CN107809397A - 时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法，包含以下步骤：步骤一、每次交换机节点接收到任务包时，判断该任务包是否在规定的接收窗口内达到交换机节点；步骤二、若任务包超过规定的接收窗口达到交换机节点，则判断任务包是否满足转发条件；步骤三、若任务包满足转发条件，则继续转发到下一个交换机节点或者目的节点，否则丢弃该任务包。本发明能够显著降低时间触发以太网的丢包率，从而能够提高时间触发以太网中的数据传输的可靠性，进而提高分布式系统中的应用数据的完整性。

Description

时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法

技术领域

本发明属于以太网技术领域，特别涉及一种时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法。

背景技术

在过去的几十年间，传统以太网以其高带宽，低成本和实现简单等特点，一直是当前运用最广泛的局域网通信协议。然而，正是由于以太网的这些特点，使其无法支持具有时间特性的任务传输。为了兼容实时性与传统以太网的特性，另一种解决方案被提了出来——时间触发以太网。

时间触发以太网在传输非实时类型的数据时，采用的传输方式与标准以太网的传输方式相同：数据到达交换机后，能够马上转发到下一个网络节点；若相应的端口已被占用，则数据包暂时存储在交换机的缓冲区内，一直等到发送端口空闲才能进行转发。这种在交换机缓冲区内等待是随机的，无法预测的。所以造成了标准以太网的不确定性。而时间触发以太网之所以能够保证实时数据包传输时间的确定性，主要有以下几点原因：

1)实时数据包是周期性的任务。在每个周期，相应的端系统会产生一个数据包并发送。这个过程被称为任务，实时数据包的发送就是实时任务，或时间触发的任务；相反的，非实时数据包的发送就是非实时任务，或者称为事件触发的任务。非实时的数据包的产生是由于相应的事件触发而产生，而非在固定的时间段内产生。因此非实时数据包的传输具有不可预测性，而实时数据包的传输是可预测的。

2)实时数据的优先级高于非实时数据。由于实时数据一般是有时间约束的，所以在时间触发以太网中定义实时数据的优先级高于非实时数据，且高优先级的数据具有可抢占低优先级数据传输的权利。也就是说，当一个非实时数据正在交换机的一个发送端口进行传输时，若此时有一个实时数据也要通过该端口进行传输，则非实时数据的传输必须中断。等到实时数据的传输完成后，才能重新进行非实时数据的传输。

3)实时数据在交换机处的接收和发送时间是一定的。即使保证了第1条和第2条中的要素，由于实时数据在一个周期内的生成时间也不是完全确定的，因此还是无法确保传输时间的确定性。但是，确保实时数据在交换机处的接收时间和发送时间是一定的，就一定可以保证传输时间的确定性。保证实时数据在交换机处的接收时间的确定性，就是要求一个实时数据必须在该周期的某一个时间段内(下文中统称之为接收窗口)到达该交换机。按照这种模式，实时数据在每个交换机处的转发时间都是确定的，那么就可以保证实时数据包传输时间的确定性了。

4)实时数据与非实时数据在交换机内的缓冲区是分开的。这一点原因不是保证传输时间确定性的必要条件，但将实时数据与非实时数据的缓冲区分开，有利于非实时数据的重传。在第2条中，被抢占的非实时数据在实时数据发送完成后会再次发送，这就是由于区分缓冲区的操作而保证的。

以上4条清晰解释了时间触发以太网中数据的传输过程以及它如何能够保证实时数据传输时间的确定性。但是，通过第3条的描述，也容易想到一个问题：若实时数据无法在接收窗口内到达该交换机，交换机会采取什么样的措施。实际上，对于无法在接收窗口内到达交换机的数据包，交换机将不再接收该数据包。相当于该数据包直接被丢弃了。但是，对于一个分布式系统来说，一个应用分布在多个端系统上，每个端系统上负责该应用的一个部分。而由于每个端系统是一个完整的系统，可能会存在着系统内部的紧急任务或者来自系统外部的中断要求端系统处理。在这种情况下，端系统很可能会延误对该应用的处理，从而导致数据发送的推迟，错过了交换机的接收窗口。最终导致应用数据的传输的不可靠性。

因此，需要提供一种对时间触发以太网调度方式的改进方法，以提高时间触发以太网中的数据传输的可靠性，进而提高分布式系统中的应用数据的完整性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的发明目的是提供一种时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法，包含以下步骤：

步骤一、每次交换机节点接收到任务包时，判断该任务包是否在规定的接收窗口内达到交换机节点；

步骤二、若任务包超过规定的接收窗口达到交换机节点，则判断任务包是否满足转发条件；

步骤三、若任务包满足转发条件，则继续转发到下一个交换机节点或者目的节点，否则丢弃该任务包。

优选地，转发条件为以下二条中的任一一条：

条件1、当前时间是否已经超过了任务的截止时间，若没有超过，则满足转发条件；

条件2、从当前时间到任务的截止时间的这段时间，是否满足任务包的传输时间，若满足任务包的传输时间则满足转发条件。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明建立时间触发以太网无冲突调度模型，并通过接收窗口发送的NoRW 1方法和NoRW 2方法在交换机在接收到一个错过了接收窗口的任务包时，依然尽力地将任务包向目的节点转发，直到超过截止时间时才将任务包丢弃。

2、本发明提供的时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法能够显著降低时间触发以太网的丢包率，通过实验证明，和标准时间触发以太网相比，使用NoRW1方法和使用NoRW2方法可以大大降低丢包率，其中使用NoRW2方法，可将任务的平均丢包率减少63.3％，系统整体的丢包率减少55.6％，从而能够提高时间触发以太网中的数据传输的可靠性，进而提高分布式系统中的应用数据的完整性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为网络节点连接图。

图2为实施例中最优网络调度结果示意图。

图3为未修改的时间触发以太网的丢包率示意图。

图4为标准时间触发以太网的丢包率与两种NoRW方法下的任务丢包率对比图。

图5为时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，时间触发以太网系统包括：多个发送端系统、多个接收端系统以及若干个交换机节点，若干个交换机节点将所有发送端系统和接收端系统连接成网络；其中：发送端系统和接收端系统统称为端系统，端系统的集合记为ES，即EndSystem；交换机节点的集合记为NS，即NetworkSwitch；发送端系统的集合记为SRC，即source；接收端系统的集合记为RCV，即Receive；假设时间触发以太网系统中包括：m个发送端系统、n个接收端系统、l个交换机节点，则令：

SRC＝{src₁,src₂,...,src_m}

RCV＝{rcv₁,rcv₂,...,rcv_n}

NS＝{ns₁,ns₂,...,ns_l}

式中：src₁表示第1个发送端系统，rcv₁表示第1个接收端系统，src_m表示第m个发送端系统，rcv_n表示第n个接收端系统，ns₁表示第1个交换机节点、ns_l表示第l个交换机节点。

具体地，一个通信任务从一个端系统(End System,ES)中发出，经过一个或多个交换机(Network Switch,NS)到达另一个端系统，即完成了一次信息传输的过程。由于在以太网中不可能只存在一个通信任务，而多个通信任务的传输必然会带来通信任务与通信任务之间(如在同一时间，一条物理连路上最多只能传输一个通信任务)，通信任务本身内在属性(如通信任务的周期性，通信任务的结束时间要比系统给定的截止时间要早等。)之间的关系约束。因此，需要首先找出通信任务与通信任务，通信任务自身属性之间的约束关系。

本实施例设定：发送端系统用于周期性的发送实时任务，且每个发送端系统都只与一个实时任务(τ_n)相对应，所以实时任务集合Task，其中：Task＝{τ₁,τ₂,...,τ_m}，τ_m表示第m个实时任务，每个实时任务的目的地都是一个唯一确定的接收端系统。本实施例中不考虑广播或多播的形式，但是必须知道的是，时间触发以太网系统中的发送端系统确实可以发送多个实时任务，而这些任务也可能是广播或者多播形式传播的。接收端系统集合与发送端系统集合是无交集的：这也是便于系统的描述。由于时间触发以太网系统中的物理链路是全双工的，所以实际上接收端系统与发送端系统在细节实现上是没有区别的，只在其功能上给定不同的名称而已。

定义一个任务τ_n∈Task，τ_n表示第n个实时任务，具体地，也表示一个携带有用信息的包从发送端系统到目的端系统的传输过程。并且有用信息是周期产生的，所以任务是周期性执行的。以如下多元组的形式来定义一个任务：

τ_n∈Task,τ_n(N_src,N_dest,len,path,t_a,t_s,t_f,d,P)

N_src：表示任务τ_n的发送端系统，每一个任务都与发送端系统一一对应。

N_dest：表示任务τ_n的目的节点，即是τ_n对应的接收端系统；一个接收端系统可以对应多个任务，但每个任务都只对应唯一确定的目的节点。

len：表示任务τ_n的长度；任务的执行实际上是通过包的传输来实现的，所以len表示的是任务所对应的数据包的长度。

path：是一个交换机节点的序列，表示任务τ_n在传输过程中逐一经过交换机节点交换机节点直到最后经过交换机节点到达目的节点N_dest；其中path如下：

表示任务τ_n在传输过程中经过的第n个交换机节点。

t_a：是一个时间序列：表示任务τ_n在传输过程中到达每一个交换机的时间，表示任务τ_n在传输过程中到达第n个交换机节点的时间，对于同一个任务τ_n来说，t_a与path中的每一项都是一一对应的，即：

len(path)＝len(t_a)

表示序列path和序列t_a中的元素个数相同，且一一对应。

t_s：是一个时间序列：表示任务τ_n在每个交换机节点处开始被转发的时间，表示任务τ_n在传输过程中被第n个交换机节点转发的时间，为了保证实时任务传输时间的确定性，交换机在接收到一个实时任务时，不会马上将其转发到下一个交换机节点，而是保存在缓冲区中。交换机通过查询静态路由表获取该任务的转发时间，在特定的时间才会将该任务转发到下一个交换机节点。t_s中的每一个元素，表示的就是这样的一个时间。与t_a一样，t_s与path中的每一项也一一对应。

t_f：是一个时间列表：表示任务τ_n在每个交换机节点处被完全发送到物理链路的时间，表示任务τ_n在传输过程中被第n个交换机节点完全发送到物理链路的时间，交换机节点要想将一个任务发送到下一个交换机节点，必须在输出端口处读取任务(也就是网络传输中的包，packet)的每一个字节，将每一个字节都通过物理链路传输。所以当一个任务在输出端口被开始往网络中发送，到最后一个字节被发送完成，这个时间段是与任务的长度，还有输出端口的处理速度相关的：

c_k＝len(τ_n)/sr_k

len(τ_n)：表示任务τ_n的长度，sr_k表述交换机ns_k的输出端口的处理速度。

c_k：表示在交换机节点ns_k的输出端口处的传输时间。

在时间触发以太网中，提供10Mb/s和100Mb/s的传输速率，在本实施例中选择10Mb/s的传输速率。由于物理链路的传播速度接近光速，本例中忽略所有的任务在物理链路中的传播时间；所以可以粗略的认为，当一个任务结束了在交换机节点ns_k处的传输时，记为就是该任务到达下一个节点ns_k+1处的到达时间，记为

p：表示任务τ_n的周期。本实施例中的实时任务都是周期性的，这些实时任务在每个周期中都会执行一次。从时间触发以太网系统中包传输的角度来说，发送端系统在每个周期都会产生一个任务包，并将这个任务包通过网络发送到目的节点。

d：表示的任务τ_n的截止时间。任务必须在截止时间之前完成，超过了截止时间，则认为任务是无效的，即使执行完成，也不能达到预期的任务效果。将每个周期的开始时间定义为起始时间，截止时间是从每个周期的开始时间起的一个偏移。如果一个任务不能在截止时间之前到达目的节点的话，则认为这个任务是一个丢失的任务。

在每个交换机节点中都存在一个静态路由表，交换机节点通过查询该静态路由表，在规定的时间将任务从规定的输出端口发送出。一个交换机节点会转发多个任务，静态路由表中的每一个项目(行)，都代表着一个任务在本交换机节点处的行为规范。将表中的每一项记为item_n，它可以用一个多元组表示：

item_n(τ_k,rw,t_s,port)

τ_k：表示本行的数据对应任务τ_k，如果任务τ_k到达，就需要查询本行其他的数据来决定任务的转发情况。

rw：对应τ_k的接收窗口(receiving window)，时间触发以太网交换机严格控制实时任务的传输情况，任务只有在相应的接收窗口内到达时才会被接收。接收窗口实际上是一个时间片段[t_e,t_l],t_e和t_l分别是从每个周期开始时间的偏移。任务到达该交换机节点的时间不得早于t_e也不得晚于t_l，否则都会被丢弃。

t_s：表示任务在本交换机节点处开始被传输的时间，是τ_n定义中的t_s列表中的一个值。

port：表示任务对应的发送端口。当交换机节点接收到一个任务后，会将该任务从对应的port端口发送到一下交换机节点处。

现有的时间触发以太网系统中对于任务的发送和接收严格按照静态调度表中定义的时间来进行。这种做法固然可以保证任务到达目的节点的时间是唯一确定的，但是却增大了任务的丢包率。有些任务只是发送时间比预定时间稍晚了一点，错过了第一个交换机处的接收窗口，就导致任务直接被丢弃：

上式表示如果任务τ_n在交换机ns_k处的到达时间不在交换机节点的接收窗口之间，则会导致任务的丢包个数增加。

如果交换机节点在接收到一个错过了接收窗口的任务包时，依然尽力地将任务包向目的节点转发，直到超过截止时间时才将任务包丢弃。我们把这种发送机制，叫做无接收窗口发送方法(No Receiving Window,NoRW)。在这种方式下，可以在很大的程度上降低任务的丢包率。

如图5所示，时间触发以太网提高实时任务传输可靠性的调试方法包含以下步骤：

步骤一、每次交换机节点接收到任务包时，判断该任务包是否在规定的接收窗口内达到交换机节点；

步骤二、若任务包在规定的接收窗口内达到交换机节点，则按规则转发任务包；若任务包超过规定的接收窗口达到交换机节点，则采用NoRW 1方法或NoRW 2方法对任务包进行处理：

(1)NoRW 1方法：

NoRW 1方法，即每次交换机节点接收到一个异常任务包(不在规定的时间窗口内达到的任务包)时，判断当前时间是否已经超过了任务τ_n的截止时间d_n。如果已经超过，则直接丢弃该任务包，如果没有超过，则继续转发到下一个节点：

式中：表示任务的丢包个数，其中n表示第n个任务，即任务τ_n，m表示miss，即任务数据包丢失，表示任务τ_n在交换机ns_k处的到达时间，其中a表示arrive，即任务包到达；

(2)NoRW 2方法：

NoRW 2方法，即每次交换机节点接收一个异常任务包时，判断从当前时间到截止时间的这段时间，是否满足任务的传输时间(不考虑等待的情况)：

表示任务τ_n在交换机节点ns_k处的传输时间，而N_ns表示τ_n在到达目的节点前还需经过交换机节点的传输次数。NoRW 2方法比NoRW 1方法中的传输方式更加能够降低任务的丢包率。这是因为本方法进行了预测，提前估计在最优的条件下异常任务能否在截止时间到达。提前预估的方法在一定程度上降低了一种可能性：注定超时的任务会阻塞其他任务的传输。如果异常任务τ_n在最优情况下进行传输还是会超时，那么任务τ_n的继续传输是没有意义的。并且任务τ_n的传输也会造成其他任务在交换机节点处的等待，从而导致本来正常传输的任务反而超时。

其中，任务的丢包率为：

任务的丢包率指的是系统经过一段时间的运行，没有收到的包的个数和发包的总个数的比值。其中mr_n表示任务τ_n的丢包率。和分别表示接已收到的包的个数和总发包数。比如系统运行1000s，任务τ_n的周期是1s，那么τ_n的总发包数量是1000，因为每个周期都会发送一个数据包。假设目的节点最终只收到了893个包，那么系统的丢包率就是10.7％。

具体地，采用目前广泛应用的OPNET仿真工具。图1给出了本实施例中仿真模型示例的网络拓扑结构图，表1表示的是网络中的任务及其属性。从列SRC和列Task可以看出，本例中有9个实时任务，从τ₁到τ₉，分别对应着9个发送节点，从src₁到src₉。通过已有的调度方法，可以得到一个最优调度结果，如图2所示。按照图2中的传输时间调度和图3中的调度策略，能够保证这9个实时任务能够无冲突的在示例中的时间触发以太网系统中传输。

表1网络中的任务及其属性

假设系统在大部分的情况下是按照图2中的时间进行调度的，任务会在规定的时间到达规定的节点，不会存在的丢包的情况。但现在给定每个任务有30％的情况会产生异常，当异常情况出现时，任务的从N_src被发出的时间是一个在任务周期范围内的随机值。这样，任务可能不会再在规定的时间内到达相应节点，并且有可能会与其他的任务造成冲突，从而影响其他任务的正常运行。在这种情况下，采用OPNET仿真工具仿真了1000s的系统运转，可以得到如图3所示的丢包率。可以看到，任务的丢包率普遍比较高，平均丢包率为22％。这种程度的丢包率对于数据的完整性来说，已经产生了较大的影响。

图4给出了现有的时间触发以太网的丢包率与上述两种NoRW方法下的任务丢包率的比较。横坐标列出系统中9个实时任务，柱状图的纵坐标表示的丢包率，3种柱体分别对应3种不同调度方法。表2给出了标准时间触发以太网(origin)情况下，使用NoRW1方法(NoRW1)和使用NoRW2方法(NoRW2)的情况下9个任务和系统整体的丢包率的值。而impro列给出了在采用NoRW2方法情况下针对标准时间触发以太网丢包率的减少百分比。可以看到9个任务中大部分的任务在NoRW方法的调度下，丢包大大降低，其中NoRW2方法能够比NoRW1方法更加能够进一步降低丢包率，9个任务平均丢包率减少63.3％，系统整体的丢包率减少55.6％。这是因为预测的方法能够尽早的丢弃那些一定会超时的任务包，这样其他的非异常的任务收到的影响比较小，所以能够更进一步的降低丢包率。

表2标准时间触发以太网NoRW1方法和使用NoRW2方法的的丢包率的值

有一点需要特别注意，经过NoRW的调度,有些任务的丢包率可能会不减反增。这是由于一些异常任务包占据了原本属于其他任务预先设置的执行时间，造成了本该正常传输的任务在交换机处的等待，从而增加了丢包率。但是从系统整体的角度来看，还是减少了系统整体的丢包率的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法，包含以下步骤：

步骤一、每次交换机节点接收到任务包时，判断该任务包是否在规定的接收窗口内达到交换机节点；

步骤二、若任务包超过规定的接收窗口达到交换机节点，则判断任务包是否满足转发条件；

步骤三、若任务包满足转发条件，则继续转发到下一个交换机节点或者目的节点，否则丢弃该任务包。

2.根据权利要求1所述一种时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法，其特征在于所述转发条件为以下二条中的任一一条：

条件1、当前时间是否已经超过了任务的截止时间，若没有超过，则满足转发条件；

条件2、从当前时间到任务的截止时间的这段时间，是否满足任务包的传输时间，若满足任务包的传输时间则满足转发条件。