CN109005062B - 一种面向接收约束的时间触发以太网带宽规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向接收约束的时间触发以太网带宽规划方法。针对采用接收约束方式实现的时间触发以太网中的时间触发帧传输，即在时间触发以太网的中间节点和接收节点上通过预先配置的接收通信表来确定时间触发帧的接收时间窗口，约束时间触发帧的接收；在发送节点，根据发送通信表确定时间触发帧的发送时间。确保时间触发帧在网络中的无冲突传输，规划方法最终生成中间节点和接收端节点的接收通信表，以及发送节点的发送通信表，实现简单，所需计算代价小。

Description

一种面向接收约束的时间触发以太网带宽规划方法
技术领域
本发明属于计算机网络通信领域，具体涉及一种时间触发以太网通信中的网络带宽资源规划方法。
背景技术
在航空航天、汽车控制、工程机械、工业自动化等领域中，必须保证信息传输具有固定的传输时延和有界的抖动。这些领域中网络通信技术是一种要求对事件进行实时响应的事件驱动通信。时间触发以太网技术是面向此类需求的一种新兴技术，能够在支持时间触发通信的基础上兼容标准以太网，具有良好的应用前景。时间触发架构模式要求实时系统中的任务为周期性触发任务，其通信带宽由基于精准时钟同步的全局时间调度方式进行规划分配，从而确保可预见的网络时延和网络抖动。因此，网络带宽规划技术是时间触发以太网的核心技术。
时间触发以太网中的网络带宽规划目的是为网络中所有时间触发通信流量预先分配网络带宽，并为标准以太网通信流量留下可用的尽力传送带宽。目前的时间触发以太网带宽规划技术主要有两类：一类是基于约束求解器的规划调度方法[1,2]，首先采用用形式化语言描述网络及通信任务，将通信需求表示为求解条件，再利用形式化求解器(如SMT)在状态空间中穷尽搜索，如果存在解，则生成网络通信表。这种方法的缺陷在于穷尽搜索导致算法执行效率非常低。另一类方法是基于常规搜索算法的规划调度方法，这种方法首先对时间触发以太网进行数学建模，在此基础上，利用经典或改进的搜索算法在设计空间中求得规划调度的相对最优解[3]。此类方法面向复杂的时间触发以太网模型，需要定义最优约束，搜索算法实现复杂，实现代价大。
参考文献：
[1]HUANG J,BIECH J O,RAABE A,et al.Static Scheduling of a TimeTriggered Network on Chip based on SMT Solving[C]//Proceedings of Design,Automation&Test in Europe Conference&Exhibition.IEEE,2012:509-514.
[2]TAMAS SELICEAN D,POP P,STEINER W.Synthesis of CommunicationSchedules for TTEthernet based Mixed criticality Systems[C]//Proceedings ofthe eighth IEEE/ACM/IFIP International Conference on Hardware/softwareCodesign and System Synthesis.ACM,2012:473-482.
[3]徐晓飞,曹晨等,TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法.北京航空航天大学学报[J],2015,41(8):1403-1407。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单高效的时间触发以太网带宽规划方法，针对接收约束的时间触发以太网实现，设计了一种流量关键节点优先的弹性带宽规划方法，采用了流量关键节点优先的弹性带宽规划方法产生网络中各节点的接收通信表和发送通信表，用以解决时间触发以太网中带宽资源规划调度复杂低效的问题。
本发明的规划方法针对采用接收约束方式实现的时间触发以太网中的时间触发帧传输，即在时间触发以太网的中间节点和接收节点上通过预先配置的接收通信表来确定时间触发帧的接收时间窗口，约束时间触发帧的接收；在发送节点，根据发送通信表确定时间触发帧的发送时间。
本发明的方法包括如下步骤：
A.设置网络参数、时钟同步参数和时间触发业务流参数。网络参数包括网络中端节点的发送延迟与接收延迟、中间节点的传输延迟、以及每条边的链路延迟；时钟同步参数包括网络中最大时钟偏移、时间片长度和时钟同步集成周期；时间触发业务流参数包括每个时间触发业务的帧发送周期、帧长度、经过的网络路径；
B.确定网络中的流量关键节点，流量关键节点定义为传输指定时间触发流集合中的流数量最多的节点；流量关键节点的确定方法为：给定一个时间触发流集合F，和网络节点集合V，对V中的每个节点统计经过此节点的F中的时间触发流数量，经过的流数量最多的节点即为流量关键节点。
C.确定经过流量关键节点上的所有时间触发帧实例，计算每个时间触发帧实例在此节点上的有效接收时间窗口，以及所需要的时间片数量；
D.分配流量关键节点上的带宽资源，实现方法为：
D1.排序经过流量关键节点上的所有时间触发帧实例。排序方法为首先按照帧实例的有效接收时间窗口结束时间从小到大排序；其次按照有效接收时间窗口起始时间从大到小排序；最后按照帧长度从大到小排序。最终得到排好序的帧实例集合；
D2.依次为帧实例集合中的帧实例分配带宽资源，分配方法为在帧实例的有效窗口范围内查找长度满足帧实例所需时间片长度的空闲资源，若找到，则将资源分配给此帧实例，分配结果记录到接收通信表中；否则，分配失败，结束规划过程；
E.以关键节点为中心，分配传输路径上其它节点的带宽资源，实现方法为：
E1.对帧实例集合中的每个帧实例，沿传输路径前向获取上一跳节点，为其分配节点上的接收带宽资源，分配结果记录到接收通信表；重复此过程，直到到达发送节点，根据第一跳节点的接收时间确定发送时间，记录到发送节点的发送通信表；
E2.对帧实例集合中的每个帧实例，沿传输路径后向获取下一跳节点，为其分配节点上的接收带宽资源，分配结果记录到接收通信表；重复此过程，直到到达接收节点，接收节点按照同样方法分配接收带宽资源，并记录到接收通信表；
E3.重复E1和E2步骤，直到帧实例集合中的每个帧实例处理完毕。若过程中出现分配失败情况，则结束规划过程；
F.从时间触发流集合中去掉已完成分配的流，剩余的流重复步骤B至步骤F的过程，直至集合为空。若时间触发流集合为空，则规划过程完毕，向网络中各个节点下发生成的通信表。
本发明的优点在于：针对接收约束的时间触发以太网实现，设计了一种流量关键节点优先的弹性带宽规划方法，能够解决时间触发以太网中带宽资源规划调度复杂低效的问题。本发明的规划方法实现网络带宽资源分配，确保时间触发帧在网络中的无冲突传输，规划方法最终生成中间节点和接收端节点的接收通信表，以及发送节点的发送通信表，实现简单，所需计算代价小。
附图说明
图1为本发明的带宽规划方法流程图。
具体实施方式
图1为本发明流量关键节点优先的弹性带宽规划方法具体流程，下面进行具体说明:
步骤A中的网络延迟参数(端节点发送延迟和接收延迟、中间节点传输延迟)和链路延迟根据实际网络中的设备型号进行实际测量获得。简便起见，后续步骤中假设网络中所有链路的链路延迟相同，所有中间节点延迟相同。若不同，可以通过累加方法得到实际的链路累计延迟和中间节点累计延迟；
步骤A中的时钟同步参数最大时钟偏移(CLOCK_DRIFT)等于网络时钟同步精度；时间片长度(TS_LEN)通常设置为所有时间触发帧传输时间的最大公约数；集成周期的计算方法为取所有时间触发流周期的最小公倍数；
步骤A中的时间触发业务流参数在业务和业务传输路径确定后人工配置；
步骤B中的流量关键节点计算方法为：给定一个时间触发流集合F，和网络节点集合V，对V中的每个节点统计经过此节点的F中的时间触发流数量，经过的流数量最多的节点即为流量关键节点；
步骤C中经过流量关键节点的所有时间触发帧实例的计算方法为：首先确定时间触发流集合F中每一条流在集成周期中产生的所有帧实例；其次，对每个帧实例，根据步骤A中配置的流传输路径判断其是否经过流量关键节点，若经过，则添加到经过流量关键节点的帧实例集合；
步骤C中的帧实例有效时间接收窗口[valid_ts_start,valid_ts_end]计算方法如下：设
Figure BDA0001754231730000041
表示经过节点v的第i条时间触发流在集成周期中的第k个实例，则有效接收时间窗口
Figure BDA0001754231730000042
按照下列步骤计算：
C1.计算帧实例
Figure BDA0001754231730000043
在节点v上的预期最早到达时间sheduled_reach_earliest(公式1)，其中，fi·period为步骤A中配置的第i条流的帧周期；m为节点v在帧实例传输路径上的顺序号，从发送节点开始编号，发送节点编号为0，v0即为发送节点。v0·send_delay为步骤A中配置的节点发送延迟，link_delay为步骤A中配置的单条链路延迟，node_delay为步骤A中配置的中间节点延迟；
Figure BDA0001754231730000044
C2.计算帧实例
Figure BDA0001754231730000045
在节点v上的预期最晚到达时间scheduled_reach_deadline(公式2)。其中，n为帧实例传输路径上最后一个节点(即接收节点)的顺序号，vn为接收节点，vn·receive_delay为步骤A中配置的节点接收延迟。其它因子含义同C1；
Figure BDA0001754231730000046
C3.计算有效窗口起始点，如公式3：
Figure BDA0001754231730000047
C4.计算有效窗口结束点，如公式4：
Figure BDA0001754231730000048
步骤C中，帧实例所需的时间片长度ts_num计算方法如公式5所示：
Figure BDA0001754231730000049
步骤D中，每为一个帧实例分配接收资源，则产生该节点上的一条接收通信表项，表项结构为<帧实例ID,起始时间片序号,结束时间片序号>。被分配的时间片标记为已占用；
步骤E中，在分配其它节点上的资源时，与
步骤D中的方法相同，即首先需要计算在当前节点上的有效接收时间窗口，然后，在窗口范围内查找长度为节点所需时间片长度的空闲资源，若找到，则表示可分配，生成相应的接收通信表项，将分配的时间片标记为已占用。对于发送节点，生成帧实例在此节点上的发送通信表项，表项结构为<帧实例ID,发送时间>，其中发送时间采用下列方法计算：
发送时间＝上一跳节点起始时间片序号×TS_LEN+CLOCK_DRIFT-LINK_DELAY
其中，上一跳节点起始时间片序号在步骤E1的前序处理中已经计算得到。

Claims (2)

1.一种面向接收约束的时间触发以太网带宽规划方法，采用了流量关键节点优先的弹性带宽规划方法产生网络中各节点的接收通信表和发送通信表，其特征在于，在时间触发以太网的中间节点和接收节点配置接收通信表来确定和限制时间触发帧的接收时间窗口，在发送节点配置发送通信表来确定时间触发帧的发送时间，具体步骤如下：
A.设置网络参数、时钟同步参数和时间触发业务流参数，
所述网络参数包括网络中端节点的发送延迟与接收延迟、中间节点的传输延迟、以及每条边的链路延迟；
所述时钟同步参数包括网络中最大时钟偏移、时间片长度和时钟同步集成周期；
所述时间触发业务流参数包括每个时间触发业务的帧发送周期、帧长度、经过的网络路径；
B.确定网络中的流量关键节点，
所述流量关键节点为传输指定时间触发流集合中的流数量最多的节点；
C.确定经过流量关键节点上的所有时间触发帧实例，计算每个时间触发帧实例在此节点上的有效接收时间窗口，以及所需要的时间片数量；
D.分配流量关键节点上的带宽资源，实现方法为：
D1.排序经过流量关键节点上的所有时间触发帧实例，排序方法为首先按照帧实例的有效接收时间窗口结束时间从小到大排序；其次按照有效接收时间窗口起始时间从大到小排序；最后按照帧长度从大到小排序；最终得到排好序的帧实例集合；
D2.依次为帧实例集合中的帧实例分配带宽资源，分配方法为在帧实例的有效窗口范围内查找长度满足帧实例所需时间片长度的空闲资源，若找到，则将资源分配给此帧实例，分配结果记录到接收通信表中；否则，分配失败，结束规划过程；
E.以关键节点为中心，分配传输路径上其它节点的带宽资源，实现方法为：
E1.对帧实例集合中的每个帧实例，沿传输路径前向获取上一跳节点，为其分配节点上的接收带宽资源，分配结果记录到接收通信表；重复此过程，直到到达发送节点，根据第一跳节点的接收时间确定发送时间，记录到发送节点的发送通信表；
E2. 对帧实例集合中的每个帧实例，沿传输路径后向获取下一跳节点，为其分配节点上的接收带宽资源，分配结果记录到接收通信表；重复此过程，直到到达接收节点，接收节点按照同样的中间节点分配接收资源的方法分配接收带宽资源，并记录到接收通信表；
E3. 重复E1和E2步骤，直到帧实例集合中的每个帧实例处理完毕，若过程中出现分配失败情况，则结束规划过程；
F.从时间触发流集合中去掉已完成分配的流，剩余的流重复步骤B至步骤F的过程，直至集合为空，若时间触发流集合为空，则规划过程完毕，向网络中各个节点下发生成的通信表，通信表包括接收通信表和发送通信表。
2.根据权利要求1所述的一种面向接收约束的时间触发以太网带宽规划方法，其特征在于，所述流量关键节点的确定方法为：给定一个时间触发流集合F，和网络节点集合V，对V中的每个节点统计经过此节点的F中的时间触发流数量，经过的流数量最多的节点即为流量关键节点。
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