CN107241179A - 一种时间触发业务静态调度表的生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空电子技术领域，公开了一种时间触发业务静态调度表的生成方法，将时间触发以太网的基本周期等分为多个时隙，每个时隙满足最大以太网帧的在一跳链路的传输；根据TT任务的周期大小和数据帧长度来决定任务的调度顺序，对TT任务进行调度优先级排序，依次为每一个TT任务在其传输路径上的每一跳链路安排最靠左的传输时隙，最大程度减小TT业务所占据的时间区间长度，保证所有TT任务被有序、无冲突地传输。本发明解决了TT业务的调度问题，使得各个终端节点能够有序、无冲突地传输所有TT任务；减小ET业务的等待延迟，提高了ET业务的实时性；同时节省的网络带宽可用于更多业务的传输，提高网络链路利用率。

Description

一种时间触发业务静态调度表的生成方法
技术领域
本发明属于航空电子技术领域，尤其涉及一种时间触发业务静态调度表的生成方法。
背景技术
时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)是在IEEE802.3标准基础上实现的基于时间触发协议的实时网络技术。TTE网络完全兼容既有的传统以太网技术和AFDX网络，支持多种混合安全关键性业务的传输。比如时间触发(Time-Triggered，TT)、速率受限(Rate Constrained，RC)和尽力传(Best Effort,BE)业务，其中RC和BE同为事件触发(Event-Triggered，ET)业务。未来统一机载网络是一种新兴航空电子系统通信网络。目前，基于波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)和TTE相结合的机载网络架构成为统一机载网络的研究热点。其中，骨干网采用WDM技术，接入网中采用TTE技术。WDM技术传输带宽高、重量轻、扩展性好和快速重构能力；TTE技术满足下一代机载网络对安全关键性业务的要求，时间触发业务常用于此安全关键性业务的传输，比如飞机控制命令，数据传输率可达1Gbps，同时具有高可靠性和确定性。时间触发业务采用静态调度方式，系统运行前需要为所有TT业务配置静态调度表，系统中其它业务即在该静态调度表的基础上，通过表中的空闲时隙进行传输。因此，时间触发业务的合理调度对于航空电子系统的整体性能有重要影响。传统的时间触发业务调度算法常采用分区调度的方式，通常人为地将基本周期划分为用于TT业务传输的TT段和用于RC/BE业务传输的ET段。同时将TT段均等划分为能够满足一个最大以太网帧从源端到目的端整条传输路径的时隙长度。如果传输路径过长，时隙需要设置很大才能保证TT任务的正常调度，那么对于传输路径很短或者帧长较小的TT任务来说，设置如此长度的时隙无疑是对网络传输带宽巨大的浪费，无法满足更大规模任务调度需求。同时对于RC/BE任务来说，需要经过很长的等待延迟才能被调度，无法满足传输实时性要求。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统TT任务的分区调度方式，没有充分利用链路传输带宽，存在链路利用低且影响ET任务传输实时性的问题，无法满足日益增长的业务调度需求以及实时业务的传输时延要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种时间触发业务静态调度表的生成方法。
本发明是这样实现的，一种时间触发业务静态调度表的生成方法，所述时间触发业务静态调度表的生成方法将时间触发以太网的基本周期等分为多个时隙，每个时隙满足最大以太网帧的在一跳链路的传输；根据TT任务的周期大小和数据帧长度来决定任务的调度顺序，对TT任务进行调度优先级排序，依次为每一个TT任务在其传输路径上的每一跳链路安排最靠左的传输时隙，最大程度减小TT业务所占据的时间区间长度，保证所有TT任务被有序、无冲突地传输。
进一步，所述时间触发业务静态调度表的生成方法包括以下步骤：
步骤一，初始化：
为每一个节点初始化一个空白的调度表，每一个终端都有发送表和接收表，每两个交换机之间都有转发表，一个TTE网络中有n个周期性TT任务，TT任务集和其对应的周期分别为：
M＝{M1,M2,...,Mn}；
T＝{T1,T2,...,Tn}；
基本周期：将所有TT任务周期的最大公约数作为调度表的基本周期值：
TMC＝LCM(T1,T2,...,Tn)；
矩阵周期：将所有TT任务周期的最小公倍数值作为调度表的矩阵周期值：
TBC＝GCD(T1,T2,...,Tn)；
矩阵周期与基本周期的比值作为空白调度表的行数：
每一个基本周期被均分为若干个时隙，每一个时隙至少可以容纳最大以太网帧的传输。
步骤二，为所有TT任务安排静态调度优先顺序，根据TT任务的周期大小和数据帧长度来决定任务的调度顺序。通信任务的周期越小，调度优先级越高，对于周期值相同的任务，数据帧长度越大，调度优先级越高，根据此规则来对所有TT业务的调度顺序进行优先级排序；
步骤三，按照优先级顺序，依次为TT任务计算其传输路径所经节点的空闲时隙表
步骤四，根据空闲时间表，为TT任务传输路径的每一段链路安排时隙；
步骤五，判断TT任务是否全部调度完毕，如果否，转至步骤三；否则转步骤六；
步骤六，所有TT任务调度完毕。
进一步，所述步骤三具体包括：
1)通过最短路径算法，确定TT任务的传输路径；
2)标记该传输路径所经过的所有节点，对所经节点的相应调度表的空闲时隙进行标记；
3)对标记的空闲时隙进行相与运算，得到传输路径所经所有节点的共有空闲时隙表。
进一步，所述步骤四具体包括：
1)计算TT任务在静态调度表中所需的传输时隙数量Ni；
其中，Ti为调度TT任务的周期；
2)在空闲时隙表从左向右按列依次搜索时隙列，从表中选择所有能够满足TT任务调度要求的时隙列作为备选列。包括TT任务的周期要求，同一列相邻传输时隙之间的间隔必须等于Ni-1；同时传输路径所经节点的传输时隙应该是在同一个基本周期内，时隙列号依次递增加1；如果没有符合要求的备选时隙列，则TT任务调度失败；
3)从源端发送表的所有备选列中，选择编号最小的发送时隙列，在该列中选择行编号最小的时隙作为该任务的发送时隙，以该发送时隙的所在列为基准，相隔Ni-1行再标注该任务在发送表的第2个传输时隙，直到标注完成Ni个传输时隙；
4)根据该发送时隙在静态调度表中的位置，依次为传输路径的其它节点安排传输时隙，后续节点的传输时隙与其前一个节点传输时隙处于相同的基本周期，并且列编号依次增1。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述时间触发业务静态调度表的生成方法的时间触发以太网。
本发明的优点及积极效果为：将时间触发以太网的基本周期等分为多个时隙，每个时隙满足最大以太网帧的在一跳链路的传输。比如本文静态表下的时隙长度为50μs，传统方法在传输三跳时需设置时隙长125μs，比传统方法时隙长度减小了50％以上；在此基础上，通过对TT任务进行调度优先级排序，依次为每一个TT任务在其传输路径上的每一跳链路安排最靠左的传输时隙，最大程度减小TT业务所占据的时间区间长度，比如源端1的TT段相比传统方法减小了66％；在保证所有TT任务有序、无冲突地传输的前提下，为网络预留更多的带宽资源，满足更多航电网络的传输，比如源端1还可以最多可动态添加15个周期为1的TT任务，比传统方法多了80％；减小ET业务的等待延迟，比如在TT段只能传输TT帧的情况下，源端1中ET业务的等待延迟比传统方法减小了超过50％，提高了ET业务的实时性。
本发明通过将基本周期等分为可以保证一个最大以太网帧在一跳链路传输的时隙大小，使得静态调度表成为一个有序的时隙序列。对所有TT业务进行调度优先级排序，依次对每一个TT任务在其传输路径的每一段链路选择合理的传输时隙，保证所有TT任务可以被有序、无冲突地传输，从而生成一个高效的静态调度表。本发明不仅可以保证安全关键性业务传输的合理性和可靠性，原有TT任务不仅可以被正常调度完成，同时为网络剩余了更多的传输带宽，这些网络资源不仅可以用于突发业务的传输，同时可以满足更多ET业务的传输，提高网络的资源利用率。由于TT业务所占据的TT段时间长度被有效压缩，因此本发明可以减小ET业务因为等待TT任务调度所需的等待时间，有利于减小ET业务在最坏情况下的等待延迟，提高ET业务传输的实时性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的时间触发业务静态调度表的生成方法流程图。
图2是本发明实施例提供的网络拓扑图。
图3是本发明实施例提供的静态调度表示意图。
图4是本发明实施例提供的时间触发业务静态调度表的实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的时间触发业务静态调度表的生成方法包括以下步骤：
S101：为所有TT任务安排静态调度优先顺序；
S102：按照优先级顺序，依次为TT任务计算其传输路径所经节点的空闲时隙表；
S103：根据空闲时间表，为TT任务传输路径的每一段链路安排时隙；
S104：判断TT任务是否全部调度完毕，如果否，转步骤S102；否则转步骤S105；
S105：所有TT任务调度完毕。
本发明适用于TTE网络安全关键性TT业务的静态调度表的生成，基于以下假设说明：
(1)所有TT业务是以存储转发的方式进行调度；
(2)每一个终端都有调度表，如果该调度表是源端到与其相连的交换机之间的调度表，称为源端的发送表，如果是目的端和与其相连的交换机之间的调度表，称之为目的端的接收表。
(3)转发表是指相邻的两个交换机之间的转发表，两个相邻的交换机之间公用一张转发表，即前者交换机的发送表等于后者交换机的接收表。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
TTE网络拓扑如图2所示，TT任务集如表1所示。
表1TT任务集
(1)初始化：所有TT任务的最大公约数为1，最小公倍数为8，所以TBC＝1ms，TMC＝8ms。以最大传输以太网520Byte计算，传输带宽为100Mbps，则每一个时隙长度大约为50us，每一个基本周期有20个时隙。因此，为每个终端节点初始化一个8行20列的发送表和接收表，为每一个交换机初始化一个8行20列的空白转发表，如图3所示。
(2)对所有TT任务进行调度优先级排序，周期值越小，优先级越高；帧长越长，优先级越高。以上TT任务集的调度顺序为(按TT任务编号排序)2,14,3,6,8,11,12,13,1,4,5,7,10,15,16,9。
(3)按照调度顺序，以TT4为例，其传输路径经过的节点依次为ES1，SW1，SW3，ES7。对这些节点的空闲时隙做出标记，然后相与，获得传输路径所有节点的共有空闲时隙表。对该空闲表从左向右依次按列搜索，得到符合要求最靠左的传输时隙。为保证TT通信行为的实时性，将TT任务传输路径所经的所有节点(包括源端、交换机、目的端)的静态表的时隙位置列编号依次递增，递增值为1。每一段传输链路所占用的时隙在调度表是同行不同列，列下标随着传输路径方向依次递增加1，由此方法得到TT4的转发时隙。
(4)按照TT任务的调度顺序，与步骤(3)类似，依次对TT任务进行时隙安排。若能安排符合要求的时隙，则任务调度成功，否则任务调度失败。
根据上述步骤，可得到节点调度表。以终端1发送表、终端7接收表及SW1和SW3之间的转发表为例，分别如表2、表3、表4所示，注：空白时隙为未被使用的时隙，可用于ET业务的传输。
表2终端1的发送表
时隙1 时隙2 时隙3 时隙4 时隙5 时隙6 … 时隙20
第1行 TT2 TT3
第2行 TT2 TT1 TT4
第3行 TT2 TT3
第4行 TT2 …
第5行 TT2 TT3
第6行 TT2 TT1 TT4
第7行 TT2 TT3
第8行 TT2
表3终端7的接收表
时隙1 时隙2 时隙3 时隙4 时隙5 时隙6 … 时隙20
第1行 TT2 TT3 TT8 TT7
第2行 TT16 TT2 TT6 TT10
第3行 TT2 TT3 TT8
第4行 TT2 TT6 TT5 …
第5行 TT2 TT3 TT8
第6行 TT16 TT2 TT6 TT10 TT7
第7行 TT2 TT3 TT8
第8行 TT2 TT6 TT5
表4 SW1和SW3之间的转发表
时隙1 时隙2 时隙3 时隙4 时隙5 时隙6 … 时隙20
第1行 TT2 TT3 TT8 TT7
第2行 TT2 TT6 TT4
第3行 TT2 TT3 TT8
第4行 TT2 TT6 TT5 …
第5行 TT2 TT3 TT8 TT7
第6行 TT2 TT6 TT4
第7行 TT2 TT3 TT8
第8行 TT2 TT6 TT5
如图4所示，本发明实施例的实现步骤如下：
步骤一，初始化。具体实现为：
为每一个节点初始化一个空白的调度表。每一个终端都有发送表，每一个交换机都有转发表。假设一个TTE网络中有n个周期性TT任务，TT任务集和其对应的周期分别为：
M＝{M1,M2,...,Mn}；
T＝{T1,T2,...,Tn}；
基本周期(Basic Cycle)：将所有TT任务周期的最大公约数作为调度表的基本周期值：
TMC＝LCM(T1,T2,...,Tn)；
矩阵周期(Matrix Cycle)：将所有TT任务周期的最小公倍数值作为调度表的矩阵周期值：
TBC＝GCD(T1,T2,...,Tn)；
矩阵周期与基本周期的比值作为空白调度表的行数：
每一个基本周期被均分为若干个时隙，每一个时隙至少可以容纳最大以太网帧的传输。
步骤二，为所有TT任务安排静态调度优先顺序。具体实现为：
根据TT任务的周期大小和数据帧长度来决定任务的调度顺序。通信任务的周期越小，调度优先级越高。对于周期值相同的任务，数据帧长度越大，调度优先级越高。根据此规则来对所有TT业务的调度顺序进行优先级排序。
步骤三，按照优先级顺序，依次为TT任务计算其传输路径所经节点的空闲时隙表。具体实现为：
1)通过最短路径算法，确定TT任务的传输路径；
2)标记该传输路径所经过的所有节点，对所经节点的相应调度表的空闲时隙进行标记；
3)对标记的空闲时隙进行相与运算，得到传输路径所经所有节点的共有空闲时隙表。
步骤四，根据空闲时间表，为TT任务传输路径的每一段链路安排时隙。具体实现为：
1)计算TT任务在静态调度表中所需的传输时隙数量Ni；
其中，Ti为调度TT任务的周期。
2)在空闲时隙表从左向右按列依次搜索时隙列，从表中选择所有能够满足TT任务调度要求的时隙列作为备选列。包括TT任务的周期要求，同一列相邻传输时隙之间的间隔必须等于Ni-1；同时传输路径所经节点的传输时隙应该是在同一个基本周期内，时隙列号依次递增加1。如果没有符合要求的备选时隙列，则TT任务调度失败。
3)从源端发送表的所有备选列中，选择编号最小的发送时隙列，在该列中选择行编号最小的时隙作为该任务的发送时隙，以该发送时隙的所在列为基准，相隔Ni-1行再标注该任务在发送表的第2个传输时隙，直到标注完成Ni个传输时隙；
4)根据该发送时隙在静态调度表中的位置，依次为传输路径的其它节点安排传输时隙，后续节点的传输时隙与其前一个节点传输时隙处于相同的基本周期，并且列编号依次增1。
步骤五，判断TT任务是否全部调度完毕，如果否，转至步骤三；否则转步骤六；
步骤六，所有TT任务调度完毕。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种时间触发业务静态调度表的生成方法，其特征在于，所述时间触发业务静态调度表的生成方法将时间触发以太网的基本周期等分为多个时隙，每个时隙满足最大以太网帧在一跳链路的传输；根据TT任务的周期大小和数据帧长度来决定任务的调度顺序，对TT任务进行调度优先级排序，依次为每一个TT任务在其传输路径上的每一跳链路安排最靠左的传输时隙，最大程度减小TT业务所占据的时间区间长度，保证所有TT任务被有序、无冲突地传输。
2.如权利要求1所述的时间触发业务静态调度表的生成方法，其特征在于，所述时间触发业务静态调度表的生成方法包括以下步骤：
步骤一，初始化：
为每一个节点初始化一个空白的调度表，每一个终端都有发送表和接收表，每两个交换机之间都有转发表，一个TTE网络中有n个周期性TT任务，TT任务集和其对应的周期分别为：
M＝{M1,M2,...,Mn}；
T＝{T1,T2,...,Tn}；
基本周期：将所有TT任务周期的最大公约数作为调度表的基本周期值：
TMC＝LCM(T1,T2,...,Tn)；
矩阵周期：将所有TT任务周期的最小公倍数值作为调度表的矩阵周期值：
TBC＝GCD(T1,T2,...,Tn)；
矩阵周期与基本周期的比值作为空白调度表的行数：
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
每一个基本周期被均分为若干个时隙，每一个时隙至少可以容纳最大以太网帧的传输；
步骤二，为所有TT任务安排静态调度优先顺序，根据TT任务的周期大小和数据帧长度来决定任务的调度顺序，通信任务的周期越小，调度优先级越高，对于周期值相同的任务，数据帧长度越大，调度优先级越高，根据此规则来对所有TT业务的调度顺序进行优先级排序；
步骤三，按照优先级顺序，依次为TT任务计算其传输路径所经节点的空闲时隙表；
步骤四，根据空闲时间表，为TT任务传输路径的每一段链路安排时隙；
步骤五，判断TT任务是否全部调度完毕，如果否，转至步骤三；否则转步骤六；
步骤六，所有TT任务调度完毕。
3.如权利要求2所述的时间触发业务静态调度表的生成方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
1)通过最短路径算法，确定TT任务的传输路径；
2)标记该传输路径所经过的所有节点，对所经节点的相应调度表的空闲时隙进行标记；
3)对标记的空闲时隙进行相与运算，得到传输路径所经所有节点的共有空闲时隙表。
4.如权利要求2所述的时间触发业务静态调度表的生成方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
1)计算TT任务在静态调度表中所需的传输时隙数量Ni；
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，Ti为调度TT任务的周期；
2)在空闲时隙表从左向右按列依次搜索时隙列，从表中选择所有能够满足TT任务调度要求的时隙列作为备选列，包括TT任务的周期要求，同一列相邻传输时隙之间的间隔必须等于Ni-1；同时传输路径所经节点的传输时隙应该是在同一个基本周期内，时隙列号依次递增加1；如果没有符合要求的备选时隙列，则TT任务调度失败；
3)从源端发送表的所有备选列中，选择编号最小的发送时隙列，在该列中选择行编号最小的时隙作为该任务的发送时隙，以该发送时隙的所在列为基准，相隔Ni-1行再标注该任务在发送表的第2个传输时隙，直到标注完成Ni个传输时隙；
4)根据该发送时隙在静态调度表中的位置，依次为传输路径的其它节点安排传输时隙，后续节点的传输时隙与其前一个节点传输时隙处于相同的基本周期，并且列编号依次增1。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述时间触发业务静态调度表的生成方法的时间触发以太网。
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