CN108777660A - 一种在时间触发fc网络中业务调度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，涉及FC网络领域，包括如下步骤：建立网络模型，计算集群周期，确定每一个时间触发消息的单个时隙长度；按照一定的规则确定TT消息的优先级；规划TT消息传输的链路；检测TT消息的可调度性；选取优先级最高的TT消息安排此TT消息的时隙；根据此TT消息的周期性和传输链路，安排其他所有时隙；安排下一个优先级的TT消息，求解出满足所有TT消息在所有链路中无冲突、周期性发送的时隙图；根据全网全业务时隙图，求解出每个终端和交换机中的发送和接收时间调度表。本发明的方法保证了在光纤通道网络中消息确定性的发送和接收，满足复杂应用系统中实时消息调度的需求，使得上层应用系统性能更加确定可靠。

Description

一种在时间触发FC网络中业务调度的方法
技术领域
本发明涉及FC网络领域，尤其涉及一种在时间触发FC网络中业务调度的方法。
背景技术
随着航空电子系统综合化程度的逐渐提高，航空电子网络朝着大吞吐量、强扩展性、强实时性的方向发展。FC(Fiber Channel)是凭借具有高带宽、高速率和低延迟等优点，目前是较好的航空电子网络解决方案之一。航空电子网络的实时性是近些年研究的热点，目标是确保航电消息从发出到接收，即消息的端到端延时满足一定的时间约束。为支持FC协议在航电系统中的应用，FC协议标准开发委员会专门组织建立一个分委会，该分委会制定出针对航空电子环境下的协议草案，即FC-AE(光纤通道航空电子环境)，其内容就是扩展FC协议，同时发展以光纤通道为基本的航电增强型专用系统[2]。FC-AE-ASM(光纤通道航空电子环境匿名消息)作为FC-AE协议的子集，就是针对航电系统应用而提供的上层协议，用于航电系统各设备间安全和低延迟。为了保障强实时性，近年来时间触发机制开始引入航空电子网络，时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet,TTE)就是其中的典型。TTE是在交换式以太网的基础上加入时间触发机制升级而来，它引入了全局时钟的概念，能够让消息的发送和转发都是完全按照预先的规划在确定的时刻进行，从而避免了消息的冲突。
TTE已成为众多领域的研究热点，TTE是完全兼容标准以太网，能同时满足实时与非实时应用需要的严格确定性网络，如今在国外已应用到发动机控制系统、风能系统、IMA分布系统、载人飞船和火星探测项目中。目前FC协议现已广泛应用于各个行业领域中，特别是对于稳定可靠性要求非常高的航电领域，FC网络相对于以太网具有稳定性，可靠性更高，时延更小的优势，但是在实时性方面，光纤通道网络的调度算法仍然存在很多不确定性无法满足强实时性消息的要求。因此在FC协议中加入时间触发的机制已满足强实时性的要求在航电或者车载领域是必然的趋势。
目前国内外的研究中，论文“STEINER W.An Evaluation of SMT-based ScheduleSynthesis for Time-Triggered Multi-Hop Networks[C]//2010 IEEE 31st Real-TimeSystems Symposium(RTSS).IEEE,2010:375-384.”，以及论文“POZO F,RODRIGUEZ-NAVASG,HANSSON H et a l.SMT-based Synthesis of TTEthernet Schedules:a PerformanceStudy[C]//10th IEEE I nternational Symposium on I ndustrial Embedded Systems,IEEE,2015:1-4”中，结合时间触发机制，提出的时间触发以太网TTE中的离线调度算法采用可满足性模型理论(Satisfiability Modulo Theories,SMT)解析器的TT消息调度表生成算法，这种算法在状态空间中穷尽搜索，导致了调度需花费大量运算时间和空间，算法执行效率低。
专利公开号为CN201110187723.3的发明专利申请“一种适用于时间触发交换式网络的周期调度时刻表构建方法”，这种方法采用左端紧缩的方式，只规划发送端的时隙，未考虑消息若链路无冲突则时隙可冲突情况，导致带宽利用率低。
论文“刘建中，王嘉良，袁泉.光纤通道时间触发调度方案设计.航空电子技术[J].2017.02.07.”的光纤通道时间触发调度方案设计中未考虑链路中间节点的时隙冲突，导致TT消息传输过程中的不确定性。
发明内容
本发明的目的在于：为解决现有的FC网络中业务调度方法中以下这3个问题：(1)解决现有调度算法花费大量运算空间，算法执行效率低；(2)只规划发送端的时间调度表，未考消息传输链路不冲突，则时隙可冲突的情况，提高现有调度算法的带宽利用率；(3)未考虑链路中间节点的时隙冲突，导致消息传输的不确定性；本发明提供一种在时间触发FC网络中业务调度的方法。
本发明的具体方案如下：
一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，FC光纤通道协议中在FC-2层加入了时间调度层，在FC光纤通道中传输的消息包括TT消息和普通FC通信任务，TT消息根据时间调度表传输，所述时间调度表的生成方法包括如下步骤：
S1：建立网络模型，计算网络模型的集群周期，确定TT消息的单个时隙长度；
S2：按照一定规则确定TT消息的优先级；
S3：根据TT消息最短传输链路的计算结合负载均衡规划所有TT消息传输的链路；
S4：检测所有TT消息的可调度性；若TT消息不可调度，则减少TT消息是数量或者提高网络传输速率；
S5：若TT消息可调度，则根据优先级排序，确定优先级最高的TT消息在源终端链路中与所有链路时隙均不冲突的第一个空闲时隙位置；再根据TT消息的周期性，确定TT消息在集群周期中的其他所有的空闲时隙位置；
S6：重复S5安排下一个优先级的TT消息,求解出满足所有TT消息在所有链路中无冲突、周期性发送的时隙图。
S7：根据全网全业务时隙图，求解出每个终端和交换机中的发送和接收时间调度表。
具体地，所述S1中，一种TT消息单个时隙的长度为此TT消息发送的时间、链路延时、交换机/节点卡处理延迟与IDLE长度之和。
具体地，S3中，计算每个TT消息的最短传输链路，且最短传输链路作为优选链路，若负载不均衡则通过负载均衡选取消息传输的次优链路。
具体地，所述S3包括：
S31：计算网络拓扑中的交换机与交换机相连的链路数目msw-sw；
S32：计算S31中求得的所有链路上所占用的带宽分别表示为
S33：若任意一条链路Bi≥Btol-sw-sw/msw-sw，该链路需负载均衡重新规划链路，则依次选取该链路上优先级最低的TT消息j的次优链路使其经过带宽较为空闲的链路，得到新的带宽集合集合；其中，Btot-sw-sw为msw-sw条链路需要安排的总带宽为；否则，则结束负载均衡流程；
S34：判断此时新的带宽集合中其他任意一条链路上占用的带宽是否超过第i条链路上占用的带宽，若超过，则停止负载均衡流程，得到的结果为上一个优先级消息规划后的链路；若没有超过，则重复S33。
具体地，S4中，在S3确定消息的传输路径后，任意传输链路所传输的消息的总带宽B＝{B1,B2...Bi...B2m}，m为网络中全双工链路的数量。若时，才能保证链路速率能够完成链路的消息集的发送，TT消息可调度。若则说明链路的传输速率不够需求，需增加链路速率来完成消息任务集的传输。
具体地，所述S5具体为：该TT消息的源终端链路开始在该TT消息的截止期内从左往右查询第一个源终端的空闲时隙，根据S3中确定的TT消息所经过的链路，查询该源终端时隙是否满足TT消息所经过的链路时隙依次增加其一个时隙长度后与已经安排好的时隙都不冲突以及一个集群周期中的时隙可安排；若冲突，则查找下一个源终端的空闲时隙直到所有链路时隙不冲突，一个集群周期中的所有链路时隙可安排为止，确定此TT消息源终端链路的时隙；再根据TT消息的周期性和TT消息的传输路径，确定TT消息在集群周期中的其他所有的时隙位置；
具体地，所述S6具体为：重复S5安排下一个优先级的TT消息，求解出满足所有TT消息在所有链路中无冲突、周期性发送的时隙图。
具体地，所述S7具体为：若需提取终端或交换机发送时间调度表，则在全网时隙图中求解源端是该终端或交换机的时隙图；若需提取终端或交换机接收时间调度表，则在全网时隙图中求解目的端是该终端或交换机的时隙图。
采用上述方案后，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出的业务调度的方法，只有在TT消息排序中需要的空间复杂度为O(n)。而在SMT方法中在整个空间构成的二叉树中进行深度优先搜索，需要进行回溯搜索，空间复杂度与回溯搜索的实现方式有关，通常都大于O(n2)，因此本发明提出的算法空间复杂度低，可以更好的满足航空航天复杂系统中实时数据配置的需求。
(2)本发明提出的业务调度的方法，结合最短链路和负载均衡计算每条消息链路的方法所研究的拓扑网络不仅适用于交换式网络也适用于有环网络，应用的范围广泛，通过负载均衡算法对消息链路进行二次规划，不会出现某条链路的负载远远超过其他链路的负载的情况，使得在时间调度表的生成中平衡所有链路时隙数，平衡了各个链路的传输，提高了算法的可调度性，合理地利用了资源。
(3)时间调度表的生成中，对于所有TT消息源端链路时隙安排按照背靠背的方式，减少了集群周期中分散的时间片。因此，连续的空闲时间片，极大的保证了普通FC消息任务的传输。
(4)本发明提出的业务调度的方法，是由网络拓扑结构结合业务类型和TT消息的传输链路统一规划时隙，不仅规划发送端节点的时隙，而且安排消息经过的所有节点和接收端节点的时隙，若只规划发送端时间调度表，则未考虑消息的传输链路如果不同，则时隙可冲突情况。因此，本方法提高了链路的带宽利用率。
(5)本发明提出的FC光纤通道网络中时间触发机制的加入和基于整个网络的业务调度方法的提出，使得所有TT消息在确定的时间发送和接收消息，保证了在光纤通道网络中对于强实时性消息确定性的发送和接收。而且结合一个时隙长度的确定，TT消息优先级的排序和所有TT消息最优传输链路的确定计算出的所有TT消息的时隙，保证了在复杂网络中TT消息经过的每个节点时隙的不冲突。
(6)本发明在规划时间调度表之前判断网络是否可以调度所有的周期性TT消息，保证了业务调度方法执行的可行性。
综上所述，本发明对于后续FC光纤通道实时性的研究和航电系统的发展非常有价值。
附图说明
图1为本发明的业务调度的方法部分流程图；
图2为本发明的负载均衡方法流程图；
图3为本发明的TT-FC层次结构图；
图4为本发明的TT-FC网络帧格式图；
图5为本发明的网络设备系统整体结构图；
图6为本发明实施例中提到的简单网络拓扑结构图；
图7为本发明实施例中的有环拓扑网络模型图；
图8为本发明FC网络中的延迟示意图；
图9为本发明的一个时隙长度示意图；
图10为本发明的一条全双工链路的时隙图表示；
图11为本发明中一个TT消息传输时隙的约束；
图12为本发明中一个TT消息在集群周期中的时隙示意图；
图13为本发明的一个实例的全网全业务时间调度表。
具体实施方式
下面，将结合附图与具体实施例，对本发明进行更加清楚、完整的说明。
提出的TT消息业务调度的方法基于以下假设：
(1)网络中进行调度的TT消息都是周期性消息；
(2)所有的TT消息都可以封装在一个帧内，这样可以保证每个消息在一个时间槽内传输完毕。该时隙的长度必须大于消息的链路延时，交换机处理延迟与消息发送时间之和。
首先介绍本发明的时间调度表的类型，在本发明中，时间调度表包括交换机端口发送表、交换机端口接收表、网络接点卡发送表和网络接点卡接收表，每个类型的时间调度表的存放位置、功能和数目具体情况如表1所示。
表1
本发明的前提是将时间触发机制引入FC网络中，对于具体的体系架构设计如图3所示。此体系构架设计有以下几个关键点：
(1).在FC-2层增加时间调度层，负责全网络时间的同步以及对于各个节点和交换机网络的时间调度表的配置。(2).消息服策略设计，在FC协议的基础上，消息设计分为两类：时间触发消息(Time-Triggered,TT)和普通FC任务消息，在本发明中，简称为普通消息。(3).如图4所示，具体而言，FC协议中帧头TYPE的保留字段0x4F设计为TT帧，其他TYPE类型为普通的FC任务消息，本领域技术人员应当知晓，也可以设计其他的TYPE字段。在整个构架中，TT消息是为了时间确定性发送设计的消息类型，消息的发送和接收严格按照网络节点和交换机中的时间调度表来触发，它的优先级高于普通的FC帧，如ELS帧等。TT消息用于传输时间确定性的关键类消息，从而保证它们的实时性，而其余的FC帧利用时间调度表中的空闲时隙发送。
整个FC网络系统中，各个终端系统和交换机分别都有发送和接收时间调度表，TT消息会严格按照时间调度表进行转发和接收；若TT消息在已经确定的时间到达则转发，否则丢弃。时间调度表的配置，时间调度网络交换机和端系统整体组成主要由硬件、驱动和应用软件三部分。主要功能在硬件中实现，比如时钟同步、发送和接收数据等。如图5所示，本实施例的时间调度表为上层软件可以通过TCP/IP与底层的交换机或者节点卡控制台程序进行通信，通过驱动配置到硬件寄存器中。
接下来，将在简单的拓扑网络中对于TT消息的传输过程、链路以及时间调度表的作用进行详细说明。如图6所示，终端ES1和ES2与交换机SW1相连，m1为ES1发送到ES2的TT消息，f1为普通的FC通信任务。SS和SR分别为发送和接收时间调度表；TTS和TTR分别为发送和接收TT任务模块；Q为非实时性消息的缓冲队列；FU为过滤单元判断接收到的消息类型。ES1发送的消息调度表记为SES1-S,ES2接收的消息调度表记为SES2-R，SW1交换机向ES2端系统转发接收到的TT任务的周期时间调度表记为SSW1-ES2-S，SW1交换机接收到ES1发送的TT任务的周期时间调度表记为SSW1-ES1-R则根据我们的设计可以容易得出SSW1-ES1-R＝SES1-S,SES2-R＝SSW1-ES2-S。
TT消息m1由终端ES1中的时间触发消息发送模块TTS根据SS时间调度表发送到SW1，除此之外时间触发调度表为网络提供容错服务，如果m1消息的任务发生故障并产生比预期更多的消息，ES1上的TT发送任务TTS将保护网络仍按照时间调度表SS规定的时刻发送消息。消息f1则在缓冲队列中根据SS中空闲的时隙发送。
SW1交换机接收到的消息首先经过FU过滤模块的处理，根据FC帧头中的TYPE字段将消息交由不同的模块处理。如果为TT消息，交换机中的TT接收任务模块TTR依赖于存储在SW1中的接收时间调度表SR检查TT消息m1是否在接收窗口内到达，正确接收后交由交换机中的TTS根据SS转发到相应的端口，若在窗口之外则TTR将丢弃这样的错误帧。如果为f1非实时性消息则将其保存到发送缓冲队列中根据交换机中SS中空闲的时隙发送。
对于复杂的环形拓扑网络结构，TT消息的传输过程、链路以及时间调度表的作用与简单的拓扑网络结构相同。
下面，在对基础概念、原陈述理进行解释后，将结合以下实施例对发明进行更加清楚、完整的说明。
实施例1
本实施例的在时间触发FC网络业务调度的方法中，FC光纤通道协议在FC-2层加入了时间调度层，在FC光纤通道中传输的消息包括TT消息和普通消息，所述时间调度表的生成算法包括如下步骤：
S1：建立网络模型，计算集群周期，确定单个时隙长度；
具体地，网络模型表示为G{V,E}，其中V是网络中所有的交换机和终端，E是网络中交换机和终端之间的所有的通信链路。在图7典型的拓扑结构中集和V＝{ES1,ES2,ES3,ES4,ES5}U{SW1,SW2，SW3},其中ESi和SWi分别表示终端和交换机。网络中的通信链路集是E＝{L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8}，其中Li＝[Vj,Vk]U[Vk,Vj]，0≤i≤n，其中，Vj表示链路的源终端，Vk表示链路的目的终端。本发明针对的是全双工的网络，及每个通信链路都是全双工链路，所以，每个链路都由两个方向来表示，比如链路Li＝[Vj,Vk]U[Vk,Vj]，既表示Vj到Vk的单向链路，也表示Vk到Vj的单向链路。
用M＝{m1,m2,...,mi,...,mn},0≤i≤n来表示网络中n个周期性TT消息的集合，每个消息用mi＝(li,pi,di,vsrc,vdest)∈M来表示，其中vsrc表示消息源终端，vdest表示消息目的终端，si表示消息的长度，pi表示消息的周期，di表示消息的截止期表示消息在一个周期pi中最迟发送的时间。在消息的周期内，在新的数据到达之前，旧的数据必须传输出去，那么周期消息的截止期至少要小于或等于其周期。
对于计算集群周期，集群周期用TLCM表示，即为所有消息周期的最小公倍数，集群周期在整个消息传输过程中周期性地重复实现时间触发消息的连续传输。
对于时隙长度的计算，要保证每一个时隙的时间长度都能为对应TT帧提供完整的传输空间，所以设计TT消息的每一时隙长度时要考虑传输每一个TT帧时所花费的时长。如图8在帧传输过程中还需考虑链路延迟t1和设备的处理延迟t2，考虑发送设备和接收设备的处理延迟所以总的设备处理延迟为2t2。因此，一种TT消息单个时隙长度为此TT消息发送的时间、链路延时、交换机/节点卡处理延迟与IDLE长度之和，如图9所示。
具体而言，若系统时钟设置为106.25MHz，传输时使用4Bytes的位宽，对于一个帧长等于最大帧长2156Bytes的TT帧，传完此帧需要花费2156/4＝539个时钟单位，最大帧传输所用时长为
即5μs。
在每一个时隙的末端加入tIDLE,是为了防止传输过程中上一个基本周期未传完的消息对下一个周期产生影响。在航空航天环境中网络的拓扑结构固定，每条链路的长度不超过300米，因此本文约定为300米长的链路延迟，
t2＝1.5μs
tIDLE＝0.5μs
通过计算，一个具有FC协议最大帧长的TT消息的单个时隙长度为：
Tts＝tFC最大帧+t1+2t2+tIDLE＝5.0+1.5+2×1.5+0.5＝10μs
S2：确定TT消息的优先级的方法，在业务调度中，周期性任务可以按照单调速率进行优先级的确定；所述规划TT消息优先级的方法可以为单调速率算法(RM调度算法)，单调速率调度算法是Liu和LayLand提出的一种静态优先级调度算法，并且已经被证实是目前最优的静态优先级调度算法，该算法认为任务周期越长，则任务执行允许的延时越长。RM算法规定任务的优先级由其执行周期长度确定，具体为：TT消息的周期越短，优先级越高，周期越长，优先级越低；也就是说，优先级高的任务，也就是周期短的任务总是会优先被执行；若周期相同的消息则根据与消息的长度决定其优先级高低，消息长度越长优先级则越高。因为在周期相同的情况下，消息长度越长，执行的时间也越长，要在截止期前发送出去，相对于消息长度短的消息则需先调度，所以优先级越高；也可以为根据具体环境的业务类型规划TT消息的优先级，在本发明中优先级确定的方法按照实际的需求而自行设定。
S3：根据负载均衡即S2中求得的优先级规划TT消息发送的链路；本发明结合最短链路和负载均衡计算每条消息的链路的方法,不仅适用于交换式网络也适用于有环网络，有环网络中端到端的发送接收可到达的链路可能不止一条，网络中交换机节点处理消息需要时间，线路传输消息也需要时间，所以消息传输链路的长度对消息传输的延时有正比关系，确定每个消息的最短传输链路能降低消息传输过程中的延时。但是最短链路所经过的某条链路的负载可能的远远超出其他链路的负载，所以还需对某些消息进行链路的重新规划，选取次优链路。
对于最优链路(最短链路)的选择，本实施例中采用Dijkstra算法计算最短传输链路，Dijkstra算法的方法是创建一个以源点为根的最短链路树，同时，维护两个集合，记为A和B，集合A包含的是最短链路树中所有的节点，集合B包含的是其它的节点，此算法中的每一步都从集合B中选出到源点最短的一个节点。具体而言，对于图7中的有环拓扑网络模型而言，根据Dijkstra算法，假设每条链路的权值为1，可以很容易的计算出每个源终端到目标终端(即源节点到目标节点)总共条的最短链路，如表2所示：
表2
源节点-目标节点(全双工系统反过来同样成立) 最短链路
ES1-ES2 ES1-SW1-SW2-ES2
ES1-ES3 ES1-SW1-SW3-ES3
ES1-ES4 ES1-SW1-SW2-ES4
ES1-ES5 ES1-SW1-SW3-ES5
ES2-ES3 ES2-SW2-SW3-ES3
ES2-ES4 ES2-SW2-ES4
ES2-ES5 ES2-SW2-SW3-ES5
ES3-ES4 ES3-SW3-SW2-ES4
ES3-ES5 ES3-SW3-ES5
ES4-ES5 ES4-SW2-SW3-ES5
本发明的负载均衡的方法将结合图7作具体说明：
S31：计算网络拓扑中的交换机与交换机相连的链路数目msw-sw，如图7所示，网络中交换机与交换机相连的链路数目共有3条，则msw-sw＝3，为L2，L5，L6；
假设有如表3中的需发送消息的列表，表3中显示了通过Dijkstra算法求得的最短链路。
表3
S32：计算S31这msw-sw条链路上所分别占用的带宽以及Btot-sw-sw，则Bi为所有经过这条链路的消息在占用的带宽为：
X代表经过第i条链路的消息总数
已表3消息为例，集群周期为8，消息1,2,3经过L2单向链路[SW1,SW2]，所占用的带宽为B2-SW1-SW2＝8×105+5.12×105+5.12×105＝1.824×106bit/s；消息4,6经过L5单向链路[SW3,SW2]，所占用的带宽为B5-SW3-SW2＝1.28×105+4×105＝5.28×105bit/s；消息5经过L6单向链路[SW3,SW1]，所占用的带宽为B6-SW3-SW1＝6.4×105bit/s，Btot-sw-sw＝2.992×106bit/s，B2-SW1-SW2＝1.8×106bit/s＞Btol-sw-sw/msw-sw＝9.97×105bit/s。
S33：若任意一条链路的Bi≥Btol-sw-sw/msw-sw，该链路需负载均衡重新规划链路，则依次选取该链路上优先级最低的TT消息j的次优链路使其经过带宽较为空闲的链路，得到新的带宽集合集合；其中，Btot-sw-sw为msw-sw条链路需要安排的总带宽为；否则，则结束负载均衡流程；
S34：判断此时新的带宽集合中其他任意一条链路上占用的带宽是否超过第i条链路上的占用的带宽，若超过，则停止负载均衡流程，得到的结果为上一个优先级消息规划后的链路；若没有超过，则重复S33。
对于表3而言，选取经过L2链路上优先级最小的消息3，计算其次优链路，计算次优链路的方法可以在图中去掉L2链路，利用Dijkstra算法计算，则消息3经过的链路为ES2-SW1-SW3-ES3。L2，L5，L6需占用的带宽依次变为1.312×106bit/s，1.04×106bit/s，1.152×106bit/s。若再对L2上的消息2进行规划则L2，L5，L6需占用的带宽依次变为8×105bit/s,1.552×106bit/s,1.664×106bit/s，则L5，L6的时隙个数超过了L2，停止负载均衡。得到的最终结果L2，L5，L6为1.312×106bit/s,1.04×106bit/s,1.152×106bit/s。因此，在最短路径的基础上，消息3选择其次优路径为ES2-SW1-SW3-ES3达到负载均衡。
S4：检测所有TT消息的可调度性；若TT消息不可调度，增加网络节点或者增加链路速率；具体而言，判断过程如下：
S4中，在S3确定消息的传输路径后，任意传输链路所传输的消息的总带宽集合B＝{B1,B2...Bi...B2m}，m为网络中全双工链路的数量。若时，才能保证链路速率能够完成链路的消息集的发送，TT消息可调度。若则说明链路的传输速率不够需求，需增加链路速率来完成消息任务集的传输。
S5：若TT消息可调度，则根据优先级排序，从高优先级的TT消息的源终端链路开始在该TT消息的截止期内从左往右查询第一个源终端的空闲时隙，根据S3中确定的TT消息所经过的链路，查询该源终端时隙是否满足TT消息所经过的链路时隙依次增加其一个时隙长度后与已经安排好的时隙都不冲突以及一个集群周期中的时隙可安排为止；若冲突，则查找下一个源终端的空闲时隙直到所有链路时隙不冲突，一个集群周期中的所有链路时隙可安排为止，确定此TT消息源终端链路的时隙；再根据TT消息的周期性和TT消息的传输路径，确定TT消息在集群周期中的其他所有的时隙位置；
S6：重复S5安排下一个优先级的TT消息,求解出满足所有TT消息在所有链路中无冲突、周期性发送的时隙图；
S7：根据全网全业务时隙图，求解出每个终端和交换机中的发送和接收时间调度表。
为了更好地理解本发明，本发明将从数学模型上对具体过程及其原理进行解释。假设有n个不同的周期性的TT消息应用，用M＝{m1,m2,...,mi,...,mn},0≤i≤n表示其中mi＝(li,pi,di,vsrc,vdest)∈M。则所有消息的集合为：
其中，表示消息ID为i的消息在一个集群周期中第j个实例消息。
网络中的通信链路集是E＝{L1,L2...Li...Lm},1≤i≤m，其中，Li＝[Vj,Vk]U[Vk,Vj]，全双工网络，因此共2m条链路。如图10所示，时间轴的每行代表两条通信链路，时间轴上部分为时间轴的上方节点卡/交换机发送到下方节点卡/交换机的链路，时间轴下部分为时间轴的下方节点卡/交换机发送到上方节点卡/交换机的链路。
在这个消息集合中每一个实例的消息在网络中需要安排的时间槽的个数为其传输链路上所经过的链路数目。则所有需安排的时隙位置的集合为：
其中，1≤i≤n,xi＝TLCM/Pi，代表第i个消息在一个集群周期中的第j个实例消息需要安排的第k个时隙位置。则需要安排的时隙总数为
其中，X代表每个实例消息需要安排的时隙个数。
综上所示，本发明中，所要解决的问题转换为将消息集合中的所有消息在保证周期性的前提下无冲突的安排在时间调度表的时隙上，也是就是找到满足上述条件的S集合。
接下来，通过建立数学模型和约束条件可以得到整个网络的时间调度表。
四种约束条件分别是：周期性、优先级、消息链路和占用的时间片数量最少。下面，将分别对着四种约束条件进行详细说明。
周期性：根据每一个实例消息的周期性，我们可以得到时隙的关系为：
优先级：每一个终端系统发送的不同的周期性TT消息需按照优先级进行排列，假设终端ES1需要发送M1周期为5ms，M5周期为2ms，根据单调速率算法可以得出优先级顺序为M5>M1，则时隙的安排必须满足：
消息链路：每一个TT消息在其传输链路上经过下游链路比上游链路后推一个时隙的长度，则时隙必须满足：
具体的S5为：如图11所示以网络中的表1的TT消息m1在一个集群周期中的第一个实例消息为例，所经过的传输链路为ES1-SW1-SW2-ES2，由S1可以计算出m1需要的时隙长度为假设ES1-SW1链路中的第1个时隙发送则SW1-SW2链路上增加一个时隙长度第2个该消息长度的时隙转发SW2-ES2链路上第3个该消息长度的时隙转发到目的终端ES2。
具体的S6为：如图12所示，以网络中表1的TT消息m1为例，其周期为1ms，S5已经确定其源端链路的时隙，则根据其1ms的周期性传输和S3中确定的消息链路，可以得到TT消息m1的所有实例消息在一个8ms集群周期中经过的链路的所有时隙；其他优先级的TT消息，重复S5则可得到其在一个集群周期中的所有时隙的位置。
占用的时间片数量最少约束：由于高优先级的TT消息的影响，普通的FC帧只能在离散的时间片内发送。若TT消息的时隙安排分散，则可利用的时间片较分散，不利于其他消息的传输，增加了其他消息的延迟，因此为了避免这一现象发生，应尽量保证每个TT应用消息是背靠背的传输。
根据所有的约束条件和数学模型，可以很容易求解出满足所有条件的一个S集合。
本发明的实施例中，按照图7所示的网络拓扑中有3个交换机(SW1、SW2和SW3)和5个终端节点(ES1、ES2、ES3、ES4和ES5)。
需要发送的20种周期性的TT消息，消息的信息主要是源终端、目的终端、长度、截止期和周期。消息长度的单位为字节(Byte)，截止期和周期的单位为毫秒(ms)。以及通过Dijkstra算法和负载均衡计算出消息的链路，将链路上经过的交换机列在表4中。
表4
集群周期为32ms,则根据上述的约束条件和算法可以得出的解出整个网络的时间调度表，如图13所示，具体的如S7所述：通过整个网络的时间调度表，可以得到本发明的每个交换机和节点卡的发送和接收时间调度表，以SW1的发送时间调度表为例，在图13中提取出源端是SW1的链路时隙安排图为SW1-ES1，SW1-SW2，SW1-SW3，提取出的链路数由SW1相连的设备决定。

Claims (8)

1.一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，FC光纤通道协议中在FC-2层加入了时间调度层，在FC光纤通道中传输的消息包括TT消息和普通FC通信消息，TT消息根据时间调度表进行调度，其特征在于，所述时间调度表的生成方法包括如下步骤：
S1：建立网络模型，计算网络模型的集群周期，确定TT消息的单个时隙长度；
S2：按照一定规则确定TT消息的优先级；
S3：根据TT消息最短传输链路的计算结合负载均衡规划所有TT消息传输的链路；
S4：检测所有TT消息的可调度性；若TT消息不可调度，则减少TT消息的数量或者提高网络传输速率；
S5：若TT消息可调度，则根据优先级排序，从当前未安排的TT消息中选取优先级最高的TT消息确定其在源终端链路中与所有链路时隙均不冲突的第一个空闲时隙位置；再根据TT消息的周期性和传输路径，确定TT消息在一个集群周期中其他所有的空闲时隙位置；
S6：重复S5安排下一个优先级的TT消息,求解出满足所有TT消息在所有链路中无冲突、周期性发送的时隙图；
S7：根据全网全业务时隙图，求解出每个终端和交换机中的发送和接收时间调度表。
2.根据权利要求1所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，所述S1中，一种TT消息单个时隙的长度为此TT消息发送的时间、链路延时、交换机/节点卡处理延迟与IDLE长度之和。
3.根据权利要求1所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，S3中，计算每个TT消息的最短传输链路，且最短传输链路作为优选链路，若负载不均衡则通过负载均衡选取消息传输的次优链路。
4.根据权利要求3所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，具体地，所述S3包括：
S31：计算网络拓扑中的交换机与交换机相连的链路数目msw-sw；
S32：计算S31中求得的所有链路上所占用的带宽分别表示为
S33：若任意一条链路Bi≥Btol-sw-sw/msw-sw，该链路需负载均衡重新规划链路，则依次选取该链路上优先级最低的TT消息j的次优链路使其经过带宽较为空闲的链路，得到新的带宽集合集合；其中，Btot-sw-sw为msw-sw条链路需要安排的总带宽；否则，则结束负载均衡流程；
S34：判断此时新的带宽集合中其他任意一条链路上占用的带宽是否超过第i条链路上占用的带宽，若超过，则停止负载均衡流程，得到的结果为上一个优先级消息规划后的链路；若没有超过，则重复S33。
5.根据权利要求1所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，S4中，在S3确定消息的传输路径后，任意传输链路所传输的消息的总带宽集合B＝{B1,B2...Bi...B2m}，m为网络中全双工链路的数量。若时，才能保证链路速率能够完成链路的消息集的发送，TT消息可调度。若则说明链路的传输速率不够需求，需增加链路速率来完成消息任务集的传输。
6.根据权利要求1所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，所述S5具体为：该TT消息的源终端链路开始在该TT消息的截止期内从左往右查询第一个源终端的空闲时隙，根据S3中确定的TT消息所经过的链路，查询该源终端时隙是否满足TT消息所经过的链路时隙依次增加其一个时隙长度后与已经安排好的时隙都不冲突以及一个集群周期中的时隙可安排为止；若冲突，则查找下一个源终端的空闲时隙直到所有链路时隙不冲突，一个集群周期中的所有链路时隙可安排为止，确定此TT消息源终端链路的时隙；再根据TT消息的周期性和TT消息的传输路径，确定TT消息在集群周期中的其他所有的时隙位置。
7.根据权利要求1所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，所述S6具体为：重复S5安排下一个优先级的TT消息，求解出满足所有TT消息在所有链路中无冲突、周期性发送的时隙图。
8.根据权利要求书1所述的一种在时间触发FC网络中业务调度的方法，其特征在于，所述S7具体为：若需提取终端或交换机发送时间调度表，则在全网时隙图中求解源端是该终端或交换机的时隙图；若需提取终端或交换机接收时间调度表，则在全网时隙图中求解目的端是该终端或交换机的时隙图。
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