);和
-如果所述触发报文(32;62)被传输至不是所述装置(1;8)的直接邻居的桥(3、4、5),则在调度帧到达所述桥的输入端口和其到达输出端口之间传输所需的时间间隔(43)。
7.在基于以太网的运载工具中网络(100)中的触发节点(30;60),其中,所述网络(100)包括配置成用于发送基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4、F8_1、F8_2)的至少一个装置(1;8)和配置成用于传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4;F8_1、F8_2)的至少一个桥(2、3、4、5),并且其中,所述至少一个装置(1)和所述至少一个桥(2、3、4、5)使用防护频带(16)以便确定何时必须发送或传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4),其特征在于,所述触发节点(30;60)包括用于以下特征的器件:
-生成触发报文(31、61)和向所述装置(1、8)传输所述触发报文(31、61),其中,所述触发报文(31、61)限定所述装置(1、8)必须开始发送其第一调度帧(F1、F8_1)的时间(t21);以及
-生成触发报文(32、62)和向所述网络(100)中的至少一个桥(2、3、4、5)传输所述触发报文(32、62),其中,所述触发报文(32、62)限定所述桥(2、3、4、5)将接收到来自所述装置(1、8)的所述第一调度帧(F1、F8_1)的时间(t22、t23、t24、t25;和t22_1;t23_1)。
8.根据权利要求7所述的触发节点(30;60),其特征在于,所述触发节点(30;60)包括用于执行根据权利要求1到6中的任一项所述的方法的器件。
9.在基于以太网的运载工具中网络(100)中的装置(1、8),其中,所述装置(1;8)被配置成用于发送基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4、F8_1、F8_2),所述网络(100)包括配置成用于传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4;F8_1、F8_2)的至少一个桥(2、3、4、5),并且其中,所述装置(1、8)和所述至少一个桥(2、3、4、5)使用防护频带(16)以便确定何时必须发送或传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4),其特征在于,所述装置(1、8)包括用于以下特征的器件:
-接收触发报文(31、61),其中,所述触发报文(31、61)限定所述装置(1、8)必须开始发送其第一调度帧(F1;F8_1)的时间(t21;t211);
-相对于传输时间(t21、t211)调整所述装置(1、8)的所述防护频带(16);
-根据所接收的时间(t21;t211)发送所述第一调度帧(F1;F8_1);以及
-根据所述防护频带(16)在后续周期中发送后续的帧。
10.根据权利要求9所述的装置(1、8),其特征在于,所述装置(1、8)包括用于执行根据权利要求1到6中的任一项所述的方法的器件。
11.在基于以太网的运载工具中网络(100)中的桥(2、3、4、5),其中,所述桥(2、3、4、5)被配置成用于传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4;F8_1、F8_2),所述网络(100)包括至少一个装置(1;8),其配置成用于发送基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4、F8_1、F8_2),并且其中,所述至少一个装置(1)和所述桥(2、3、4、5)使用防护频带(16)以便确定何时必须发送或传输基于TAS的帧(F1、F2、F3、F4),其特征在于,所述方法包括用于以下特征的器件:
-接收触发报文(32、62),其中,所述触发报文(32、62)限定所述桥(2、3、4、5)将从所述装置(1、8)接收第一调度帧(F1、F8_1)的时间(t22、t23、t24、t25;t22_1;t23_1);
-相对于所传输的时间(t22、t23、t24、t25;t22_1;t23_1)调整所述桥(2、3、4、5)的所述防护频带(16);
-根据所接收的时间(t22、t23、t24、t25;t22_1;t23_1)接收和转发所述第一调度帧(F1;F8_1);以及
-根据所述防护频带(16)在后续周期中发送后续的帧。
12.根据权利要求11所述的桥(2、3、4、5),其特征在于,所述桥(2、3、4、5)包括用于执行根据权利要求1到6中的任一项所述的方法的器件。
13.基于以太网的运载工具中网络(100),其特征在于,所述网络(100)包括
-至少一个装置(1;8),其根据权利要求9或10配置;
-至少一个桥(2、3、4、5),其根据权利要求11或12配置;以及
-触发节点(30;60),其根据权利要求7或8配置。
14.一种计算机可读媒介,其包括用于执行权利要求1到6中的任一项所述的方法的计算机可执行指令。
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