CN107786457B - 高速以太网确定性高带宽数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种高速以太网确定性高带宽数据传输方法，旨在提供一种能够避免数据阻塞、拥有更高网络带宽容量的高速以太网确定性高带宽数据传输方法。本发明通过下述技术方案予以实现：将连接到同一个交换机的所有节点组成一个交换域，各个交换域内的多个节点之间构成一个按照时隙规划同时进行时间触发数据传输的立体式交叉传输网络；将高速以太网的一个总线周期分为独占式时分复用时隙、交换式时分复用时隙两个部分；在交换式时分复用时隙内，各个交换域同时进行交换域内的数据传输，在该时隙内的任何时刻，同一交换域内的多个节点之间同时在进行时间触发数据传输，且同时进行传输的数据包目的地址均不相同，共享同一个交换域内的立体式交换网络带宽。

Description

高速以太网确定性高带宽数据传输方法
技术领域
本发明涉及一种以太网确定性传输方法，特别是航空机载全双工交换式高速以太网中高确定性高带宽的传输方法。
背景技术
以太网拥有通信速率高、成本低、实现简单等优点，有着广泛的商业支持，在科研、医疗、金融、工业等方面都有着广泛的应用。以太网技术经过了40多年的发展，10G以太网技术已在民用领域全面铺开，40G技术也开始走向研究和应用。传统以太网尽管有很多优势，但不能直接应用于机载航空电子系统中。普通以太网对数据传输确定性要求不高(确定性是指网络中任何节点，在任何负载情况下都能在规定时间内将数据发送到目的节点)，然而在航空机载应用中，不但要求总线网络传输速率高，而且还要求数据传输具有确定性，以支持高速实时数据传输的应用场景。
早期的以太网是一种共享型网络，核心技术是CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)介质访问机制，即带有冲突检测的载波侦听多路访问方法。CSMA/CD是一种争用协议，网络中的所有节点争用同一个信道，都能独立决定是否发送信息，如果有两个以上的节点同时发送信息就会产生冲突.一旦发生冲突，同时发送的所有信息都会出错，本次发送宣告失败。每个节点必须有能力判断冲突是否发生，如果发生冲突，则应等待随机时间间隔后重发，以免再次发生冲突。以太网数据传输不具有确定性，因此通常被视为“非确定性”的网络。
普通以太网的“不确定性”是应用于工业控制网络的主要障碍。工业控制是一种典型的实时应用场景，根据向网络上发送信息的特点，可以分为周期性信息和非周期性信息。周期性信息通常按照一定的时间间隔触发，实时性要求较高，并对执行时间有严格要求，同时信息的传送有一定的顺序性，信息流有明显的方向性；非周期信息随机触发，对实时性要求不高，但需保证可靠性。普通以太网由于具有时间不确定性，不能支持对实时性要求较高的信息传输，在工业控制领域的应用受到了一定的限制。
随着交换式局域网技术的兴起，网络拓扑结构采用星型代替总线型，通信过程中采用了全双工通信技术，为解决以太网传输的不确定性提供了技术支持。全双工交换技术的应用，将网络冲突域细化，每个端口都是一个冲突域，通过交换机可以对每个冲突域进行隔离，交换机每一个端口之间能同时产生多个数据通道，端口之间信息、报文的输入和输出不再受到CSMA/CD介质访问控制协议的约束。以太网交换机在数据链路层将其网络端口划分为许多物理上互相隔离，而逻辑上互相联系的全双工通道，每个节点都可以独享信道，独享带宽，提高了各个节点的数据吞吐量，网络的总带宽通常为各个交换机端口带宽之和，完全避免了传输冲突，交换式以太网(Switched Ethernet)的出现使得以太网数据传输获得了一定程度的确定性。
高速以太网(1G/10G+)采用了交换式全双工通信方式，消除了冲突，数据通信的确定性大大提高，但也存在着一定的局限性：以太网交换机的存储转发机制同样使通信延迟具有不确定性。通信延迟的不确定性主要来自于其排队延迟，无论采用哪种存储转发机制，当同时来自于多个端口的报文需要向同一个端口转发时，交换机就必须将这些报文进行排队缓冲，并依次转发。所以，以太网交换机的存储转发机制同样使通信延迟具有不确定性。
为了在机载环境中使用成熟的以太网技术，就需要解决以太网数据传输不确定性问题。传统的以太网采用事件触发的传输机制，数据传输具有不确定性和不可预知性的特点，时分复用(TDM，Time Division Multiplexing)技术可以很好的解决以太网数据传输不确定性问题，该方法是将整个信道传输信息的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给各个节点使用，每个节点在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用的特点是独占时隙，而信道资源共享，时隙事先规划并分配好，每个节点使用的时隙不重叠。时分复用传输是改善网络数据传输不确定性的一个有效方法，采用时分复用的时间触发以太网技术(TTE,Time-Triggered-Ethernet)获得了越来越广泛的关注和应用。TTE技术基于商用以太网互联标准和通用化硬件，以时间触发代替事件触发，将通信任务通过合理的调度定时触发数据发送，并可以兼容全双工交换式以太网(AFDX，Avionics Full DuplexSwitched Ethernet)和普通以太网。时间触发的目的在于通过全局时钟精确同步，网络中节点都使用预先分配的时隙进行通信，周期性的数据传输操作构成一个时分多址周期，可有效避免数据帧争用物理链路，保证通信延迟的确定性。时间触发与事件触发相比在系统确定性、可靠性、实时性上有很大优势，目前TTE支持100Mbps/1Gbps的速率，该技术在工程中已得到了成功应用。
时间触发传输机制通过分时复用的方法，解决了网络可能存在的冲突、数据帧拥塞排队问题，在一段时隙内由一个节点独占整个网络，可以很好的解决以太网数据传输的不确定性问题，对于低速以太网该方法非常适用。而当前的高速以太网普遍采用了基于空分交换结构交换机的全双工交换网络，当两个节点通过交换机传输数据时，事实上通过交换机其它端口进行互联的多对节点之间仍可同时传输数据，且互不影响。基于全双工交换的高速以太网若仍采用简单的时间触发分时独占网络的传输方式，则不能充分发挥全双工交换高速以太网的优势，会大大的降低网络总带宽容量。
发明内容
本发明的目的是针对全双工交换式高速以太网，采用独占式时分复用传输机制导致网络带宽容量受限的问题，提供一种能够避免数据阻塞、拥有更高网络带宽容量、同时兼顾数据确定性传输的高速以太网确定性高带宽数据传输方法。
本发明上述目的可以通过以下措施来达到，一种高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：网络中的交换机将网络分成多个交换域，将连接到同一个交换机的所有节点组成一个交换域，每个交换域构成一个子网，各个子网内的多个节点之间构成一个按照时隙规划同时进行时间触发数据传输的立体式交叉传输网络；将高速以太网的一个总线周期分为独占式时分复用时隙、交换式时分复用时隙两个部分，其中，独占式时分复用时隙包括了广播/组播时隙、经过至少两个交换机进行传输的跨交换机传输时隙两个部分，分别传输广播包/组播数据包和跨交换机传输的数据包；独占式时分复用时隙内分时传输广播包/组播数据包和跨交换机传输的数据包，且在该时隙内的任何一个时刻仅有一个节点在网络上发送数据，独占整个网络；在交换式时分复用时隙内，按照不同的交换域，各个交换域同时进行交换域内的数据传输，且各交换域内的节点按照时隙规划进行时间触发并行数据传输，在该时隙内的任何时刻，同一交换域内的多个节点之间同时在进行时间触发数据传输，且同时进行传输的数据包目的地址均不相同，共享同一个交换域内的整个立体式交换网络带宽。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
可避免数据阻塞，网内所有数据传输均具有时间确定性。本发明将高速以太网的一个总线周期分为了独占式时分复用时隙、交换式时分复用时隙两个部分。总线周期及两部分时隙的长度可根据具体应用需要进行调整并确定。独占式时分复用时隙分给广播包/组播数据包和跨交换机进行传输的数据包使用，这类数据包在传输时独占整个网络，且分时进行数据传输；而在交换式时分复用时隙内，按照不同的交换域，各个交换域同时进行交换域内的数据传输，且在同一交换域内各个节点分时互传数据包(非独占式，多个节点之间同时分时传输数据)。在交换式时分复用时隙内，同一交换域(通过同一交换机互联)内的多个节点之间，可以同时进行无阻塞的分时数据传输，该时隙内的任何时刻多个节点可同时发送数，但数据发送的目的地址均不相同，通过全双工交换机形成立体式的数据交叉传输，各个节点在该时隙内分时将数据发送到不同的目的节点，不存在数据阻塞。该方式实现了全网的时间触发数据传输，不会出现网络拥塞，所有数据传输都具有时间确定性。
拥有更高的网络带宽容量。本发明综合考虑了网络带宽容量及确定性传输，充分利用了交换式网络的优势，将网络分成各个交换域(按交换机进行划分)，根据组网的交换机，将网络上的节点分成多个域(可理解为多个子网)，在每个交换域内，多个节点之间按照时隙规划，可以互不影响的同时进行时间触发数据传输。在交换式时分复用时隙内，同一个域内的多个节点均通过同一个交换机进行互联，各个域可以互不影响的进行各自域内的数据传输，该时隙内各个域之间不存在数据传输。域内节点之间的数据传输根据无阻塞原则进行时分复用时隙规划(具体无阻塞时隙规划方法见实施方式部分)，同一时刻仅有一个节点将数据发到同一目的节点，域内的多个节点之间通过交换机实现多路数据并发传输，在保证数据传输确定性的同时还提升了网络总带宽容量。通过统一时隙规划可实现全网数据的确定性高速传输，且比普通的独占式时间触发传输拥有更高的网络带宽容量。
本发明可满足高带宽、且同时兼顾确定性数据传输的需求，还可推广应用到其它基于全双工交换的高速网络中，如光纤网络等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明所提出的网络时隙分配示意图。
图2是网络交换域划分示意图。
图3是各个域内的交换式时分复用传输时隙规划。
图4是一个总线周期网络的传输时隙分配示意图。
图5是网络节点发送缓冲区配置示意图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，将一个总线周期分成两个部分：独占式时分复用时隙、交换式时分复用时隙。独占式时分复用时隙用于传输广播包和跨交换机进行传输的数据包，这类数据包在传输时独占整个网络，分时进行数据传输。独占式时分复用时隙包括：广播/组播时窗和跨交换机传输时窗，跨交换机是指经过两个及以上的交换机。交换式时分复用时隙为交换域时间窗，在交换式时分复用时隙，各个交换域内节点分时并行传输数据包，通过交换机实现多个节点之间同时进行数据传输，共享整个交换式网络带宽。
参阅图2。按照交换机可将网络划分为多个交换域，连接到同一个交换机的所有节点组成一个域，每个交换域构成一个子网，通过高速交换机形成多个节点之间按照时隙规划，同时进行时间触发数据传输的立体式数据交叉传输网络。当各个交换域之间没有数据通信时，各个交换域可分别同时进行域内的数据传输，且互不影响。在交换式时分复用时隙内，同一个域内的节点，比如节点2和节点5之间、节点1和节点4之间可以同时互不影响的传输数据。
参阅图3。为便于理解，图3中示例了域内5个节点的发送时隙分配情况，从图中可以看出每个发送时隙中，5个节点发送的目的节点均不相同，不存在同一时刻有多个数据包发往同一个节点的情况。
为避免发送到同一个交换机端口，造成端口数据缓冲排队，甚至造成阻塞，同一个域内，对交换式时分复用时隙的时间进行统一规划，使域内的所有节点可同时发送数据，且发送数据的目的地址不同。交换式时分复用的时隙规划具体包括：
步骤1，等额时隙复用划分。在交换式时分复用的时隙规划中，将域内的节点时隙等额划分为N-1个相同长度时隙。在同一个时隙，N个节点发送的目的节点均不相同，且有很多种组合方式，N为一个域内的节点数量(节点号为1～N之间的编号)。对于域内的每个节点时隙分配都有N-1个可传输的对象，在同一个时隙，N个节点发送的目的节点均不相同，有很多种组合方式，本实施例选用一种易操作的方式：
在第1个时隙，节点1发数据给节点2，节点2发数据给节点3，依次类推，节点i在第1个时隙将数据发送给节点i+1，节点N发数据给节点1；
在第2个时隙，节点1发送数据给节点3，节点2发数据给节点4，依次类推，节点i在第2个时隙将数据发送给节点i+2，节点N发数据给节点2，以此递推方式，将N-1个时隙进行分配，并可用以下具有N行，N-1列的矩阵形式来描述节点时隙的分配。N-1列的矩阵形式如矩阵A所示
Figure BDA0001409535400000051
矩阵共N-1列表示时间轴上的N-1个时隙，矩阵中的每一列表示了对应时隙各个节点数据发送的目的节点号，矩阵每一行表示一个节点的时隙分配顺序，第一行表示节点1的时隙分配顺序，第二行表示节点2的时隙分配顺序，第N行表示节点N的时隙分配顺序，依次类推。例如，节点1的时隙分配顺序为[2,3,4…N-2,N-1,N]，分配了N-1个时隙，分配顺序中的数值表示该时隙发送数据的目的节点号。从矩阵的列可以看出，同一个时隙，即同一列的每个节点发送数据的目的通道均不相同，基于全双工交换机进行互联的N个节点由于目的节点不同，在该时隙数据的传输不存在阻塞和排队，传输时间是确定并可预测的。
基于以上方式将域内的时隙进行分配，在同一个时隙N个节点可同时发送数据，且发送的数据都具有时间确定性。
步骤2，根据应用的传输需求进行时隙删减和调整。本实施例步骤1中对时隙进行了无阻塞时隙划分，通过时隙的划分完成了全交换域内的时分复用，而实际应用中某些节点之间可能不存在数据传输的需求，因此需要根据具体应用中的数据传输需要去掉不必要的传输时隙。然后，再根据域内各个节点之间的数据传输带宽需求，在保证同一时刻发往目的节点的数据源仅有一个的原则，再对剩余的时隙宽度进行相应的调整。
参阅图4。图中示例了网络的一个周期时隙划分，其中，仅表示出了整个总线周期时隙划分中5个节点发送时隙的具体示例，且5个节点处在同一个交换域。在独占式时分复用时隙内，任一时刻所有节点的时隙分配是无交叠的，在时间上看是独占一个时间段，且在网络上看是独占整个网络，根据网络所有节点需要发送的广播包和跨交换机的数据包进行时隙划分(根据需要划分，没有传输需求的不必划分)；在交换式时分复用时隙内，每个域内的数据互联传输需单独进行时隙规划，图中示例了一个域内的时隙划分，其中5个节点处于同一个交换域，从时间上看，同一时刻不同交换域在同时传输数据，且每个域内的多个节点之间也在同时传输数据，但在同一时刻，多个节点发送的数据包目的地址是不同的，网络处于全交换无阻塞时间触发传输状态。
参阅图5。为了实现本发明的传输方式，每个网络节点均需要配置多个发送缓冲区(包括广播/组播缓冲区，以及不同目的节点缓冲区)，上层网络应用程序将需要发送的数据分流到不同的缓冲区Buf1、Buf2...Bufm(m为自然数)，其中广播/组播包占用同一个缓冲区，不同目的节点分别占用一个缓冲区。根据网络统一规划的时隙，缓冲区Buf1、Buf2...Bufm中的数据，由时间触发调度功能块分时取出，并通过以太网接口发送出去。

Claims (10)

1.一种高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于包括如下步骤：网络中的交换机将网络分成多个交换域，将连接到同一个交换机的所有节点组成一个交换域，每个交换域构成一个子网，各个子网内的多个节点之间构成一个按照时隙规划同时进行时间触发数据传输的立体式交叉传输网络；将高速以太网的一个总线周期分为独占式时分复用时隙、交换式时分复用时隙两个部分，其中，独占式时分复用时隙包括了广播/组播时隙、经过至少两个交换机进行传输的跨交换机传输时隙两个部分，分别传输广播包/组播数据包和跨交换机传输的数据包；独占式时分复用时隙内分时传输广播包/组播数据包和跨交换机传输的数据包，且在该时隙内的任何一个时刻仅有一个节点在网络上发送数据，独占整个网络；在交换式时分复用时隙内，按照不同的交换域，各个交换域同时进行交换域内的数据传输，且各交换域内的节点按照时隙规划进行时间触发并行数据传输，在该时隙内的任何时刻，同一交换域内的多个节点之间同时在进行时间触发数据传输，且同时进行传输的数据包目的地址均不相同，共享同一个交换域内的整个立体式交换网络带宽。
2.如权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：独占式时分复用时隙包括：广播/组播时窗和跨交换机传输时窗，跨交换机是指经过两个及以上的交换机。
3.如权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：交换式时分复用时隙为交换域时间窗，在交换式时分复用时隙，各个交换域内节点分时并行传输数据包，通过交换机实现多个节点之间同时进行数据传输，共享整个交换式网络带宽。
4.如权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：在交换式时分复用时隙内，同一个域内的节点同时传输数据。
5.如权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：同一个域内，对交换式时分复用时隙的时间进行统一规划，使域内的所有节点可同时发送数据，且发送数据的目的地址不同。
6.如权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：在交换式时分复用的时隙规划中，将域内的节点时隙等额划分为N-1个相同长度时隙，N为一个域内的节点数量。
7.权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：在同一个时隙，N个节点发送的目的节点均不相同，且有很多种组合方式，N为一个域内的节点数量。
8.如权利要求6所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：在第1个时隙，节点1发数据给节点2，节点2发数据给节点3，依次类推，节点i在第1个时隙将数据发送给节点i+1，节点N发数据给节点1；在第2个时隙，节点1发送数据给节点3，节点2发数据给节点4，依次类推，节点i在第2个时隙将数据发送给节点i+2，节点N发数据给节点2，以此递推方式，将N-1个时隙进行分配，并可用具有N行，N-1列的矩阵形式来描述节点时隙的分配,N为一个域内的节点数量。
9.如权利要求8所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：N-1列的矩阵形式为矩阵A
Figure FDA0002679267040000021
矩阵共N-1列表示时间轴上的N-1个时隙，矩阵中的每一列表示了对应时隙各个节点数据发送的目的节点号，矩阵每一行表示一个节点的时隙分配顺序，第一行表示节点1的时隙分配顺序，第二行表示节点2的时隙分配顺序，第N行表示节点N的时隙分配顺序，依次类推，其中，节点1的时隙分配顺序为[2,3,4…N-2,N-1,N]，分配了N-1个时隙，分配顺序中的数值表示该时隙发送数据的目的节点号。
10.如权利要求1所述的高速以太网确定性高带宽数据传输方法，其特征在于：每个网络节点均配置多个发送缓冲区，缓冲区包括广播/组播缓冲区，以及不同目的节点缓冲区，上层网络应用程序将需要发送的数据分流到不同的缓冲区Buf1、Buf2…Bufm，m为自然数，其中广播/组播包占用同一个缓冲区，不同目的节点分别占用一个缓冲区；根据网络统一规划的时隙，缓冲区Buf1、Buf2…Bufm中的数据，由时间触发调度功能块分时取出，并通过以太网接口发送出去。
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