CN107040477B

CN107040477B - 在基于以太网的运载工具中网络中的调度帧的切换

Info

Publication number: CN107040477B
Application number: CN201610943120.4A
Authority: CN
Inventors: A.迪亚拉
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: EP3166255A1; CN107040477A; EP3166255B1

Abstract

本发明涉及在基于以太网的运载工具中网络中的调度帧的切换。为了在基于以太网的运载工具中网络（20）中切换进入的调度帧，其中，网络（20）包括配置成用于传输基于TAS的帧（F1、F2、F3）的至少一个桥（2、3、4、5），建议至少一个桥（2、3、4、5）检查进入的调度帧（F1、F2、F3）是否在撤销窗口的预定时间间隔（45）内到达，并且如果其已在撤销窗口内到达，则撤销帧（F1、F2、F3）。

Description

在基于以太网的运载工具中网络中的调度帧的切换

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进入调度帧（scheduled frame）的切换，其中，网络提供时间感知流量整形（TAS）且包括配置成用于传输基于TAS的帧的至少一个桥。

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。在没有TAS的情况下，任意高优先级流量（traffic）必须在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，例如在工业和机动车网络中（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机制，这意味着，每一个桥/开关均必须了解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（guardband），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。

TAS的主要特性中的一个是其保证端到端时延和时基抖动。然而，只要当网络的一部分，例如桥或发送装置不恰当地运转时，就可能不能保证时延和时基抖动。具体地，当相比于预期更迟地发送调度帧时，这可能导致一种状况，其中后续调度帧也相比于预期更迟地到达。而且，如果随后的帧发送得过晚，则总体误差可增大。例如如果存在在调度帧发送装置上运行的时间同步软件堆栈的功能异常，则可出现这些问题。甚至时间同步软件的重置也可引起这些结果。

发明内容

独立权利要求的方法和装置限定针对这种问题的解决方案。具体地，本发明的益处是改善要求极低时延和时基抖动的时间-和-安全重要的数据包的输送。因此其改善了运载工具中时间-和-安全重要的网络的可靠性和安全性。

根据本发明的一个方面，例如针对位于基于以太网的网络中的桥中的开关限定入口流量限制（ingress policing）构思，以便避免任何相当大的意外延迟，其否则将以不能接受的方式增大重要的调度帧的端到端时延和时基抖动。基本上，解决方案由检测在节点中相对于时间感知整形器的调度功能异常和及时撤销（drop）在错误的点处传输的任意调度帧组成，因此保护在正确的时刻传输的其它调度帧不发生意外的延迟。

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示出在基于以太网的运载工具中网络中的调度帧的操纵的示例；

图3示出由位于不恰当地工作的终端装置中的时间感知整形器所引起的效果的示例；

图4给出本发明的一些基本构思的概览；

图5示出所建议的发明对于源于不恰当地工作的装置的调度帧的操纵的效果；

图6给出位于桥中且配置成执行本发明的开关的一些元件的概览；以及

图7是示出创造性方法的实施例的一些步骤的流程图。

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t2-t_GB1（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14打开。该场景然后在后续周期中重复，例如，t3、t4、t5.....为了保证横跨多跳（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示出用于第一调度队列的门状态，以及基于时间线19示出另一调度队列的门状态。在这两个门状态图表中，字母'c'标记关闭的门，且字母'o'标记打开的门。从这些图表中能够看到，在每一个防护频带16处，所有门14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和分别对应于桥2到5的时间线22到25。时间线26对应于装置6。

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示出由桥2提供防护频带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示出其中装置1相比于预期更迟地传输调度帧F1的状况（时间线31）。帧F1也以虚线图示，以便相比于预期在时间t1处完成的计划调度时间示出传输的实际时间。这意味着，意外延迟被添加至该帧F1以及还有其它调度帧F2、F3的端到端时延，尽管是在计划时间点处传输这些帧F2、F3的。

时间线32示出假设装置1中没有故障发生的状况，这意味着所有帧F1、F2、F3均在正确时间到达，且能够因此根据内部防护频带16被传输。

时间线33示出其中帧F1到达过晚的状况。该问题能够由装置1的硬件或软件的运转中的任意问题引起。引起这种问题的一个示例可以是装置1的运转故障的同步软件堆栈。如图3中所示，帧F1相比于预期时间t1更迟地到达桥1的输入端口或入口端口处，其中时间t1是其调度到达时间。因此，当帧F1到达桥2的输出端口处时，门已经针对调度流量关闭。因此，帧F1必须等待直到下一个周期，下一个周期最初是针对帧F2的转发保留的。该状况可例如因为装置1的时间同步软件堆栈的重置而发生，这相应地可由装置1的基准时钟的不良的同步引起。在该示例中，在必须传输帧F2之前，装置1的内部时钟可以被调整到基准时钟。这意味着帧F2可在正确时间传输。然而，由于在帧F1仍然在等待传输的同时F2到达桥2的输出队列，因此帧F2必须等待直至帧F1被传输为止。如果在任意传输周期内仅可以传输一个调度帧，则该问题尤其显著。但是即使情况并非如此，帧F2将仍然在帧F1之后被转发，这导致调度转发时间的延迟。

在图3中示出的示例中，帧F2在时间t13处传输，该时间最初是针对帧F3的传输（时间线33）保留的。显然，对于要求极低时延和时基抖动的时间-和-安全重要的机动车应用而言，这种状况是不能够容忍的。不幸地是，不存在解决这种问题或者为其给出解决方案的与TAS相关的标准。

在此示出的解决方案将基于所谓的撤销窗口和到达窗口来描述。然而，这两个术语仅用于示出基本构思，这意味着存在针对确定应当撤销还是传输进入的帧所限定的至少一个时间间隔。

当前同步的品质影响时间感知整形器的时基抖动。在不同节点之间的同步误差是TAS的性能中的这种时基抖动的原因。在重要的应用中，不可以超过特定同步误差阈值。该最大可容许误差取决于应用。为了描述本发明的原理，假设最大可容许同步精确度被限定为+/-α，其表示在装置的时钟和网络的基准时钟之间的最大时间偏差。从这点导出在网络中的两个装置之间的最大可容许时钟偏差是2α。这在图5中关于帧F1用附图标记55标记。当然，其同样适用于帧F2和F3。

基于这些假设，建议限定到达窗口41和撤销窗口42，如图4中所示。有利地，到达窗口稍微大于2α，具体地其可以被限定为2α+余量（margin），其中，在图4中所示的示例中，余量是大于0的值。当然，余量也能够是等于0的值。在图4中所示的示例中，时间间隔2α+余量由箭头43图示。到达窗口41的时间间隔由箭头44图示，且撤销窗口42的时间间隔由箭头45指示。图4中也示出每一个周期的持续时间T。

在图5中，基于时间线52示出理想情形。在该情形中，调度帧F1、F2、F3中的每一个均在预期时间t1、t2、t3处到达，且分别在时间t11、t12、t13处转发。然而，在装置1和桥2之间存在同步误差的情形中，调度帧F1、F2、F3可在预期到达时间之前或之后到达桥2处。由于预期到达时间和实际到达时间之间的差异是至少2α，因此两个连续调度帧F1、F2、F3的到达之间的最大时间间隔至少等于T-2α，且具有最大值T+2α。相同的观测适用于操纵调度帧F1、F2、F3的任意两个直接链接的节点或桥2、3、4、5。

时间线53示出与图3中图示的时间线33相似的状况。然而，时间线54示出如果桥1被配置成利用到达窗口41（如时间间隔44图示）和撤销窗口42（如时间间隔45图示）则将发生什么情况。

能够总结出，所建议的入口流量限制包括设置被称为撤销窗口42的时间窗口，其中，在该时间间隔45内从装置1接收的所有调度帧F1、F2、F3均将被撤销。限定被称为到达窗口44的另一时间窗口为时间间隔44，其中，在该时间间隔44内到达的所有调度帧F1、F2、F3均将被接受且由接收装置（例如桥2）转发。该机制旨在于包括开关的桥中实现，其中开关负责网络流量的列队和转发。

只要当调度帧F1、F2、F3到达桥2的输入端口处，后续调度帧F2、F3就可最早在T-2α之后且最迟在T+2α处到达。因此，到达窗口41的间隔44优选地被设置为2α+余量，且撤销窗口42的时间间隔45优选地被设置为T-2α-余量。当然，余量能够等于0。根据这些撤销窗口42和到达窗口41配置的开关和桥确保在没有TAS的功能异常的情况下到达的调度帧将根据计划被传输，因为它们在到达窗口41内到达。然而，如果存在TAS功能异常，那么在有延迟的情况下到达的所有帧均将被撤销。如时间线54上所示，到达窗口44位于防护频带16内。

有利地，在所有桥2、3、4、5上执行所描述的机制，以便确保贯穿整个网络不存在意外的非确定延迟。

图6示出开关60的示例，其可在桥2、3、4、5中的任一个中实现。开关60具有输入端口61和输出端口62。开关60包括中央处理单元CPU 63，在其上执行建议的入口流量限制算法。CPU 63与地址总线64、控制总线65和数据总线66连接。

转发引擎67被示出为包括若干定时器68，其也被标记为pTimer，其控制开关中断控制器69。开关中断控制器69与CPU 63经由转发引擎接口70连接。

图6中所示的开关60可如下工作：

在每一个到达窗口41和撤销窗口42的末尾处，由对应的计时器68向CPU 63发送IRQ（中断请求）。在这种配置中，存在用于每一个输入端口61的计时器68，以设置到达窗口和撤销窗口的时间间隔。CPU 63执行ISR（中断服务程序），其对应于所建议的入口流量限制算法。ISR可包括以下步骤：

在已经接收IRQ之后，开关中断控制器69经由转发引擎接口70、数据总线66和控制总线65向CPU 63转发IRQ。转而，CPU 63经由接口70发送回所谓的中断应答。开关中断控制器69然后将地址发送至CPU 63，其对应于当前执行的IRQ。CPU 63将然后运行位于该地址处的ISR。

图7示出包括所建议的方法的实施例的一些步骤的流程图。在步骤100中，假设网络启动。在该步骤中，限定了第一调度帧F1在桥2中的预期到达时间t1，以及到达窗口41的末尾，其是t2。限定了周期计数器，且其以0开始。

在步骤101中，检查帧是否在到达窗口41内到达。如果情况不是这样，则在步骤102中检测到异常。否则，所接收的帧被传输到输出端口62，且被转发至例如桥3。撤销窗口42在到达窗口41之后。在步骤104中，检查帧是否在撤销窗口45的时间间隔44期间到达。如果一个或多个帧已在时间间隔44期间到达，则这些帧将在步骤105中被撤销。已经到达撤销窗口42的末尾时，方法继续到步骤101，这意味着在后续到达窗口41开始的情况下，再次检查帧是否在到达窗口41内到达。

当然，如上文所描述的实施例的元件能够组合以提供更多的实施例。并且尽管方法的示例性实施例和网络的各种部件已经在附图中图示且在前述详细描述中描述，但是将理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是包括如以下权利要求所阐述和限定的许多重新配置、改型和替代物。例如，图7中所示的流程图当然仅粗略地描述了所建议的方法的真实实施方案。对于图6中所示的系统也同样如此。然而，本领域技术人员应当能够完全地理解本发明的原理，并且也应当能够实现本发明。

Claims

1.一种用于在基于以太网的运载工具内网络（20）中切换进入的调度帧的方法，其中，所述网络（20）包括配置成用于传输基于TAS的帧（F1、F2、F3、F4）的至少一个桥（2、3、4、5），其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：

-由所述至少一个桥（2、3、4、5）检查进入的调度帧（F1、F2、F3、F4）是否在撤销窗口（42）内到达；以及

-如果所述帧（F1、F2、F3、F4）已在所述撤销窗口（42）内到达，则撤销所述帧（F1、F2、F3、F4）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个桥（2、3、4、5）使用防护频带（16）以便确定必须发送或传输基于TAS的帧（F1、F2、F3、F4）的时间点，其特征在于，相对于所述防护频带（16）限定所述撤销窗口（42）和/或到达窗口（41）。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述网络（20）的用于发送所述帧的终端装置（1）的内部时钟的时间和所述网络（20）内的基准时间之间的最大偏差是+/-α，其特征在于，所述撤销窗口（42）的时间间隔（45）的长度小于T-2α，并且其中，1/T是所述防护频带（16）的频率。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述网络（20）的用于发送所述帧的终端装置（1）的内部时钟的时间和所述网络（20）内的基准时间之间的最大偏差是+/-α，其特征在于，还传输在到达窗口（41）内到达的帧（F1、F2、F3、F4），其中，所述到达窗口（41）的时间间隔（44）的长度等于或大于2α，并且其中，1/T是所述防护频带（16）的频率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述撤销窗口（42）的长度是T-2α-余量，和/或所述到达窗口（41）的长度是2α+余量，并且其中，余量是大于或等于零的值。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，使用计时器（68）确定所述撤销窗口（42）的开始和/或所述撤销窗口（42）的末尾和/或所述到达窗口（41）的开始和/或所述到达窗口（41）的末尾。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，针对桥（2、3、4、5）的每一个端口限定单独的计时器（68）。

8.在基于以太网的运载工具内网络（20）中的桥（2、3、4、5）内的开关（60），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），其特征在于，所述开关（60）包括用于执行根据权利要求1到7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内网络（20）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），其特征在于，所述桥包括根据权利要求8所述的开关（60）。

10.基于以太网的运载工具内网络（20），其特征在于，所述网络（20）包括至少一个根据权利要求9所述的桥（2、3、4、5）。

11.一种计算机可读媒介，其包括用于执行权利要求1到7中的任一项所述的方法的计算机可执行指令。