CN108989243B - 一种传输实时数据的实时以太网调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传输实时数据的实时以太网调度方法，该方法包括：步骤10，根据网络拓扑结构和待传输实时报文，生成离线调度表；步骤20，根据离线调度表和待传输实时报文，生成转换报文，其中，转换报文为非实时报文；步骤30，根据对应的传输规则，发送待传输实时报文和转换报文；步骤40，根据离线调度表，滤除接收到的重复报文，其中，重复报文为具有相同数据唯一标识的待传输报文或具有相同数据唯一标识的转换报文。通过本发明中的技术方案，在保证传输实时报文准确性的同时，有利于降低传输实时报文过程中的时延，提高了数据传输带宽的利用率。

Description

一种传输实时数据的实时以太网调度方法
技术领域
本发明涉及实时以太网的技术领域，具体而言，涉及一种传输实时数据的实时以太网调度方法。
背景技术
许多年来，嵌入式系统一直在汽车工业、航空航天工业、工厂自动化工业等关键领域的网络通信中扮演着重要角色。随着实时网络的不断发展，实时网络的规模和传输需求不断增大。传统的通信协议已不能满足日益增长的通信需求。实时以太网凭借着以太网的天然优势，成为最具代表性的实时网络之一。
实时以太网中定义了两类数据：实时数据和非实时数据。实时数据用于传输具有确定传输延时的数据；非实时数据用于传输可能冗长但不频繁的数据。针对实时数据，实时以太网通常是遵循时间触发并以离线计算方式进行调度，它通过预定义网络通信报文的发送和转发时间点，赋予传输数据实时性。
而现有技术中，实时以太网的调度求解方法通常是由基于数学模型的离线求解器进行求解。然而，离线求解器为了降低求解时间和提高可调度性，通常会以最坏的情况来进行调度求解，使得实时数据的调度在最差情况下也能满足约束，这样，无形之中增加了实时数据端到端的时延。而实时数据的端到端时延是实时系统中最重要的性能指标之一，较小的端到端时延为系统带来更优的系统性能。因此，需要研究一个减小实时数据端到端时延、快速传输实时数据的实时以太网调度方法。
发明内容
本发明的目的在于：在保证传输数据准确性的同时，有利于降低数据传输过程中的时延。
本发明的技术方案是：提供了一种传输实时数据的实时以太网调度方法，其特征在于，该方法包括：步骤10，根据网络拓扑结构和待传输实时报文，生成离线调度表；步骤20，根据离线调度表和待传输实时报文，生成转换报文，其中，转换报文为非实时报文；步骤30，根据对应的传输规则，发送待传输实时报文和转换报文；步骤40，根据离线调度表，滤除接收到的重复报文，其中，重复报文为具有相同数据唯一标识的待传输实时报文或具有相同数据唯一标识的转换报文。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤20，具体包括：步骤21，根据离线调度表中的数据唯一标识、报文序列号、输入端口标识和输出端口标识，生成静态路由表；步骤22，根据静态路由表，判断待传输实时报文是否发生篡改，若是，丢弃待传输实时报文，若否，执行步骤23；步骤23，将待传输实时报文转换为转换报文，并将转换报文对应的数据唯一标识的最高位的数值置为1，其中，待传输实时报文的数据唯一标识的最高位为0。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤30，具体包括：步骤31，根据离线调度表中的数据唯一标识和报文序列号，生成序列号表；步骤32，根据序列号表，判断数据报文是否为丢弃报文，若是，丢弃数据报文，若否，执行步骤33，其中，数据报文包括待传输实时报文和转换报文；步骤33，判断数据报文的数据唯一标识的最高位是否为1，若是，执行步骤34，若否，执行步骤35；步骤34，根据非实时报文发送方法，发送数据报文，数据报文为转换报文，执行步骤36；步骤35，根据离线调度表，发送数据报文，数据报文为待传输实时报文，执行步骤36；步骤36，根据发送的数据报文，更新序列号表。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤10之后，方法还包括：步骤11，根据离线调度表，判断待传输实时报文是否有效，若是，执行步骤12，若否，执行步骤20；步骤12，丢弃待传输实时报文。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤20之后，方法还包括：步骤24，根据离线调度表，判断转换报文是否发生篡改，若是，执行步骤25，若否，执行步骤30；步骤25，丢弃转换报文。
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤40，具体包括：步骤41，离线调度表中的数据唯一标识和报文序列号，生成过滤表；步骤42，根据数据唯一标识和报文序列号，判断接收到的数据报文是否为重复报文，若是，滤除重复报文，其中，数据报文包括待传输实时报文和转换报文。
本发明的有益效果是：通过生成离线调度表，将实时报文转换为转换报文，利用非实时报文的传输通道传输该转换报文，有利于提高数据传输带宽的利用效率，再根据离线调度表，保留在先接收到的实时报文或转换报文，滤除在后接收到的重复报文，保证了接收到报文的准确性，有利于降低实时报文传输过程中的时延。在本发明中，通过离线调度表，检测待传输实时报文和转换报文，有利于提高报文传输过程中的准确性和有效性，降低了接收到的实时报文被篡改的可能性。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的传输实时数据的实时以太网调度方法的示意流程图；
图2是根据本发明的一个实施例的待传输实时报文的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的离线调度表、静态路由表、序列号表和过滤表的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的硬件实验电路示意框图；
图5是根据本发明的一个实施例的报文传输示意图；
图6是根据本发明的一个实施例的实时报文传输时延的仿真图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例：
以下将参照图1-6对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，本实施例提出了一种传输实时数据的实时以太网调度方法，包括下列步骤：
步骤10，根据网络拓扑结构和待传输实时报文，生成离线调度表；
进一步地，在步骤10之前，根据接收到的实时报文和待插入数据，生成待传输实时报文，其中，待插入数据包括标识位、报文序列号和数据负载长度。
具体地，如图2所示，在实时报文中新增了三个数据：数据唯一标识flow-id中的is-copy标识位、报文序列号sequence和数据负载长度length，其中，flow-id、length各占16位，sequence占32位，flow-id的最高位为is-copy标识位。当flow-id的最高位为1时，表示该数据帧为“由实时报文转换后的非实时报文”。当flow-id的最高位为0时，表示该报文为未经处理的由发送端发出的实时报文。
在实时报文的传输过程中，需要将网络拓扑结构和待传输实时报文输入离线求解器，例如基于可满足性理论的增量式求解器，通过离线求解器生成对应的离线调度表，如图3(a)所示，以保证在实时报文传输过程中，传输效果最差时，实时报文传输的实时性，其中，flow-id为数据唯一标识，sequence是报文序列号，表示该实时报文在调度周期内的报文发出序号，flow-id和sequence共同定义了一条数据上的唯一报文。length表示数据负载，单位为Byte。input-port和output-port指报文的接收端口和发送端口。arrival-start和arrival-end是该数据报文到达交换机的时间窗口。offset是该数据报文发送的时间点。任一个实时数据报文对应于离线调度表中的一行数据。
进一步地，步骤10之后，该方法还包括：
步骤11，根据离线调度表，判断待传输实时报文是否有效，若是，执行步骤12，若否，执行步骤20；
步骤12，丢弃待传输实时报文。
具体地，根据接收到待传输实时报文的报文时间，判断该报文时间是否位于离线调度表中时间窗口内，当判定为是时，表明该待传输实时报文有效，可以进行发送或者转换为转换报文，当判定为否时，则丢弃该待传输实时报文，其中，时间窗口由离线调度表中的arrival-start和arrival-end确定。
步骤20，根据离线调度表和待传输实时报文，生成转换报文，其中，转换报文为非实时报文；
在该步骤20中，具体包括：
步骤21，根据离线调度表中的数据唯一标识、报文序列号、输入端口标识和输出端口标识，生成静态路由表；
步骤22，根据静态路由表，判断待传输实时报文是否发生篡改，若是，丢弃待传输实时报文，若否，执行步骤23；
具体地，提取离线调度表中的对应字段，生成对应的静态路由表和过滤表，其中，静态路由表包括flow-id，length，input-port以及output-port，如图3(b)所示，静态路由表中的flow-id用于索引实时报文在离线调度表中的位置。当一个实时报文被接收到时，该实时报文的flow-id将被用于在静态路由表中进行索引，被索引到的静态路由表中的length和input-port信息将被用于验证该实时报文的正确性，仅当input-port和length与被接收的实时报文一致时，该实时报文被转换为非实时报文，否则该实时报文被丢弃。
步骤23，将待传输实时报文转换为转换报文，并将转换报文对应的数据唯一标识的最高位的数值置为1，其中，待传输实时报文的数据唯一标识的最高位为0。
具体地，在将待传输实时报文转换为转换报文(非实时报文)的过程中，将flow-id的最高位is-copy由0置为1，
进一步地，在步骤20之后，该方法还包括：
步骤24，根据离线调度表，判断转换报文是否发生篡改，若是，执行步骤25，若否，执行步骤30；
步骤25，丢弃转换报文。
具体地，为了提高报文转换过程中的准确性，根据离线调度表中的flow-id和length，判断转换报文在转换工程中是否发生了篡改，当离线调度表中的flow-id和length分别与转换报文中的一个或两个对应项不一致时，则认为转换报文在转换过程中发生了篡改，则丢弃该转换报文，否则，则认为在转换过程中，转换报文未发生篡改，执行步骤30。
进一步地，为了提高报文传输过程中的准确性，
步骤30，根据对应的传输规则，发送待传输实时报文和转换报文；
在该步骤30中，具体包括：
步骤31，根据离线调度表中的数据唯一标识和报文序列号，生成序列号表；
具体地，提取离线调度表中的对应字段，序列号表中包括flow-id和sequence，如图3(c)所示，序列号表用于记录经过对应节点的数据报文的报文序列号。
步骤32，根据序列号表，判断数据报文是否为丢弃报文，若是，丢弃数据报文，若否，执行步骤33，其中，数据报文包括待传输实时报文和转换报文；
具体地，对于非实时报文(如转换报文)，利用非实时报文通道进行传输，根据序列号表，判断非实时报文对应的序列号与序列号表中最新的序列号之间的差值是否为1，当差值不是1时，则判定非实时报文为丢弃报文，丢弃该非实时报文，当差值为1时，则发送该非实时报文。
对于实时报文(待传输实时报文)，利用实时报文通道进行传输，判断该实时报文对应的序列号是否大于序列号表中存储的最大序列号，当判定为否时，则丢弃该实时报文，当判定为是时，则发送该实时报文。
步骤33，判断数据报文的数据唯一标识的最高位是否为1，若是，执行步骤34，若否，执行步骤35；
步骤34，根据非实时报文发送方法，发送数据报文，数据报文为转换报文，执行步骤36；
步骤35，根据离线调度表，发送数据报文，数据报文为待传输实时报文，执行步骤36；
具体地，实时报文的flow-id最高位is-copy为0，转换报文的flow-id最高位is-copy为1，通过判断数据报文的flow-id最高位is-copy是否为1，选择对应的发送方法发送该数据报文。
步骤36，根据发送的数据报文，更新序列号表。
具体地，当发送的数据报文类型为非实时报文时，将序列号列表中的序列号进行加1操作，将加1后的序列号作为更新后的序列号更新序列号表。
当发送的数据报文类型为实时报文时，将发送的数据报文所对应的序列号作为更新后的序列号更新序列号表。
步骤40，根据离线调度表，滤除接收到的重复报文，
其中，重复报文为具有相同数据唯一标识的待传输实时报文或具有相同数据唯一标识的转换报文。
在该步骤40中，具体包括：
步骤41，离线调度表中的数据唯一标识和报文序列号，生成过滤表；
具体地，过滤表包括flow-id和sequence，如图3(d)所示，过滤表用于滤除重复经过对应节点的数据报文。
步骤42，根据数据唯一标识和报文序列号，判断接收到的数据报文是否为重复报文，若是，滤除重复报文。
具体地，生成过滤标之后，过滤标中的数据唯一标识flow-id的状态被标记为“未发送”，发送数据报文之前读取过滤表中的数据唯一标识flow-id，判断准备发送的数据报文的数据唯一标识flow-id在过滤表中对应的状态是否为“未发送”，当判定状态为“未发送”时，正常发送数据报文，并将状态转变为“已发送”，当判定状态为“已发送”时，则说明该数据唯一标识flow-id对应的数据报文已经执行了发送操作，将该数据唯一标识flow-id对应的数据报文标记为重复数据报文，将该重复数据进行滤除，不执行发送操作。
设定本实实例对应的硬件实验电路如图4所示，由发射机RTS1、发射机RTS2、发射机RTS3和性能测试工具IXIA构成，由RTS1、RTS2和RTS3发送实时报文4A，并同时发送不同流量的低优先级的非实时数据作为干扰数据4B，分别记录实时报文4A与转换后的转换报文的到达时间，其中，发送量为每一分钟发送1000条数据帧，共记录10分钟。
对应的离线调度表应用如图5所示，其中，实线框表示步骤，虚线框表示静态表。报文首先进入分类器，然后流向BE通道(非实时报文传输通道)或TT通道(实时报文传输通道)，转换报文在BE通道上进行序列号检测，然后传输至过滤器。离线调度表首先在TT通道中使用，其次由离线调度表产生了三个新表：静态路由表、序列号表和过滤表。静态路由表在BE通道传输非实时报文时使用，序列号表在序列号检测时使用，过滤表在过滤时使用。
将本发明中的实时报文调度方法与现有的实时报文调度方法相比较，实验仿真结果如图6所示，其中，曲线601为本发明实时报文传输的最小时延曲线，曲线602为本发明实时报文传输的平均时延曲线，曲线603为本发明实时报文传输的最大时延曲线，曲线604为现有的实时报文传输的时延曲线。从数据中可以看出，采用本发明中的实时报文调度方法传输实时报文的时延，与现有的实时报文调度方法传输实时报文的时延相比，最小时延减少了96微秒，最大时延减少了60微秒，平均时延减少了80微秒，实时报文的传输实时性平均提升了30％，而且，低优先级的非实时报文，对“由实时报文转化后的非实时报文”(高优先级)传输时延基本没有影响，从而验证了本发明中的实时报文调度方法的高可靠性。
本发明中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本发明装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种传输实时数据的实时以太网调度方法，其特征在于，该方法包括：
步骤10，根据网络拓扑结构和待传输实时报文，生成离线调度表；
步骤20，根据所述离线调度表和所述待传输实时报文，生成转换报文，其中，所述转换报文为非实时报文，生成所述转换报文的方法，具体包括：
步骤21，根据所述离线调度表中的数据唯一标识、报文序列号、输入端口标识和输出端口标识，生成静态路由表；
步骤22，根据所述静态路由表，判断所述待传输实时报文是否发生篡改，若是，丢弃所述待传输实时报文，若否，执行步骤23；
步骤23，将所述待传输实时报文转换为所述转换报文；
步骤30，根据对应的传输规则，发送所述待传输实时报文和所述转换报文；
步骤40，根据所述离线调度表，滤除接收到的重复报文，其中，滤除重复报文的方法具体包括：
步骤41，所述离线调度表中的所述数据唯一标识和报文序列号，生成过滤表；
步骤42，根据所述数据唯一标识和所述报文序列号，判断接收到的数据报文是否为所述重复报文，若是，滤除所述重复报文，其中，所述数据报文包括所述待传输实时报文和所述转换报文，
其中，所述重复报文为具有相同数据唯一标识的所述待传输实时报文或具有相同所述数据唯一标识的所述转换报文。
2.如权利要求1所述的传输实时数据的实时以太网调度方法，其特征在于，所述步骤23中，具体还包括：
将所述转换报文对应的所述数据唯一标识的最高位的数值置为1，其中，所述待传输实时报文的所述数据唯一标识的所述最高位为0。
3.如权利要求2所述的传输实时数据的实时以太网调度方法，其特征在于，所述步骤30，具体包括：
步骤31，根据所述离线调度表中的所述数据唯一标识和报文序列号，生成序列号表；
步骤32，根据所述序列号表，判断数据报文是否为丢弃报文，若是，丢弃所述数据报文，若否，执行步骤33，其中，所述数据报文包括所述待传输实时报文和所述转换报文；
步骤33，判断所述数据报文的所述数据唯一标识的最高位是否为1，若是，执行步骤34，若否，执行步骤35；
步骤34，根据非实时报文发送方法，发送所述数据报文，所述数据报文为所述转换报文，执行步骤36；
步骤35，根据所述离线调度表，发送所述数据报文，所述数据报文为所述待传输实时报文，执行步骤36；
步骤36，根据发送的所述数据报文，更新所述序列号表。
4.如权利要求1所述的传输实时数据的实时以太网调度方法，其特征在于，所述步骤10之后，所述方法还包括：
步骤11，根据所述离线调度表，判断所述待传输实时报文是否有效，若是，执行步骤12，若否，执行步骤20；
步骤12，丢弃所述待传输实时报文。
5.如权利要求1所述的传输实时数据的实时以太网调度方法，其特征在于，所述步骤20之后，所述方法还包括：
步骤24，根据所述离线调度表，判断所述转换报文是否发生篡改，若是，执行步骤25，若否，执行步骤30；
步骤25，丢弃所述转换报文。
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