CN108418723A - 一种车载以太网avb预留带宽优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)建立含SC消息的混合调度机制；(2)建立预留带宽参数优化模型；(3)对预留带宽参数优化模型进行求解；(4)计算响应时间上界。本发明提出的含SC消息的网络模型在传输安全关键消息时具有更高的可靠性和实时性，更符合车载网络中关键控制信息的传输要求，在此基础上的响应时间上界分析，考虑了改进之后的网络模型的响应时间，精确性更高。

Description

一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法

技术领域

本发明涉及车载以太网音视频桥接技术领域，尤其是一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法。

背景技术

随着汽车行业的发展，汽车逐步向信息化和智能化转变，人们对汽车的舒适性、安全性和娱乐性也提出了新的要求。因此汽车行业出现了一系列具有高科技含量和良好用户体验的应用，如先进辅助驾驶系统ADAS、智能视觉安全应用系统和Telematics等。这些系统在给汽车行业带来一系列技术革命的同时，由于其使用了大量的摄像头、传感器和多媒体娱乐设备，因此对车载网络的带宽提出了挑战。传统的CAN网络无法满足这些应用的带宽要求，于是车载以太网得以快速发展，并在少数高端车型上投入实用。

车载以太网音视频桥接(Ethernet AVB，Ethernet Audio/Video Bridging)在传统的以太网络基础上新增了一些协议标准，包括精准时钟同步协议、流预留协议、队列及转发协议和音视频传输协议等。通过预留带宽来限制消息的延时，能够提供支持多媒体应用的高质量服务，且在传输音视频数据时，能够同时传输网络中的控制信号，是未来最具潜力的车载通信网络之一。目前，在国外的一些高档车型中已经应用了以太网AVB网络，包括宝马X7，奥迪A8等。

以太网AVB通过预留带宽实现网络各类消息的传输，即在网络的初始配置阶段，可针对传输的负荷量大小给每类消息预留不同的传输带宽，以达到提高网络实时性与灵活性的目的。但是利用电气和电子工程师协会(IEEE，InSCitute of Electrical andElectronics Engineers)标准中流预留协议分配的预留带宽值是固定的，在网络传输负荷量较少的情况下，无疑极大浪费了以太网AVB网络的通信带宽，而且在某些情况下还可能导致网络不可调度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用SC消息传输关键控制消息，并在新的网络模型下进行响应时间上界分析，基于上述分析建立预留带宽参数优化模型的车载以太网AVB预留带宽优化配置方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立含SC消息的混合调度机制；

(2)建立预留带宽参数优化模型；

(3)对预留带宽参数优化模型进行求解；

(4)计算响应时间上界。

所述步骤(1)具体是指：

在IEEE802.1Qat协议中A类SR消息和B类SR消息的基础上，引入安全关键控制流SC类消息，设计A、B、SC类消息的时间阻塞机制，计算各类消息响应时间上界，利用混合调度带宽配置方法分配A、B和SC消息流的带宽，实现网络中各类消息流的实时混合调度；

所述SC类消息具有最高的优先级以及固定的数据帧长度，且在指定的传输门内传输，传输时间内能阻断较低优先级SR类消息传输，其最大帧长度Max_Frame_Size为128bytes，最小帧间隔Min_Frame_Interval为500μs，5个跳动内能保证100μs的端到端延迟；

所述混合调度中加入的SC类消息采用时间阻塞机制，其实施步骤如下：

1a)通过精准时钟同步协议，网络中每个节点和交换机计算SC类消息的传输时刻，获取SC类消息传输驱动器的门控时间表GateEventLiSC，其包含gateEvent事件，值为1表示gate-open，为0则表示gate-close；

1b)当gateEvent为1时Gate Driver使传输门开启，此时阻止SR类消息的传输，SC类消息开始传输；

1c)当gateEvent为0时Gate Driver使传输门关闭，此时SC类消息传输完成，SR类消息恢复传输；

1d)SR类消息恢复传输后采取IEEE802.1Qav中的CBS机制进行调度，在Credit值大于0时通过发送斜率的大小传输SR类消息并减小Credit值，在其他消息传输时或传输门阻断传输时以空闲的速率增大Credit值。

所述步骤(2)具体是指：

以预留带宽最小为优化目标，以IEEE标准中规定取值和SC类消息和SR消息可调度为约束，建立A类和B类消息预留带宽优化模型，求解出并以此作为配置A类和B类消息预留带宽,其实施步骤如下：

2a)建立A类消息预留带宽优化模型

定义M＝{m₁,m₂,...,m₃}为网络中任意X类的消息集合，每个消息m_i∈M均可用六元数组(F_i,C_i,T_i,D_i,P_i,L_i)表示,其中F_i为消息的长度即字节，C_i为消息的传输时间，T_i为消息的发送周期，D_i为消息的截止时间，P_i为消息的类型，L_i为消息经过的链路集合，本发明假定D_i＝T_i，定义链路l表示节点与交换机或交换机与交换机之间的传输路径，对任意X类消息，即A或B类消息，以表示在链路l上的空闲斜率，以表示发送斜率，PW表示传输门大小，定义q_max表示在繁忙周期内最大的发送周期个数，以ω_i(q)表示从繁忙周期开始至第q轮发送周期消息开始传输时所经历的时间；

对A类消息：

式中：

约束条件为：

2b)B类消息预留带宽参数优化模型建立对B类消息：

其中：

约束条件为：

1≤q_N≤q_max

所述利用优化模型求解具体包括以下步骤：

3a)由式(11)对每个A类消息计算根据约束条件判断是否满足最大值约束，满足条件则符合调度要求；

3b)由式(22)计算出在繁忙周期内q＝1时的并判断是否满足最大值约束；

3c)由式(33)计算满足繁忙周期长度要求的最小q_max，并计算2≤q≤q_max内所有的

3d)以IEEE标准预留带宽最大值为约束，对每个q计算得到进行比较，若后计算的预留带宽大于之前计算值，则重新计算q_max；

3e)求得所有q≤q_max中满足要求的最小值，即为所求的

所述步骤(4)具体是指：

采用迭代式求解响应时间上界，给出消息参数后通过消息参数中的初始条件反复迭代计算得到收敛的响应时间上界值：

SC类消息响应时间上界RT_i ^l计算式如下：

式中ε为交换机自身硬件延迟；

A类消息的响应时间上界计算式如下：

迭代初值为RT_i ^l,(0)＝C_i，终止条件为RT_i ^l,(n)＝RT_i ^l,(n-1)，式中ξ计算式如下：

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明提出的含SC消息的网络模型在传输安全关键消息时具有更高的可靠性和实时性，更符合车载网络中关键控制信息的传输要求，在此基础上的响应时间上界分析，考虑了改进之后的网络模型的响应时间，精确性更高；第二，本发明在改进的网络模型基础上对网络中的预留带宽参数进行了优化，较IEEE标准中的配置能够避免网络资源浪费，又能够确保消息可调度，在保证网络实时性的基础上充分利用了网络资源。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是网络消息模型示意图；

图3是A类消息的较低优先级消息干扰示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立含SC消息的混合调度机制；

(2)建立预留带宽参数优化模型；

(3)对预留带宽参数优化模型进行求解；

(4)计算响应时间上界。

所述步骤(1)具体是指：

在IEEE802.1Qat协议中A类SR消息和B类SR消息的基础上，引入安全关键控制流SC类消息，设计A、B、SC类消息的时间阻塞机制，计算各类消息响应时间上界，利用混合调度带宽配置方法分配A、B和SC消息流的带宽，实现网络中各类消息流的实时混合调度；

所述SC类消息具有最高的优先级以及固定的数据帧长度，且在指定的传输门内传输，传输时间内能阻断较低优先级SR类消息传输，其最大帧长度Max_Frame_Size为128bytes，最小帧间隔Min_Frame_Interval为500μs，5个跳动内能保证100μs的端到端延迟；

所述混合调度中加入的SC类消息采用时间阻塞机制，其实施步骤如下：

1a)通过精准时钟同步协议，网络中每个节点和交换机计算SC类消息的传输时刻，获取SC类消息传输驱动器的门控时间表GateEventLiSC，其包含gateEvent事件，值为1表示gate-open，为0则表示gate-close；

1b)当gateEvent为1时Gate Driver使传输门开启，此时阻止SR类消息的传输，SC类消息开始传输；

1c)当gateEvent为0时Gate Driver使传输门关闭，此时SC类消息传输完成，SR类消息恢复传输；

1d)SR类消息恢复传输后采取IEEE802.1Qav中的CBS机制进行调度，在Credit值大于0时通过发送斜率的大小传输SR类消息并减小Credit值，在其他消息传输时或传输门阻断传输时以空闲的速率增大Credit值。

所述步骤(2)具体是指：

以预留带宽最小为优化目标，以IEEE标准中规定取值和SC类消息和SR消息可调度为约束，建立A类和B类消息预留带宽优化模型，求解出并以此作为配置A类和B类消息预留带宽,其实施步骤如下：

2a)建立A类消息预留带宽优化模型

定义M＝{m₁,m₂,...,m₃}为网络中任意X类的消息集合，每个消息m_i∈M均可用六元数组(F_i,C_i,T_i,D_i,P_i,L_i)表示,其中F_i为消息的长度即字节，C_i为消息的传输时间，T_i为消息的发送周期，D_i为消息的截止时间，P_i为消息的类型，L_i为消息经过的链路集合，本发明假定D_i＝T_i，定义链路l表示节点与交换机或交换机与交换机之间的传输路径，对任意X类消息，即A或B类消息，以表示在链路l上的空闲斜率，以表示发送斜率，PW表示传输门大小，定义q_max表示在繁忙周期内最大的发送周期个数，以ω_i(q)表示从繁忙周期开始至第q轮发送周期消息开始传输时所经历的时间；

对A类消息：

式中：

约束条件为：

2b)B类消息预留带宽参数优化模型建立

对B类消息：

其中：

约束条件为：

1≤q_N≤q_max

所述利用优化模型求解具体包括以下步骤：

3a)由式(11)对每个A类消息计算根据约束条件判断是否满足最大值约束，满足条件则符合调度要求；

3b)由式(22)计算出在繁忙周期内q＝1时的并判断是否满足最大值约束；

3c)由式(33)计算满足繁忙周期长度要求的最小q_max，并计算2≤q≤q_max内所有的

3d)以IEEE标准预留带宽最大值为约束，对每个q计算得到进行比较，若后计算的预留带宽大于之前计算值，则重新计算q_max；

3e)求得所有q≤q_max中满足要求的最小值，即为所求的

所述步骤(4)具体是指：

采用迭代式求解响应时间上界，给出消息参数后通过消息参数中的初始条件反复迭代计算得到收敛的响应时间上界值：

SC类消息响应时间上界RT_i ^l计算式如下：

式中ε为交换机自身硬件延迟；

A类消息的响应时间上界计算式如下：

迭代初值为RT_i ^l,(0)＝C_i，终止条件为RT_i ^l,(n)＝RT_i ^l,(n-1)，式中ξ计算式如下：

以下结合图1至3对本发明作进一步的描述。

针对步骤(1)含SC消息的混合调度机制建立

IEEE 802.1Qat中阐述了流预留协议(Scream Reservation Protocol)，它在IEEE802.1Q协议的基础上进行了修改，标准中规定最多8个(优先级0-7逐渐递增)类别，本发明中采用A类和B类，优先级分别为3和2，采用CBS(Credit-Based Shaper)机制调度。本发明针对车载网络中某些关键的控制信息的传输要求，由于IEEE中原有的消息类别难以满足传输要求，因此采用SC类消息传输安全关键消息，其优先级高于A类和B类，如图3所示，总的优先级如下：

SC＞A＞B＞BE

BE消息为普通以太网类消息，优先级最低且传输时延不具有保障。针对加入SC消息后的网络消息模型，通过混合调度机制调度给定以太网AVB网络消息集合和各类消息参数模型，如图2所示。

针对步骤(2)，在加入SC消息后可能引起网络不可调度，因此需要增加IEEE标准配置下的预留带宽的值，从而使网络可调度。当增加时，消息的响应时间减少，而网络带宽占用将增加。B类消息最小空闲斜率与响应时间上界发生的周期q_N有关，可通过计算繁忙周期内所有的发送周期对应的响应时间上界，来确定q_N的值。计算q_max的式中存在项，即说明在寻找最佳时，q_max会随之改变，因此需要考虑q_N所属范围的变化。在IEEE标准中规定了SR类预留带宽占总带宽的最大百分比，则需满足如下约束：

本发明以最小为优化目标，以IEEE标准中的各项规定取值为约束，建立A类和B类消息预留带宽优化模型。

针对步骤(4)响应时间上界计算：

根据步骤1中建立的调度模型，依据步骤1所述的混合调度机制，对各类消息进行响应时间上界计算，具体如下：

A类消息

由图3所示，A由于CBS机制受到低优先级消息的干扰A类消息m_i由于较低优先级消息干扰而产生的延时DLP_i ^l计算式如下：

在约束的条件下，消息在FIFO队列中的最大排队延时等于所有其他同类消息在其前面发送所产生的延时，且只考虑在一个通信周期内的消息干扰，否则将导致网络不可调度。在最坏情况下，A类消息m_i由同类消息干扰产生的延时DSP_il计算式如下：

A类消息m_i的传输受到时间阻塞机制的影响，因此需要考虑SC类消息传输带来的干扰。SC类消息在传输前，由时间感知整形机制产生保护窗来阻止其他类型消息传输，因此计算SC消息干扰产生的延时，必须考虑其保护窗的影响。在最坏情况下，具有最大长度的非SC类消息与m_i具有相同的传输路径，此时保护窗等于这个最大长度消息的传输时间。则在最坏情况下由一个SC类消息干扰产生的延时DHP_i ^l计算式如下：

DHP_i ^l＝PW_i ^l+C_ST

由于受到令牌整形算法的影响，消息只有在令牌≥0时才能传输，在最坏响应情况下，A类消息初始令牌为负数的同时，具有最大长度的同类其他消息在其发送之前刚好开始传输，由此产生的干扰延时DINIT_i ^l计算式如下：

综合上述分析，并考虑到在响应时间上界内，可能存在多个SC类消息干扰，加上交换机自身硬件延时ε，可知A类消息m_i的响应时间上界RT_i ^l由六部分组成，计算式如下：

RT_i ^l,(n)＝DLP_i ^l+DSP_i ^l+DHP_i ^l,(n-1)+DINIT_i ^l+C_i+ε

将等式中各项代入，去掉初始令牌为负数的部分，并加上最后阶段令牌恢复至0的部分，修正后的响应时间上界计算式如下：

B类消息

相比于A类消息，除了受到较低优先级消息、同类消息以及SC类消息的干扰外，B类消息还受到较高优先级的A类消息干扰。SC类消息由于时间感知整形机制而不会延迟发送，因此SC类消息不会延迟至B类消息下一个通信周期传输，但是A类消息可能延迟至B类消息的下一个通信周期传输，从而导致B类消息传输延时增加，因此需要考虑B类消息繁忙周期内所有发送周期的响应情况。

在分析B类消息的响应时间上界时，仅考虑首个发送周期的响应情况是不够的，必须将繁忙周期内所有发送周期的响应情况都进行计算。对于B类消息m_i，定义q_max表示在繁忙周期内最大的发送周期个数，以ω_i(q)表示从繁忙周期开始至第q轮发送周期消息开始传输时所经历的时间，为寻找其响应时间上界，需要计算繁忙周期内任意1≤q≤q_max的ω_i(q)，其计算式如下：

在繁忙周期内，任意的第q轮发送周期响应时间等于ω_i(q)减去前q-1轮发送周期之和，并考虑消息自身传输时间以及交换机硬件延时，这些响应时间中的最大值即为B类消息的响应时间上界。

综上所述，本发明提出的含SC消息的网络模型在传输安全关键消息时具有更高的可靠性和实时性，更符合车载网络中关键控制信息的传输要求，在此基础上的响应时间上界分析，考虑了改进之后的网络模型的响应时间，精确性更高。

Claims (5)

1.一种车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立含SC消息的混合调度机制；

(2)建立预留带宽参数优化模型；

(3)对预留带宽参数优化模型进行求解；

(4)计算响应时间上界。

2.根据权利要求1所述的车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：

在IEEE802.1Qat协议中A类SR消息和B类SR消息的基础上，引入安全关键控制流SC类消息，设计A、B、SC类消息的时间阻塞机制，计算各类消息响应时间上界，利用混合调度带宽配置方法分配A、B和SC消息流的带宽，实现网络中各类消息流的实时混合调度；

所述SC类消息具有最高的优先级以及固定的数据帧长度，且在指定的传输门内传输，传输时间内能阻断较低优先级SR类消息传输，其最大帧长度Max_Frame_Size为128bytes，最小帧间隔Min_Frame_Interval为500μs，5个跳动内能保证100μs的端到端延迟；

所述混合调度中加入的SC类消息采用时间阻塞机制，其实施步骤如下：

1a)通过精准时钟同步协议，网络中每个节点和交换机计算SC类消息的传输时刻，获取SC类消息传输驱动器的门控时间表GateEventLiSC，其包含gateEvent事件，值为1表示gate-open，为0则表示gate-close；

1b)当gateEvent为1时Gate Driver使传输门开启，此时阻止SR类消息的传输，SC类消息开始传输；

1c)当gateEvent为0时Gate Driver使传输门关闭，此时SC类消息传输完成，SR类消息恢复传输；

1d)SR类消息恢复传输后采取IEEE802.1Qav中的CBS机制进行调度，在Credit值大于0时通过发送斜率的大小传输SR类消息并减小Credit值，在其他消息传输时或传输门阻断传输时以空闲的速率增大Credit值。

3.根据权利要求1所述的车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：

以预留带宽最小为优化目标，以IEEE标准中规定取值和SC类消息和SR消息可调度为约束，建立A类和B类消息预留带宽优化模型，求解出并以此作为配置A类和B类消息预留带宽,其实施步骤如下：

2a)建立A类消息预留带宽优化模型：

定义M＝{m₁,m₂,...,m₃}为网络中任意X类的消息集合，每个消息m_i∈M均可用六元数组(F_i,C_i,T_i,D_i,P_i,L_i)表示,其中F_i为消息的长度即字节，C_i为消息的传输时间，T_i为消息的发送周期，D_i为消息的截止时间，P_i为消息的类型，L_i为消息经过的链路集合，假定D_i＝T_i，定义链路l表示节点与交换机或交换机与交换机之间的传输路径，对任意X类消息，即A或B类消息，以表示在链路l上的空闲斜率，以表示发送斜率，PW表示传输门大小，定义q_max表示在繁忙周期内最大的发送周期个数，以ω_i(q)表示从繁忙周期开始至第q轮发送周期消息开始传输时所经历的时间；

对A类消息：

Object:

式中：

约束条件为：

s.t.:

2b)B类消息预留带宽参数优化模型建立

对B类消息：

Object:

其中：

约束条件为：

s.t.:

1≤q_N≤q_max

4.根据权利要求3所述的车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，其特征在于：所述利用优化模型求解具体包括以下步骤：

3a)由式(11)对每个A类消息计算根据约束条件判断是否满足最大值约束，满足条件则符合调度要求；

3b)由式(22)计算出在繁忙周期内q＝1时的并判断是否满足最大值约束；

3c)由式(33)计算满足繁忙周期长度要求的最小q_max，并计算2≤q≤q_max内所有的

3d)以IEEE标准预留带宽最大值为约束，对每个q计算得到进行比较，若后计算的预留带宽大于之前计算值，则重新计算q_max；

3e)求得所有q≤q_max中满足要求的最小值，即为所求的

5.根据权利要求1所述的车载以太网AVB预留带宽优化配置方法，其特征在于：所述步骤(4)具体是指：

采用迭代式求解响应时间上界，给出消息参数后通过消息参数中的初始条件反复迭代计算得到收敛的响应时间上界值：

SC类消息响应时间上界RT_i ^l计算式如下：

式中ε为交换机自身硬件延迟；

A类消息的响应时间上界计算式如下：

迭代初值为终止条件为式中ξ计算式如下：

B类消息的响应时间上界计算式如下：