CN108964823B - 以太网双引擎数据处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及以太网技术领域，公开了一种以太网双引擎数据处理方法、系统及装置，以进一步提高数据传输的灵活性和实时性。本实施例方法包括：将数据帧进行了细粒度的划分，并针对高优先级的超级数据帧，由终端节点根据配置表的收发时刻进行收发以避免数据冲突，在中间转发过程中，支持其以抢占模式直接利用转发资源，确保超级数据帧传送的高实时性；而且，基于系统各节点特定的硬件结构和相应的硬件加密及认证措施确保了系统安全性以避免被攻击。其中，在中间节点的转发过程中，在一个时间窗的调度过程中，在优先安插超级数据帧后，还可在剩余资源中填充普通数据帧的切片，提高了带宽的利用率，也提高了数据传输的灵活性和实时性。
Description
技术领域
本发明涉及以太网技术领域，尤其涉及一种以太网双引擎数据处理方法、系统及装置。
背景技术
TCN列车通信网络是国际电工委员会专门为列车通信网制定的标准，作为一种面向控制、连接车载设备的数据通信协议，TCN列车通信网络是分布式列车控制系统的核心。该标准将通信网络分成用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网络WTB(绞线式列车总线)和用于连接车辆内固定设备的车辆通信网络MVB(多功能列车总线)。其不足之处在于网络控制、制动、门控等各系统分立，给系统的维护管理造成了诸多不便。
目前，列车通信网络的主要研究方向在支持低延时及基于时间同步数据传输的TSN(Time Sensitive Network，时间敏感网络)，其可有效促进系统融合，如西门子公司的Profinet协议等。
但现有的列车通信网络，其数据帧处理大多基于统一的缓冲及排序等规则，使得传输发生在特定的时隙，且只有通过严格的调度才能保证及时响应外部事件，从而也在一定程度上造成了灵活性及实时性欠缺等不便。
发明内容
本发明目的在于公开一种以太网双引擎数据处理方法、系统及装置，以进一步提高数据传输的灵活性和实时性。
为实现上述目的，本发明公开了一种以太网双引擎数据转发节点，包括：
输入输出物理端口；
与至少一个所述输入输出物理端口连接的第一数据引擎处理电路和第二数据引擎处理电路，且所述第一数据引擎处理电路与所述第二数据引擎处理电路共享数据转发资源和所述输入输出物理端口；
与所述第一、第二数据引擎处理电路连接的时钟同步电路，用于向所述第一、第二数据引擎处理电路提供以太网全局同步时钟以进行时间窗调度；
所述第一数据引擎处理电路，用于从所述输入输出物理端口中提取普通数据帧并以队列缓存后时间触发的处理方式进行普通数据帧处理，所述处理包括对被挤压的普通数据帧进行切片和/或对切片进行重组以恢复普通数据帧；
所述第二数据引擎处理电路，用于从所述输入输出物理端口中提取超级数据帧并与所述第一数据引擎处理电路进行协商并以抢占的处理方式进行超级数据帧处理；其中，所述抢占的数据帧处理方式包括：在一个时间窗的调度过程中，对已占用所述共享数据转发资源的至少一个普通数据帧进行中断及资源重分配处理，并在所述重分配的资源中优先安插所述超级数据帧，且在剩余资源中填充至少一个被中断普通数据帧的切片。
为实现上述目的，本发明还公开了一种终端节点，包括：
连接用户界面的用户接口；
时钟同步单元；
硬件加密芯片，用于与配套有超级数据帧处理能力的转发节点进行安全认证，并在检验通过后，获取执行超级数据帧处理的配置表，所述配置表包括用于收发超级数据帧的特征码、及根据全网时钟同步所确定的相应超级数据帧的收发时刻；
数据帧处理单元，用于设置超级数据帧的优先级高于普通数据帧，并在对应所述超级数据帧的收发时刻，中断普通数据帧的处理，并根据所述特征码封装或解封装相应的超级数据帧以发送到所述用户界面或下一跳转发节点。
本发明中，基于上述以太网双引擎数据转发节点和终端节点可以构建一个以太网双引擎数据处理系统。
为达上述目的，本发明还公开一种以太网双引擎数据处理方法，各节点基于以太网全局时钟同步进行时间窗调度，将以太网数据帧分为以抢占方式处理的超级数据帧和支持切片且以队列缓存后时间触发方式处理的普通数据帧；所述方法还包括：
终端节点的硬件加密芯片与配套有超级数据帧处理能力的转发节点进行安全认证，并在检验通过后，获取执行超级数据帧处理的配置表，所述配置表包括用于收发超级数据帧的特征码、及根据全网时钟同步所确定的相应超级数据帧的收发时刻；
所述终端节点的数据帧处理单元设置超级数据帧的优先级高于普通数据帧，并在对应所述超级数据帧的收发时刻，中断普通数据帧的处理，并根据所述特征码封装或解封装相应的超级数据帧以发送到用户界面或下一跳转发节点；
在超级数据帧的传送过程中，在源终端节点与目标终端节点之间的转发节点基于双引擎机制进行数据转发，所述双引擎机制在各转发节点内部以共享数据转发资源的第一和第二数据引擎处理电路分开处理普通数据帧和超级数据帧，且在处理过程中，所述第二数据引擎处理电路与所述第一数据引擎处理电路进行协商并以抢占方式进行超级数据帧处理；其中，所述抢占方式包括：对已占用所述共享数据转发资源的至少一个普通数据帧进行中断及资源重分配处理，并在所述重分配的资源中优先安插所述超级数据帧，且在剩余资源中填充至少一个被中断普通数据帧的切片。
本发明具有以下有益效果：
将数据帧进行了细粒度的划分，并针对高优先级的超级数据帧，由终端节点根据配置表的收发时刻进行收发以避免数据冲突，在中间转发过程中，支持其以抢占模式直接利用转发资源，确保超级数据帧传送的高实时性；而且，基于系统各节点特定的硬件结构和相应的硬件加密及认证措施确保了系统安全性以避免被攻击。同时，在中间节点的转发过程中，在一个时间窗的调度过程中，在优先安插超级数据帧后，还可在剩余资源中填充普通数据帧的切片，藉此，在确保超级数据帧高实时性传输的同时，也兼顾了普通数据帧的传输效率，并提高了带宽的利用率。而且，无论是普通数据帧还是超级数据帧，都相应提高了数据传输的灵活性和实时性。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的双引擎数据处理系统框图；
图2是本发明实施例转发节点的内部结构框图；
图3是本发明终端节点的内部结构框图；
图4为本发明实施例方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种以太网双引擎数据处理系统，如图1所示，包括：第一终端节点100、第二终端节点300、以及位于第一和第二终端节点之间的转发节点200。此外，在双向的数据传输过程中，同一终端节点往往集成了数据的收发功能，故通常意义上的终端节点是源和宿相对不同传送数据的合体。
本实施例系统中，如图2所示，转发节点包括：
输入输出物理端口31。
与至少一个所述输入输出物理端口连接的第一数据引擎处理电路32和第二数据引擎处理电路33，且所述第一数据引擎处理电路与所述第二数据引擎处理电路共享数据转发资源34和所述输入输出物理端口。
与所述第一、第二数据引擎处理电路连接的时钟同步电路35，用于向所述第一、第二数据引擎处理电路提供以太网全局同步时钟以进行时间窗调度。
所述第一数据引擎处理电路，用于从所述输入输出物理端口中提取普通数据帧并以队列缓存后时间触发的处理方式进行普通数据帧处理，所述处理包括对被挤压的普通数据帧进行切片和/或对切片进行重组以恢复普通数据帧。其中，可选的，有关切片的技术实现可参照CN100581090C所公开的数据帧的切片方法和光网络单元。本实施例中，优选地，切片后的普通数据帧在帧前缀和帧开始符之外的最大净荷长度为127字节。
所述第二数据引擎处理电路，用于从所述输入输出物理端口中提取超级数据帧并与所述第一数据引擎处理电路进行协商并以抢占的处理方式进行超级数据帧处理；其中，所述抢占的数据帧处理方式包括：在一个时间窗的调度过程中，对已占用所述共享数据转发资源的至少一个普通数据帧进行中断及资源重分配处理，并在所述重分配的资源中优先安插所述超级数据帧，且在剩余资源中填充至少一个被中断普通数据帧的切片。其中，在提取超级数据帧时，具体为根据上述特征码进行识别。为充分利用共享数据转发资源，优选的，本实施例超级数据帧与普通数据帧的帧结构一致，并以特征码进行区分。又或者，本实施例超级数据帧的结构也可以基于第二数据引擎处理电路的资源采用不同于普通数据帧的特有帧结构进行相关数据处理。
如图3所示，本实施例终端节点包括：
连接用户界面的用户接口21。
时钟同步单元22。
硬件加密芯片23，用于与配套有超级数据帧处理能力的转发节点进行安全认证，并在检验通过后，获取执行超级数据帧处理的配置表，所述配置表包括用于收发超级数据帧的特征码、及根据全网时钟同步所确定的相应超级数据帧的收发时刻。
数据帧处理单元24，用于设置超级数据帧的优先级高于普通数据帧，并在对应所述超级数据帧的收发时刻，中断普通数据帧的处理，并根据所述特征码封装或解封装相应的超级数据帧以发送到所述用户界面或下一跳转发节点。
本实施例中，将以太网数据帧分为超级数据帧和普通数据帧，所谓“时间窗”即基于上述共享数据转发资源(或特定数据帧容量)对超级数据帧和普通数据帧进行调度的特定的时间周期。优选地，本实施例还可以在当前时间窗和下一时间窗之间设置保护带(即保留时间段)，以避免数据的错误传送。
与上述切片相对应的，本实施例中保护带的设置优选以切片后的普通数据帧在帧前缀和帧开始符之外的最大净荷长度为127字节设置保护带。进一步地，本实施例中超级数据帧的长度小于普通数据帧的长度，且小于所述保护带的长度；藉此可确保超级数据帧的准确处理。换言之，在本实施例的抢占模式下，保护带只需要最小的普通数据帧片段，而不是最大普通数据帧。从而使得保护带越小，抢占的影响就越大。举例说明如下：
假设：超级数据帧报文通常比较短，例如128字节；普通数据帧报文为1522字节；帧前缀，帧开始符，帧间隔为标准的20字节；被抢占的帧只增加额外的20字节(这是最小的实际开销)；假设最差情况的帧长为127字节，因为该帧不能被抢占，128字节的帧长可以被抢占，被切片分为两个64字节的片段。则：
若：时间窗口中有四个128字节的超级数据帧，同时预留了四个(利用率为50％)。窗口大小为8*(128+20)＝1184字节时间，不支持抢占式时，需要(1522+20)字节的保护带，总共的窗口大小为2726字节；而支持抢占式时，需要(127+20)字节保护带，总共的窗口大小为1331字节。因此在不使用抢占式时，窗口的长度是使用时的2倍多。
又或者：时间窗口只有一个128字节的超级数据帧，窗口长度为(128+20)＝148字节时间，不支持抢占式时，需要(1522+20)字节保护带，总共的窗口长度为1690字节；而采用本实施例的抢占模式时，需要(127+20)字节保护带，总共的窗口长度为295字节，因此在不使用抢占式时，窗口的长度是使用时的5.7倍。
综上，本实施例将数据帧进行了细粒度的划分，并针对高优先级的超级数据帧，由终端节点根据配置表的收发时刻进行收发以避免数据冲突，在中间转发过程中，支持其以抢占模式直接利用转发资源，确保超级数据帧传送的高实时性；而且，基于系统各节点特定的硬件结构和相应的硬件加密及认证措施确保了系统安全性以避免被攻击。同时，在中间节点的转发过程中，在一个时间窗的调度过程中，在优先安插超级数据帧后，还可在剩余资源中填充普通数据帧的切片，藉此，在确保超级数据帧高实时性传输的同时，也兼顾了普通数据帧的传输效率，并提高了带宽的利用率。而且，无论是普通数据帧还是超级数据帧，都相应提高了数据传输的灵活性和实时性。
实施例2
与上述实施例相对应的，本实施例公开一种以太网双引擎数据处理方法，各节点基于以太网全局时钟同步进行时间窗调度，将以太网数据帧分为以抢占方式处理的超级数据帧和支持切片且以队列缓存后时间触发方式处理的普通数据帧。
如图4所示，本实施例方法还包括：
步骤S41、终端节点的硬件加密芯片与配套有超级数据帧处理能力的转发节点进行安全认证，并在检验通过后，获取执行超级数据帧处理的配置表，所述配置表包括用于收发超级数据帧的特征码、及根据全网时钟同步所确定的相应超级数据帧的收发时刻。
步骤S42、所述终端节点的数据帧处理单元设置超级数据帧的优先级高于普通数据帧，并在对应所述超级数据帧的收发时刻，中断普通数据帧的处理，并根据所述特征码封装或解封装相应的超级数据帧以发送到用户界面或下一跳转发节点。
步骤S43、在超级数据帧的传送过程中，在源终端节点与目标终端节点之间的转发节点基于双引擎机制进行数据转发，所述双引擎机制在各转发节点内部以共享数据转发资源的第一和第二数据引擎处理电路分开处理普通数据帧和超级数据帧，且在处理过程中，所述第二数据引擎处理电路与所述第一数据引擎处理电路进行协商并以抢占方式进行超级数据帧处理；其中，所述抢占方式包括：对已占用所述共享数据转发资源的至少一个普通数据帧进行中断及资源重分配处理，并在所述重分配的资源中优先安插所述超级数据帧，且在剩余资源中填充至少一个被中断普通数据帧的切片。
进一步的，与上述实施例类似，本实施例方法还包括：
在对应各时间窗的调度中，以切片后的普通数据帧在帧前缀和帧开始符之外的最大净荷长度为127字节设置保护带；所述超级数据帧的长度小于普通数据帧的长度，且小于所述保护带的长度。
同理，本实施例方法将数据帧进行了细粒度的划分，并针对高优先级的超级数据帧，由终端节点根据配置表的收发时刻进行收发以避免数据冲突，在中间转发过程中，支持其以抢占模式直接利用转发资源，确保超级数据帧传送的高实时性；而且，基于系统各节点特定的硬件结构和相应的硬件加密及认证措施确保了系统安全性以避免被攻击。同时，在中间节点的转发过程中，在一个时间窗的调度过程中，在优先安插超级数据帧后，还可在剩余资源中填充普通数据帧的切片，藉此，在确保超级数据帧高实时性传输的同时，也兼顾了普通数据帧的传输效率，并提高了带宽的利用率。而且，无论是普通数据帧还是超级数据帧，都相应提高了数据传输的灵活性和实时性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种以太网双引擎数据处理系统，其特征在于，包括：
以太网双引擎数据转发节点，包括：
输入输出物理端口；
与至少一个所述输入输出物理端口连接的第一数据引擎处理电路和第二数据引擎处理电路，且所述第一数据引擎处理电路与所述第二数据引擎处理电路共享数据转发资源和所述输入输出物理端口；
与所述第一、第二数据引擎处理电路连接的时钟同步电路，用于向所述第一、第二数据引擎处理电路提供以太网全局同步时钟以进行时间窗调度；
所述第一数据引擎处理电路，用于从所述输入输出物理端口中提取普通数据帧并以队列缓存后时间触发的处理方式进行普通数据帧处理，所述处理包括对被挤压的普通数据帧进行切片和/或对切片进行重组以恢复普通数据帧；
所述第二数据引擎处理电路，用于从所述输入输出物理端口中提取超级数据帧并与所述第一数据引擎处理电路进行协商并以抢占的处理方式进行超级数据帧处理；其中，所述抢占的数据帧处理方式包括：在一个时间窗的调度过程中，对已占用所述共享数据转发资源的至少一个普通数据帧进行中断及资源重分配处理，并在所述重分配的资源中优先安插所述超级数据帧，且在剩余资源中填充至少一个被中断普通数据帧的切片；切片后的普通数据帧在帧前缀和帧开始符之外的最大净荷长度为127字节；各节点还用于在对应各时间窗的调度中以切片后的普通数据帧在帧前缀和帧开始符之外的最大净荷长度为127字节设置保护带；所述超级数据帧的长度小于普通数据帧的长度，且小于所述保护带的长度；
终端节点，包括：
连接用户界面的用户接口；
时钟同步单元；
硬件加密芯片，用于与配套有超级数据帧处理能力的转发节点进行安全认证，并在检验通过后，获取执行超级数据帧处理的配置表，所述配置表包括用于收发超级数据帧的特征码、及根据全网时钟同步所确定的相应超级数据帧的收发时刻；
数据帧处理单元，用于设置超级数据帧的优先级高于普通数据帧，并在对应所述超级数据帧的收发时刻，中断普通数据帧的处理，并根据所述特征码封装或解封装相应的超级数据帧以发送到所述用户界面或下一跳转发节点。
2.一种以太网双引擎数据处理方法，各节点基于以太网全局时钟同步进行时间窗调度，其特征在于，将以太网数据帧分为以抢占方式处理的超级数据帧和支持切片且以队列缓存后时间触发方式处理的普通数据帧；所述方法还包括：
终端节点的硬件加密芯片与配套有超级数据帧处理能力的转发节点进行安全认证，并在检验通过后，获取执行超级数据帧处理的配置表，所述配置表包括用于收发超级数据帧的特征码、及根据全网时钟同步所确定的相应超级数据帧的收发时刻；
所述终端节点的数据帧处理单元设置超级数据帧的优先级高于普通数据帧，并在对应所述超级数据帧的收发时刻，中断普通数据帧的处理，并根据所述特征码封装或解封装相应的超级数据帧以发送到用户界面或下一跳转发节点；
在超级数据帧的传送过程中，在源终端节点与目标终端节点之间的转发节点基于双引擎机制进行数据转发，所述双引擎机制在各转发节点内部以共享数据转发资源的第一和第二数据引擎处理电路分开处理普通数据帧和超级数据帧，且在处理过程中，所述第二数据引擎处理电路与所述第一数据引擎处理电路进行协商并以抢占方式进行超级数据帧处理；其中，所述抢占方式包括：对已占用所述共享数据转发资源的至少一个普通数据帧进行中断及资源重分配处理，并在所述重分配的资源中优先安插所述超级数据帧，且在剩余资源中填充至少一个被中断普通数据帧的切片；
在对应各时间窗的调度中，以切片后的普通数据帧在帧前缀和帧开始符之外的最大净荷长度为127字节设置保护带；所述超级数据帧的长度小于普通数据帧的长度，且小于所述保护带的长度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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