CN108847961B - 一种大规模、高并发的确定性网络系统 - Google Patents

一种大规模、高并发的确定性网络系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规模、高并发的确定性网络系统，本发明属于网络通信系统技术领域，包括网络冗余系统、系统分区策略系统、同步时钟控制系统和传输调度策略系统；所述网络冗余系统通过故障监控和速率控制保证网络可靠性；所述系统分区策略系统用于业务流量的隔离控制，提高网络的规模和并发程度；所述同步时钟控制系统为网络的确定性提供时钟基准，用于保证全局网络设备的本地时钟同步；所述传输调度策略系统通过优先级配置生成调度优化策略，用于合理运用网络带宽资源，提高消息的并发性，同时能扩大网络规模。

Description

一种大规模、高并发的确定性网络系统
技术领域
本发明属于网络通信系统技术领域，具体涉及一种大规模、高并发的确定性网络系统。
背景技术
确定性网络被用于工业控制、航空机载网络和军事通信等具有特定应用的领域，通过确定的网络拓扑和协议配置完成确定流向的数据传输，达到数据和资源互联互通的目的。然而，随着所使用网络技术的日渐成熟和网络数据的规模化，随着确定性网络综合程度的不断提高，信息传输需求进一步宽带化和多样化。比如目前大型飞机新的应用功能(例如大屏幕显示、数字地图、空地数据链等)对网络数据传输的能力提出了更高的要求。因此，确定性网络的完整性问题也越来越受到关注。
在关键安全系统中，不仅对可靠性和精度等指标有严格的标准，还在高实时性、低延时、低抖动等技术指标上提出了更严格的要求。随着网络的发展和数据的多样性以及数据量的不断增大，使得对网络高带宽要求越来越高。传统的总线技术已经不能满足确定性网络的需求，时间触发以太网技术建立在标准以太网基础上，融合了标准以太网协议、AFDX协议和时间触发协议。时间触发以太网技术拥有高可靠性、高实时性、高速率等特性，是具有发展潜力的新型网络技术。
1997年1月ARINC发布了ARINC 653(航空电子应用软件标准接口)，制定了航空电子应用软件接口标准，虽然增加了软件分区管理，但是没有涉及区域内的通信安全控制。开放标准SAEAS6802是2011年发布的可容错的时钟同步协议，虽然能满足航天航空、医疗技术、轨道交通、汽车等领域对高速、实时、容错通信应用的高需求，但是其静态调度的方式缺乏一定灵活性，一旦确定无法更改，同时目前确定性网络的网络规模都很小，消息的并发程度不高，无法应用于大规模的关键系统应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对确定性网络中节点规模小、并发程度低的缺陷，具有高可靠性、高实时性、容错性好、网络并发程度高、网络规模大等特点的确定性网络。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种大规模、高并发的确定性网络系统，其特征在于：包括网络冗余系统、系统分区策略系统、同步时钟控制系统和传输调度策略系统；
所述网络冗余系统通过故障监控和速率控制保证网络可靠性；
所述系统分区策略系统用于业务流量的隔离控制，提高网络的规模和并发程度；
所述同步时钟控制系统为网络的确定性提供时钟基准，用于保证全局网络设备的本地时钟同步；
所述传输调度策略系统通过优先级配置生成调度优化策略，用于合理运用网络带宽资源，提高消息的并发性，同时能扩大网络规模。
所述网络冗余系统采用多通道拓扑结构，在网络中构建冗余的物理通道，保证故障发生时网络的正常运行，包括超时监视模块和数据传输速率控制模块；所述超时监视模块通过超时监视时钟判断系统的故障模型；所述数据传输速率控制模块包括设置在交换机内部的速度控制模块，降低故障节点的影响。
所述网络冗余系统，采用超时监控方式在系统中设置故障超时监控时钟，监控时钟发生超时，则以超出的时间作为判断标准，判断出网络中发生的故障模型，随后进行相应的处理；采取数据传输速率控制在交换机内部的接纳模块中加入速率限制模块，控制每个端口向网络中发送消息的速率，若速率高于阈值，接纳模块上的速率限制模块便禁止该端口向网络中发送数据消息；采用多通道网络拓扑结构，网络中存在冗余的拓扑，采用数据并行的策略，如果集中控制器上出现监控时钟超时或者速率超过设置的阈值，则认为系统发生故障情况，即启用冗余的交换机，保证网络的正常运行，如果是终端节点发生故障，则终端节点进行重新启动工作。
所述系统分区策略系统用于业务流量的隔离控制的具体方法为：
将网络划分成若干个逻辑分区和一个独立分区，逻辑分区内存在安全中间件，独立分区存在全局安全中间件；从网络拓扑结构上，整个网络是一个独立分区，被视为一个独特的逻辑分区A，又将该独立分区划分为多个一般逻辑分区，一般逻辑分区可视为独立分区的一个子网；在独立分区内划分一般逻辑分区1，一般逻辑分区2...，并依次类推。
将网络中的各个分区从应用层按照业务特性进行划分形成业务分区；从业务应用上，根据业务特性划分是从应用层出发，划分业务分区1，业务分区2...，并依次类推；即应用上的业务分区决定了网络上的逻辑分区划分，业务分区和逻辑分区存在映射关系，支持配置以提高网络灵活性
划分分区的目的主要是为了减少网络中消息冲突的次数：按照业务应用特性划分业务分区，能够保证同一业务的消息都在同一逻辑分区内可靠传递，减少网络冲突。
网络中存在若干不同安全等级的安全标签，全局安全中间件将安全标签分配给逻辑分区内的安全中间件，安全中间件再将安全标签分发给分区内的设备；
逻辑分区内的消息转发需要由安全中间件依据安全标签检查通信规则，跨越分区通信消息，需要先转发给全局安全中间件，全局安全中间件检查跨越分区通信规则后才转发给对应逻辑分区的安全中间件。
所述通信规则具体包括：
第一步，终端发送消息；
第二步，消息传输到逻辑分区内的安全中间件，检查消息是否跨越分区，如果消息跨区则转入第三步，否则转入第四步；
第三步，全局安全中间件接收并检查该条消息是否符合跨区通信规则，如果符合通信规则，则转发给对应逻辑分区内的安全中间件并进入第四步，否则丢弃该条消息；
第四步，逻辑分区内的安全中间件检查消息是否符合内部安全通信规则，如果符合则发送给对应的终端，否则丢弃；
第五步，接收终端收到消息。
所述同步时钟控制系统采用全局时钟协调同步方式。
所述传输调度策略系统采用优先级配置采用动静结合方式，动态优先级配置采用多因素的优先级生成算法，构造时间调度矩阵，将时钟周期划分成同步周期和基本周期，基本周期划又划分小区间，结合任务优先级、业务流量特性和时间间隙生成调度优化策略，抽象的时间调度矩阵数学模型同时适用于动态优先级生成算法和路由算法。
所述传输调度策略系统成调度优化策略是采取以下方法：
步骤1，对网络中的流量任务进行优先级处理；采用优先级采用动静结合的方式，根据用户的需求指定，通过静态配置或采用优先级动态生成配置每个任务的优先级，如果采用动态方式，优先级生成算法会动态确定任务的优先级，从而构造出任务集的优先级排序表，排序表中的任务优先级依次递减，例如通过输入任务的截止期、关键性(任务重要程度)，用户设置系统需要的权重值，优先级生成算法根据权重值的输出倾向截止期的任务优先级或者倾向关键性的任务优先级，如果两个任务具有相同的截止期和关键性，则先到达的任务具有更高的优先级。
步骤2，在优先级确定的基础上构造时间调度矩阵，时间调度矩阵由若干个时钟周期组成，每个时钟周期包含两个子周期，第一个称为同步周期，同步周期内发送实现同步功能的帧；第二个称为基本周期，基本周期又划分为两个区间，第一个区间用于发送关键信息流量，第二个区间用于发送应用通信流量和非关键信息流量，其中关键信息流量指系统的配置信息或者是关键部件的通信信息，这类流量在系统中往往具有重要的作用。而应用通信流量和非关键信息流量是优先级低于关键信息流量的通信流量。如果分配的第一个区间内没有要发送的关键信息流量，则将使用权交给应用通信流量或者非关键信息流量。通过对具体业务流量进行分析，结合优先级排序表，动态形成一个优化的调度策略，保证关键信息流量、应用通信流量、非关键信息流量填充满基本周期的每个区间，而且冲突最小，在这种调度优化算法下，同一时刻能够发送大量的消息，做到合理利用网络的带宽，达到高并发的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
与AS6802相比，本发明设计了流量隔离功能，提高了网络的并发性和安全性；基于时间调度矩阵的调度优化策略，能够支持各种大规模确定性网络和巨量的并发性流量传输；基于多因素的优先级确定算法，弥补了基于单因素优先级调度算法在系统负载情况下的缺陷；采用的系统分区和调度策略，主要解决以往确定性网络只能支持少量节点的难点，从而满足复杂网络的强实时性要求，增加网络整体的并发性；与ARINC 653相比，本发明提出的系统分区策略系统增加了每个分区内部的安全控制；与SAE AS6802协议兼容，本发明提出的网络无需改变现有网络节点，是对现有确定性网络的一种技术提升，而不需要改变已有的应用软件；本发明应用于关键系统应用环境，例如航空电子系统、运载火箭飞行控制系统，具有网络规模大、健壮性好、高并发性、高可靠性、高实时性等优点。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：
图1为本发明的系统设计示意图；
图2为本发明的任务优先级生成示意图；
图3为本发明的时间矩阵的示意图；
图4为本发明的系统分区中通信的流程示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
作为本发明一种最基本的实施方案，本实施例公开了一种大规模、高并发的确定性网络系统，如图1所示，包括网络冗余机制、系统分区策略、同步时钟控制机制和传输调度策略；网络冗余机制包括故障超时监控、传输速率控制和多通道网络冗余构成；系统分区策略由安全标签管理、系统安全分区和安全中间件中继构成；同步时钟控制机制由时序保持算法和集中算法组成；传输调度策略由动态优先级生成和时间调度矩阵组成；与AS6802相比，本发明设计了流量隔离功能，提高了网络的并发性和安全性；基于时间调度矩阵的调度优化策略，能够支持各种大规模确定性网络和巨量的并发性流量传输；基于多因素的优先级确定算法，弥补了基于单因素优先级调度算法在系统负载情况下的缺陷；采用的系统分区和调度策略，主要解决以往确定性网络只能支持少量节点的难点，从而满足复杂网络的强实时性要求，增加网络整体的并发性；与ARINC 653相比，本发明提出的系统分区策略系统增加了每个分区内部的安全控制；与SAE AS6802协议兼容，本发明提出的网络无需改变现有网络节点，是对现有确定性网络的一种技术提升，而不需要改变已有的应用软件；本发明应用于关键系统应用环境，例如航空电子系统、运载火箭飞行控制系统，具有网络规模大、健壮性好、高并发性、高可靠性、高实时性等优点。
实施例2
参照图1，一种大规模、高并发的确定性网络系统如图1所示，包括网络冗余机制、系统分区策略、同步时钟控制机制和传输调度策略。
网络冗余机制：在一些关键安全性的应用系统中由于没有采用冗余机制，一旦某些节点发生故障，会使整个系统的通信中断，给确定性网络带来不可预料的后果，采用网络冗余机制，能够在某些节点发生故障的情况下，确保应用系统可以正常通信，保证一定的健壮性。
网络冗余机制采取以下三种方法:
1)采用超时监控方式，在系统中设置故障超时监控时钟，一旦监控时钟发生超时情况，以超出的时间作为判断标准，判断出网络中发生的故障模型，随后进行相应的处理。
2)采取数据传输速率控制技术，在交换机内部的接纳模块中加入速率限制功能，控制每个端口向网络中发送消息的速率，如果出现速率高于阈值情况，接纳模块便禁止该端口向网络中发送数据消息。
3)采用多通道网络拓扑结构，网络中存在冗余的拓扑，采用数据并行的策略，如果集中控制器上出现监控时钟超时或者速率超过设置的最大值的情况，则认为系统发生故障情况，启用冗余的交换机，保证网络的正常运行。如果是终端节点发生故障，则终端节点进行重新启动工作。
系统分区策略:在一个大规模网络中，如果缺乏流量隔离的功能，同一时刻就可能发生多个数据竞争信道的情况，冲突检测和回避会造成很大开销，导致信道的利用率低下，更有甚者，如果出现广播流量，那么这些流量将会跨越整个网络，影响网络的整体性能，同时这些广播流量也存在着数据安全和隐私问题。本发明提出的系统分区策略首先将网络划分成若干个逻辑分区，整个网络中存在多种不同安全级别的安全标签，唯一的安全标签由全局中间件分配到各个逻辑分区，分区的安全中间件分配到各个终端。在划分分区时，需要先对网络中的流量进行业务分析，将产生相近业务的终端划分在一个逻辑分区内，保证了产生的消息大部分在逻辑分区内部传输。每个逻辑分区内有一个安全中间件，分区内的终端将消息发送给安全中间件并进行安全标签的检查，如果符合区域内部通信规则的进行转发，否则丢弃该消息。跨越逻辑分区传输的信息还需要依靠独立分区的安全中间件中继传输并进行跨区通信规则检查，以避免高安全级别的分区将信息泄露给低安全级别的分区。图4描述了网络的通信规则，第一步，终端发送消息。第二步，消息传输到逻辑分区内的安全中间件，检查消息是否跨越分区，如果消息跨区则转入第三步，否则转入第四步。第三步，全局安全中间件接收并检查该条消息是否符合跨区通信规则，如果符合通信规则，则转发给对应逻辑分区内的安全中间件并进入第四步，否则丢弃该条消息。第四步，逻辑分区内的安全中间件检查消息是否符合内部安全通信规则，如果符合则发送给对应的终端，否则丢弃。第五步，接收终端收到消息。上述设计能够将网络中的相关的流量控制在对应的区域内传递，使得在同一时刻每个分区内部能够独立地发送各自的消息，避免不同区域间数据流的冲突，消息隔离也保证了数据的安全性和隐私性，同时最优化地使用网络的带宽。
同步时钟控制机制：例如NTP、IEEE1588等时钟同步方式采用主从同步的方式，系统中存在一个提供基准时间的主时钟，这种同步方式受主时钟的精度影响较大，而本发明提出的时钟同步算法采用全局时钟协调同步的方式，由于同步过程中全局的所有节点参与同步，所以节点的修正偏差值抖动小，在大规模的确定性网络中，经仿真软件验证，同步精度可以达到100纳秒以内。大规模网络传输采取时间触发以太网总线技术，时间触发以太网是具备可靠性和确定性的网络，时间触发以太网技术采取时间触发的机制，可以保证在确定时间点上事件的发生，不会出现事件触发方式的不确定性。通过运行其固有的时序保持算法和集中算法，首先修正集中控制器节点的本地时钟，然后向其他节点洪泛一个包含修正信息的帧，其余节点通过帧内部的同步信息修正本地时钟，从而建立系统范围内的同步时钟，为时间触发消息的发送提供时钟基准。
传输调度策略：在大规模网络中存在着大量的数据流，没有合理的调度策略，网络中存在大量的冲突碰撞，导致消息传输时延和抖动的不确定性，降低了整个网络的性能。传统的优先级设置基于单一的参考因素，例如截止时间、执行时间、到达时间等，在小规模确定性系统的中能够满足要求。大规模确定性系统中，存在高并发数据，基于单因素优先级的调度算法的性能会急剧下降，实时系统无法满足所有的任务截止时间要求。
本发明提出的传输调度策略采取以下方法：首先，对网络中的流量任务进行优先级处理。本发明提出的优先级采用动静结合的方式，根据用户的需求指定，可以静态配置每个任务的优先级，也可以采用优先级动态生成方式。如果采用动态方式，优先级生成算法会动态确定任务的优先级，从而构造出任务集的优先级排序表，排序表中的任务优先级依次递减，例如通过输入任务的截止期、关键性(任务重要程度)，用户设置系统需要的权重值，优先级生成算法会根据权重值的不同输出倾向截止期的任务优先级或者倾向关键性的任务优先级，如果两个任务具有相同的截止期和关键性，则先到达的任务具有更高的优先级。然后，在优先级确定的基础上构造时间调度矩阵，时间调度矩阵由若干个时钟周期组成，每个时钟周期包含两个子周期，第一个称为同步周期，同步周期内发送实现同步功能的帧；第二个称为基本周期，基本周期又划分为两个区间，第一个区间用于发送关键信息流量(优先级1—5)，第二个区间用于发送应用通信流量(优先级6—10)和非关键信息流量(优先级11—15)，其中关键信息流量指系统的配置信息，或者是关键部件的通信信息，这类流量在系统中往往具有重要的作用。而应用通信流量和非关键信息流量是优先级低于关键信息流量的通信流量。如果分配的第一个区间内没有要发送的关键信息流量，则将使用权交给应用通信流量或者非关键信息流量。通过对具体业务流量进行分析，结合优先级排序表，动态形成一个优化的调度策略，保证关键信息流量、应用通信流量、非关键信息流量填充满基本周期的每个区间，而且冲突最小，在这种调度优化算法下，同一时刻能够发送大量的消息，做到合理利用网络的带宽，达到高并发的效果。
可以将上述问题抽象为一个n行10列的矩阵模型，如公式1所示，我们称之为时间调度矩阵。其中
Figure GDA0003013780590000081
Figure GDA0003013780590000082
表示第i个任务的源节点MAC地址。
Figure GDA0003013780590000083
Figure GDA0003013780590000084
表示第i个任务的目的节点MAC地址。
Figure GDA0003013780590000085
Figure GDA0003013780590000086
表示第i个任务的发送时间。
Figure GDA0003013780590000087
由于网络中存在优化调度策略，为了充分使用带宽和减少冲突，一些任务将被提前执行或者推迟执行，而
Figure GDA0003013780590000088
表示第i个任务的实际发送时间。
Figure GDA0003013780590000089
Figure GDA00030137805900000810
表示为第i个任务的优先级。
Figure GDA00030137805900000811
Figure GDA00030137805900000812
表示第i个的任务的类型，
Figure GDA00030137805900000813
其中0代表关键信息流量，1表示应用通信流量，2表示非关键信息流量。
Figure GDA00030137805900000814
Figure GDA00030137805900000815
表明任务的发送区间，
Figure GDA00030137805900000816
1表示在基本周期的第一个区间内发送，2表示在第二个区间内发送。
Figure GDA00030137805900000817
Figure GDA00030137805900000818
表示第i个任务的截止期。
Figure GDA00030137805900000819
Figure GDA00030137805900000820
表示第i个任务的关键性。
Figure GDA00030137805900000821
Figure GDA00030137805900000822
表明第i个任务的权重值。从行向量看，每一行表示了一个任务的完整属性。从行向量看，行向量的最大数量值表示网络中能够并发的最大消息数量。
p＝[Ms,Md,Ts,Ta,Pt,Ft,St,Et,Kt,Wt] (公式1)
优先级动态生成算法、调度优化算法以及路由转发都可以在此矩阵上操作。例如，如果采用优先级动态生成算法，Pt＝fp(Ft,Et,Kt,Wt)，其中fp()为优先级动态生成函数，Ft,Et,Kt,Wt作为函数的输入值。在调度优化算法中，[Ta,St]＝fo(Ms,Md,Ts,Pt,Ft)，fo()调度优化算法会根据Ms,Md,Ts,Pt,Ft值，给出任务的优化结果，确定任务的Ta,St。在fr(Ms,Md)路由算法中，主要根据Ms,Md确定消息的转发路径。
大规模网络:在未采取系统分区策略系统和调度优化的规模网络中，必定存在着大量的数据冲突情况，网络的带宽利用率低。如果要提升网络的性能，需要减少网络中的终端数量，从而减少数据冲突的次数，提高带宽的利用率。另一方面，在确定性的实时性网络中，为了保证系统全局时钟的同步精度，往往无法部署大量的通信终端，所以常见的确定性网络规模都很小。而采用了上述的系统分区策略系统和传输调度策略系统，系统分区保证了大部分消息在分区内传输，从而减少全局网络中消息冲突的频率。传输调度策略系统在尽可能的在减少碰撞的前提下充分利用网络的带宽资源，从而能够扩大网络的业务规模，通过两者的组合使用，意味着同一时刻可以发送更多数量的无冲突的数据，与传统的确定性网络相比，允许网络中存在更多的终端数量，负载更大的业务规模，达到大规模确定性网络的要求。同时在大规模确定性网络下，由于通信终端的数量众多，终端的业务类型多样化，更加有利于业务类型的分析，从而便于系统分区的划分，达到相互促进的效果。经实验验证，本设计提出的大规模高并发的确定性网络中至少能够存在200个节点数量，同时满足4000个业务的通信需求。

Claims (5)

1.一种大规模、高并发的确定性网络系统，其特征在于：包括网络冗余系统、系统分区策略系统、同步时钟控制系统和传输调度策略系统；
所述网络冗余系统采用多通道拓扑结构，在网络中构建冗余的物理通道，包括超时监视模块和数据传输速率控制模块；所述超时监视模块通过超时监视时钟判断系统的故障模型；所述数据传输速率控制模块包括设置在交换机内部的速度控制模块；
所述系统分区策略系统用于业务流量的隔离控制，具体的，是将网络划分成若干个逻辑分区和一个独立分区，逻辑分区内存在安全中间件，独立分区存在全局安全中间件；将网络中的各个分区从应用层按照业务特性进行划分形成业务分区；网络中存在若干不同安全等级的安全标签，全局安全中间件将安全标签分配给逻辑分区内的安全中间件，安全中间件再将安全标签分发给分区内的设备；将逻辑分区内的消息转发需要由安全中间件依据安全标签检查通信规则，跨越分区通信消息，需要先转发给全局安全中间件，全局安全中间件检查跨越分区通信规则后才转发给对应逻辑分区的安全中间件；
所述同步时钟控制系统为网络的确定性提供时钟基准；
所述传输调度策略系统通过优先级配置生成调度优化策略，具体的，所述传输调度策略系统优先级配置采用动静结合方式，动态优先级配置采用多因素的优先级生成算法，构造时间调度矩阵，将时钟周期划分成同步周期和基本周期，基本周期又划分小区间，结合任务优先级、业务流量特性和时间间隙生成调度优化策略。
2.如权利要求1所述的一种大规模、高并发的确定性网络系统，其特征在于：所述网络冗余系统，采用超时监控方式在系统中设置故障超时监控时钟，监控时钟发生超时，则以超出的时间作为判断标准，判断出网络中发生的故障模型，随后进行相应的处理；采取数据传输速率控制技术，在交换机内部的接纳模块中加入速率限制模块，控制每个端口向网络中发送消息的速率，若速率高于阈值，接纳模块上的速率限制模块便禁止该端口向网络中发送数据消息；采用多通道网络拓扑结构，网络中存在冗余的拓扑，采用数据并行的策略，如果集中控制器上出现监控时钟超时或者速率超过设置的阈值，则认为系统发生故障情况，即启用冗余的交换机，保证网络的正常运行，如果是终端节点发生故障，则终端节点进行重新启动工作。
3.如权利要求1所述的一种大规模、高并发的确定性网络系统，其特征在于，所述通信规则具体包括：
第一步，终端发送消息；
第二步，消息传输到逻辑分区内的安全中间件，检查消息是否跨越分区，如果消息跨区则转入第三步，否则转入第四步；
第三步，全局安全中间件接收并检查该条消息是否符合跨区通信规则，如果符合通信规则，则转发给对应逻辑分区内的安全中间件并进入第四步，否则丢弃该条消息；
第四步，逻辑分区内的安全中间件检查消息是否符合内部安全通信规则，如果符合则发送给对应的终端，否则丢弃；
第五步，接收终端收到消息。
4.如权利要求1所述的一种大规模、高并发的确定性网络系统，其特征在于：所述同步时钟控制系统采用全局时钟协调同步方式。
5.如权利要求1所述的一种大规模、高并发的确定性网络系统，其特征在于，所述传输调度策略系统生成调度优化策略采取以下方法：
步骤1，对网络中的流量任务进行优先级处理；优先级采用动静结合的方式，根据用户的需求指定，通过静态配置或采用优先级动态生成配置每个任务的优先级，如果采用动态方式，优先级生成算法会动态确定任务的优先级，从而构造出任务集的优先级排序表，排序表中的任务优先级依次递减，设置系统需要的权重值，优先级生成算法根据权重值的输出倾向截止期的任务优先级或者倾向关键性的任务优先级，如果两个任务具有相同的截止期和关键性，则先到达的任务具有更高的优先级；
步骤2，在优先级确定的基础上构造时间调度矩阵，时间调度矩阵由若干个时钟周期组成，每个时钟周期包含两个子周期，第一个称为同步周期，同步周期内发送实现同步功能的帧；第二个称为基本周期，基本周期又划分为两个区间，第一个区间用于发送关键信息流量，第二个区间用于发送应用通信流量和非关键信息流量，其中关键信息流量指系统的配置信息或者是关键部件的通信信息。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020151814A1 (de) * 2019-01-23 2020-07-30 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur ausfallsicheren datenübertragung, netzwerk-knoten, computerprogramm und computerlesbares medium
JP7354600B2 (ja) * 2019-06-10 2023-10-03 マツダ株式会社 車載ネットワークシステム
CN112804151B (zh) * 2021-01-21 2022-11-08 烽火通信科技股份有限公司 一种数据处理的方法、装置以及电子设备
CN113890780B (zh) * 2021-08-17 2023-10-20 国网江苏省电力有限公司泰州供电分公司 一种电力通信网络调度方法
CN114002944A (zh) * 2021-10-12 2022-02-01 江苏清盐智能科技有限公司 无人战车控制系统时间触发总线
CN114679373B (zh) * 2022-02-11 2023-09-05 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 航电系统故障预测方法、装置、计算机设备和介质
CN114935887B (zh) * 2022-07-25 2022-11-18 星河动力(北京)空间科技有限公司 分布式信号采集装置和运载火箭

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103873387A (zh) * 2014-03-11 2014-06-18 重庆邮电大学 一种面向工业以太网的确定性通信调度方法
CN105577310A (zh) * 2015-12-12 2016-05-11 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法
CN107220200A (zh) * 2017-06-15 2017-09-29 西安微电子技术研究所 基于动态优先级的时间触发以太网数据管理系统及方法
CN107809397A (zh) * 2017-10-11 2018-03-16 中国航空无线电电子研究所 时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102724057B (zh) * 2012-02-23 2017-03-08 北京市计算中心 一种面向云计算平台的分布式层次化自主管理方法
US9705700B2 (en) * 2014-10-21 2017-07-11 Cisco Technology, Inc. Sparse graph coding scheduling for deterministic Ethernet
CN106559273B (zh) * 2017-01-19 2019-10-25 中国人民解放军国防科学技术大学 面向时间触发以太网的自适应服务质量优先级调度方法
CN107241179B (zh) * 2017-04-19 2020-07-03 西安电子科技大学 一种时间触发业务静态调度表的生成方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103873387A (zh) * 2014-03-11 2014-06-18 重庆邮电大学 一种面向工业以太网的确定性通信调度方法
CN105577310A (zh) * 2015-12-12 2016-05-11 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种时间触发网络中任务分区与通信调度的同步方法
CN107220200A (zh) * 2017-06-15 2017-09-29 西安微电子技术研究所 基于动态优先级的时间触发以太网数据管理系统及方法
CN107809397A (zh) * 2017-10-11 2018-03-16 中国航空无线电电子研究所 时间触发以太网中提高实时任务传输可靠性的调度方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于权限控制的分区操作系统安全数据通信方法;周霆等;《信息通信》;20170415(第4期);第177-179页 *

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