CN108449285A - 应用于共享式以太网的分式调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于共享式以太网的分式调度方法，包含：一：获取分配的时间槽；二：对时间槽进一步划分为TT时间片和ET时间片；三、按待发送的数据的优先级发送给按时调度端口、定时调度端口或随机接入端口；四：按时调度端口、定时调度端口、随机接入端口将接收到的数据组帧后存入各自对应的按时调度数据帧队列、定时调度数据帧队列、随机接入数据帧队列；五、在TT时间片，发送按时调度数据帧队列中的数据帧；六、在ET时间片,发送定时调度数据帧队列、随机接入数据帧队列中的数据帧。本发明适用于航空电子通信领域，尤其飞行控制、发动机控制以及机电控制领域对数据传输的确定性和安全性要求极高的场景中。

Description

应用于共享式以太网的分式调度方法
技术领域
本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，特别涉及飞行控制、发动机控制以及机电控制领域对数据传输的确定性和安全性要求极高的通信领域下的总线式网络架构选型的设计方法。
背景技术
过去的几十年中，以太网作为一种开放性和标准化的网络在世界范围内取得了最广泛、最成功的应用，其经历了共享式到交换式的网络构型演变。当前主流的交换式以太网已从100Mbps发展100Gbps的速率。由于其开放式特性，容易受到各种攻击，安全性等级满足不了航空机载这种高安全性的应用领域；同时以太网采用的尽力传输的方式，并未过多考虑网络实时性和确定性的服务特性，即在现有的通信机制下很难保证用户数据的点到点传输时延的确定性。为了促使以太网能够安全可靠地应用于时间关键性和安全关键性的航空电子通信领域，首当其冲是改进该网络MAC接入机制，提高传输的确定性和可靠性。
SAE AS6802标准提出了一种高传输确定性的交换式以太网：时间触发以太网TimeTrigger Ethernet(TTE)。该网络已经在部分航空航天领域成功应用，如作为NASA新一代宇宙飞船的骨干网，并作为分布式综合模块化航空电子DIMA的互联系统应用于S-97攻击型直升机以及SB-1型旋翼机。TTE网络在以太网标准的基础上，引入分布式高容错的时钟同步机制，并预先为网络中通信的各条数据流划分通信时隙。各设备在全局时钟计时基础上，按照分配的时隙触发数据传输和接收数据。TTE支持三种不同QoS级别的数据流传输服务，满足集成航空电子系统的不同时间关键性等级的通信应用需求。但针对机电控制、飞行控制和发动机控制等机载控制系统等低带宽应用场合的互联通信，TTE存如下的局限性：
●成本较高，交换式的网络设备处理大带宽，对设备需求的硬件资源需求较高，提升了资源成本的投入；同时系统开发复杂度高，提高了设计成本；
●带宽资源相对过剩，利用率过低，相对而言，确定性的共享式总线网络更适用为这些控制领域提供传输服务。
时间触发协议TTP总线作为一种高确定性的机载传输总线，在航空航天领域的应用日益广泛，如洛马公司F-16及意大利马基公司(Aermacchi)M-346上的全权限数字发动机控制系统、A-380的客舱压力控制系统、B-787"梦想"客机的环境控制系统以及庞巴迪飞机的飞控系统；同时TTP在铁路工业系统等商业开发领域的存在广阔的应用场景。TTP作为一种相对封闭的总线技术，其研究范围和技术推进不像以太网技术那么广泛和持续，其物理层的技术几乎无新的更新迭代导致传输带宽可扩展性差；同时由于航空电子全双工交换式以太网AFDX、时间触发以太网TTE以及光纤以太网等基于802.3标准的骨干网在航电系统中大量的应用，设计一种高确定性的、低成本、带宽适用的兼容以太网的网络替换TTP应用于航空分布式控制系统是极具潜力的。本发明设计的一种高确定性共享以太网相对于TTP而言，实现了与基于802.3标准的航电骨干网的无缝对接，无需额外设计协议转换技术，节省了飞机电子系统的软硬件资源，降低了成本。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种应用于共享式以太网的分式调度方法，在基于总线型的以太网传输形式上，不改变以太网物理层特性、传输协议栈和帧格式的基础上(兼容与原有的以太网对接传输)，根据接入通信的节点个数对配置的系统通信周期按照进行周期性的等长的时间槽划分，每个时间槽按照轮询机制均匀的分配给唯一的接入节点，节点在其分配时间槽上根据通信数据流的通信需求进行对应的通信时间片的划分，不同的时间片对应不同实时性等级的数据流，数据流对应的调度方式不一样：时间触发的数据流在固定的时间片到来进行调度，设计保留随机接入调度，并为通信端口分配时间片，设计分配的时间片分为三种接入形式，不同类别的时间片具有不同的划分方式，实现三种不同QoS等级的数据流传输服务，实现了数据流在总线型的共享以太网中高确定性的传输服务。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种应用于共享式以太网的分式调度方法，包含如下步骤：
步骤一：节点加载网络配置信息，获取分配的时间槽；
步骤二：节点对分配到的时间槽进一步划分为TT时间片和ET时间片；
步骤三、节点将待发送的数据按优先级发送给按时调度端口、定时调度端口或随机接入端口；
步骤四：按时调度端口、定时调度端口、随机接入端口将接收到的数据组帧后存入各自对应的按时调度数据帧队列、定时调度数据帧队列、随机接入数据帧队列；
步骤五、当TT时间片到达时，按时调度端口从按时调度数据帧队列中读取数据帧进行发送；
步骤六、当进入到ET时间片,且定时调度端口的调度定时器超时时，定时调度端口先判断ET时间片的余量是否满足承载定时调度数据帧队列中的数据帧发送所需要的带宽，如果满足则从定时调度数据帧队列中取出数据帧进行发送，否则等待下一个ET时间片；在ET时间片中，定时调度端口的调度定时器未超时或者超时时定时调度数据帧队列中无数据时，随机接入端口先判断ET时间片的余量是否满足承载随机接入数据帧队列中的数据帧发送所需要的带宽，如果满足从随机接入数据帧队列中取出数据进行发送，否则等待下一个ET时间片。
依据上述特征，时间槽是根据接入网络的节点个数对系统通信周期进行周期性的等长的划分来确定，每个时间槽只能由一个节点使用。
依据上述特征，TT时间片和ET时间片的划分是综合数据流传输的实时性等级、调度周期以及负载长度来进行划分的。
依据上述特征，一个时间槽中有若干个TT时间片和ET时间片。
本发明的有益效果在于：
本发明通过深入研究传统共享以太网网络通信特性以及航空电子通信领域的通信系统的需求特性，通过划分时间片，设计高确定性的接入通信方式，并实现数据流的冗余传输，极大的提高共享以太网的传输确定性和可靠性。同时航空电子全双工交换式以太网AFDX、时间触发以太网TTE以及光纤以太网等骨干网在航电系统中应用逐渐广泛，采用本发明中高确定性共享以太网为机载控制系统提供通信服务，在实现同一个飞机系统中控制网络和航电骨干网络对接上，将极大提高通信效率，减少了协议转化的难度，降低开发成本。该分式调度方法极大的丰富了用户对于航空电子系统的机载总线时钟同步设计选型等环节的方法；同时本发明的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。
附图说明
图1为系统通信周期的划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，共享式以太网由以太网总线传输介质和接入到以太网的节点组成。在共享式以太网中，根据接入以太网的节点个数将系统通信周期进行周期性的等长的时间槽划分，在满足等长划分的基础上根据系统通信要求确定每个系统通信周期持续的时间跨度，同时将划分的时间槽按照轮询机制均匀的分配每个节点，每个时间槽分配给唯一的节点，并将分配好的时间槽以网络配置信息方式加载到各接入节点。各节点根据分配的时间槽独占该时间槽的带宽。共享式以太网中各节点在同步功能下，根据各节点的本地同步时钟计时能够协同一致性的识别共享式以太网中分配的各个时间槽的边界，各节点将分配的时间槽对应的开始边界和结束边界作为接入信道进行通信调度的使能条件和禁能条件，每个节点只能在分配的时间槽的开始时刻点接入信道(系统中节点在分配的时间槽计时调度过程中禁止其它节点调度接入)。
各节点在已分配到自身的时间槽的基础上进一步实施时间片划分，综合数据流传输的实时性等级、调度周期以及负载长度等因素将时间槽划分的TT时间片和ET时间片，在TT时间片实施按时调度方式，在ET时间片上实施定时调度方式和随机接入方机。参见图1，时间轴上的灰色部分为TT时间片，白色部分为ET时间片。
为实现按时调度方式，在节点中设计了按时调度端口和按时调度数据帧队列，按时调度端口与按时调度数据帧队列之间建立映射关系，按时调度端口负责将待发送的最高优先级的数据用以太网协议进行数据帧组包，并写入按时调度数据帧队列。
为实现定时调度方式，在节点中设计了定时调度端口和定时调度数据帧队列，定时调度端口与定时调度数据帧队列之间建立映射关系，定时调度端口负责将待发送的次高优先级的数据用以太网协议进行数据帧组包，并写入定时调度数据帧队列。
为实现随机接入方式，在节点中设计了随机接入端口和随机接入数据帧队列，随机接入端口与随机接入数据帧队列之间建立映射关系，随机接入端口负责将待发送的最低优先级的数据用以太网协议进行数据帧组包，并写入随机接入数据帧队列。
各节点在本地同步时钟上计时调度，当计时值到达自身配置的时间槽时，节点将独享信道的带宽并使能信道接入调度功能，计时到达TT时间片的开始边界时刻点时使能按时调度方式，按时调度端口与按时调度数据帧队列中取出一帧数据进行发送(按时调度数据帧队列无数据帧将从其它两种数据队列提取数据发送，提高带宽利用率)。
节点的本地同步时钟在时间槽计时到达ET时间片开始边界时刻点，存在相应的定时调度端口的计时超时，使能该定时调度端口的定时调度方式，定时调度端口先判断ET时间片的余量是否满足承载定时调度数据帧队列中数据帧发送所需要的带宽，如果满足则定时调度端口从定时调度数据帧队列中取出数据帧进行发送，否则不输出定时调度数据帧队列的数据帧，并禁止发送等待下一个ET时间片开始边界到来再按上述定时调度方式调度；在ET时间片计时过程中，当定时调度端口计时未超时时，或者计时超时但定时调度数据帧队列无数据时才使能随机接入方式，同时在调度输出之前随机接入端口先判断ET时间片的余量是否满足承载随机接入数据帧队列中数据帧发送所需要的带宽，如果满足随机接入端口即刻输出随机接入数据帧队列中的数据帧进行发送，否则不输出随机接入数据帧队列中的数据帧，并禁止发送等待下一个ET时间片开始边界到达时先执行按时调度方式。
在航空机载领域中，网络点到点的传输距离相对较近，信号的传播时延相对于通信时延基本可以忽略不计。
综上所述，对于共享式以太网中节点的分式调度方法包含以下步骤：
步骤一：节点加载网络配置信息，获取分配的时间槽；
步骤二：节点对分配到的时间槽进一步划分为TT时间片和ET时间片；
步骤三、节点将待发送的数据按优先级发送给按时调度端口、定时调度端口或随机接入端口；
步骤四：按时调度端口、定时调度端口、随机接入端口将接收到的数据组帧后存入各自对应的按时调度数据帧队列、定时调度数据帧队列、随机接入数据帧队列；
步骤五、当TT时间片到达时，按时调度端口从按时调度数据帧队列中读取数据帧进行发送；
步骤六、当进入到ET时间片,且定时调度端口的调度定时器超时时，定时调度端口先判断ET时间片的余量是否满足承载定时调度数据帧队列中的数据帧发送所需要的带宽，如果满足则从定时调度数据帧队列中取出数据帧进行发送，否则等待下一个ET时间片；在ET时间片中，定时调度端口的调度定时器未超时或者超时时定时调度数据帧队列中无数据时，随机接入端口先判断ET时间片的余量是否满足承载随机接入数据帧队列中的数据帧发送所需要的带宽，如果满足从随机接入数据帧队列中取出数据进行发送，否则等待下一个ET时间片。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于共享式以太网的分式调度方法，包含如下步骤：
步骤一：节点加载网络配置信息，获取分配的时间槽；
步骤二：节点对分配到的时间槽进一步划分为TT时间片和ET时间片；
步骤三、节点将待发送的数据按优先级发送给按时调度端口、定时调度端口或随机接入端口；
步骤四：按时调度端口、定时调度端口、随机接入端口将接收到的数据组帧后存入各自对应的按时调度数据帧队列、定时调度数据帧队列、随机接入数据帧队列；
步骤五、当TT时间片到达时，按时调度端口从按时调度数据帧队列中读取数据帧进行发送；
步骤六、当进入到ET时间片,且定时调度端口的调度定时器超时时，定时调度端口先判断ET时间片的余量是否满足承载定时调度数据帧队列中的数据帧发送所需要的带宽，如果满足则从定时调度数据帧队列中取出数据帧进行发送，否则等待下一个ET时间片；在ET时间片中，定时调度端口的调度定时器未超时或者超时时定时调度数据帧队列中无数据时，随机接入端口先判断ET时间片的余量是否满足承载随机接入数据帧队列中的数据帧发送所需要的带宽，如果满足从随机接入数据帧队列中取出数据进行发送，否则等待下一个ET时间片。
2.根据权利要求1所述的一种应用于共享式以太网的分式调度方法，其特征在于所述时间槽是根据接入共享式以太网的节点个数对系统通信周期进行周期性的等长的划分来确定，每个时间槽只能由一个节点使用。
3.根据权利要求1所述的一种应用于共享式以太网的分式调度方法，其特征在于TT时间片和ET时间片的划分是综合数据流传输的实时性等级、调度周期以及负载长度来进行划分的。
4.根据权利要求1所述的一种应用于共享式以太网的分式调度方法，其特征在于一个时间槽中有若干个TT时间片和ET时间片。
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