CN109150559A - 时间触发以太网仿真系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及时间触发以太网仿真系统，该系统包括网络规划单元、网络调度单元、通信仿真单元及时间同步仿真单元；所述网络规划单元包括用于生成网络拓扑文件的网络拓扑规划模块、用于配置网络流量参数及每条流量传输路径的网络流量配置模块；所述网络调度单元用于根据网络拓扑信息及流量信息，生成满足设定网络约束条件下的网路调度表；所述通信仿真单元用于实现不同类型业务的通信仿真；所述时间同步仿真单元用于实现消息固化、压缩、时钟同步服务、集群监测及状态机时钟同步功能。本发明的系统较之仅对时间同步功能进行仿真的现有技术，本发明的仿真系统更加全面深入。

Description

时间触发以太网仿真系统
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，具体涉及一种时间触发以太网仿真系统。
背景技术
伴随航空和航天电子技术的飞速发展，传统总线已经不能满足新型航空及航天电子系统的技术总体设计需求，因此目前传统的总线技术正逐步被新一代航空数据总线技术所替代，目前国外新型的商业和军用航空航天项目中的电子系统采用的总线已经开始转向光纤通道(Fiber Channel，FC)、航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full-DuplexSwitched Ethernet，AFDX)、SpaceWire、Time-triggered Protocol(TTP)和Time-triggered Ethernet(TTE)。新一代总线技术相比于传统的总线可以提供更高带宽、更高可靠性和低延迟性，能够很好地满足新一代航空航天电子系统的技术设计要求。
另外，近年来科技快速发展，尖端技术不断应用到新的航空航天系统中，高实时性的指控指令、大数据量的图像和视频数据以及精确制导雷达的海量数据等都需要高速实时的传输；轨道交通、汽车船舶、工业控制及安全关键领域也需要更加高速实时的通信。如果不具备高精度的时钟同步，这些系统的管理、协调、控制盒数据高速实时的传输就难以得到保证。时钟同步是未来系统的必然发展趋势。
TTE是国际上最新的一项基于以太网的新型总线技术，它具备最高等级的安全性、可靠性及确定性网络。该总线技术兼容了时间触发协议和以太网技术的优势，能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流、AFDX数据流和TTE网络数据流，具备更高的安全性和强有力的容错机制。
TTE是在普通交换式以太网基础上，经过增加实时性和可靠性设计而实现的。具体的形成过程为，在非确定性的普通以太网中引入时钟同步技术，使之成为具有全局同步时钟的确定性网络，在此基础上，增加了TT通信和RC通信，采用合理的调度策略协调TT帧、RC帧、BE帧之间对设备和链路的争用，并且增加了安全机制来保障TTE功能的良好实现。
AS6802协议主要定义了一种高精度且容错的同步技术，可为TTE建立和保持低延迟、低抖动、高精度的全局同步时钟，保障和加强了TTE网络服务质量。
由于TTE具备对标准以太网完全的兼容性、访问控制的有效管理、有效的资源利用率、可扩展的容错机制及精确的系统诊断和良好的综合性等优势，所以TTE是未来通信发展的一个重要方向，在将来必然有广泛的应用领域。
专利CN 102282787 A(将分布式计算机网络中的本地时钟同步的方法)，详细描述了分布式计算机网络中各个节点实现时间同步的方法，但该专利仅描述了时间同步功能。
专利201310664838.6(一种模拟交换式以太网时钟同步的仿真系统)，对时间同步功能进行模块化，详细介绍了每一个模块的功能，并用仿真方法进行了实现，可扩展性比较好，但也主要关注时间同步功能。
发明内容
本发明提供了时间触发以太网仿真系统，以解决现有的时间触发以太网仿真技术对于时间触发以太网的仿真不够全面的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明的时间触发以太网仿真系统包括网络规划单元、网络调度单元、通信仿真单元及时间同步仿真单元；所述网络规划单元包括用于生成网络拓扑文件的网络拓扑规划模块、用于配置网络流量参数及每条流量传输路径的网络流量配置模块；所述网络调度单元用于根据网络拓扑信息及流量信息，生成满足设定网络约束条件下的网路调度表；所述通信仿真单元用于实现不同类型业务的通信仿真；所述时间同步仿真单元用于实现消息固化、压缩、时钟同步服务、集群监测及状态机时钟同步功能。
所述网络规划单元还包括场景故障设置模块，用于根据假设出现的网络错误场景生成故障场景设置文件。
该系统还包括网络冗余模块，该模块在网络拓扑规划时设置两个冗余网络，在网络流量配置中给两个冗余网络设置相同的流量配置。
该系统还包括网络性能评价模块，用于获取时间触发以太网仿真系统的网络性能参数的仿真结果，并将仿真结果显示出来。
所述网络性能参数包括时间触发仿真系统的延迟、抖动、带宽、丢包率、吞吐量及时钟精度。
所述设定网络约束条件包括应用程序约束、路径依赖约束、交换机约束或端到端传输约束。
所述时钟同步模块通过端系统和交换机两种模型实现时钟同步功能，所述端系统包括固化模块、状态机模块、调度模块、调度器模块、流量模块及固化模块；所述交换机包括时钟模块、同步模块及接口模块。
所述通信业务仿真模块通过端系统和交换机模块来实现，所述端系统模块包括调度层、队列层及消息应用层；所述交换机模块包括消息路由模块和交换机端口模块。
所述网络错误场景包括通信业务帧长错误、时间触发帧发送时间错误、时间触发帧转发时间错误、时间触发帧接收时间错误、不一致故障、遗漏故障及静默故障。
所述网络拓扑规划模块通过图形化编辑软件编辑图形获取网络拓扑结构，或直接导入事先已配置好的网络获得网络拓扑结构。
本发明的有益效果是：本发明的时间触发以太网仿真系统包括网络拓扑规划、网络调度、时钟同步算法仿真和通信业务仿真单元，较之仅对时间同步功能进行仿真的现有技术，本发明的仿真系统更加全面深入。
本发明的仿真系统还设置有网络冗余容错仿真、网络性能评价仿真模块，其中网络冗余容错仿真模块实现了时钟和数据的冗余容错功能，使仿真系统更加接近实际的以太网。网络性能评价仿真模块实现了时间触发仿真系统的延迟、抖动、带宽、丢包率、吞吐量、时钟精度等网络性能参数的仿真，大大提高了分析时间触发以太网的性能的便利性。
附图说明
图1时间触发以太网仿真系统框架示意图；
图2网络拓扑配置界面示意图；
图3PCF流量配置界面示意图；
图4通信业务流量配置界面示意图；
图5网络调度表输出示意图；
图6图形化的网络调度表示意图；
图7端系统时钟同步模型示意图；
图8交换机时钟同步模型示意图；
图9端系统通信模型示意图；
图10交换机通信模型示意图；
图11故障场景设置示意图；
图12网络性能评价示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
如图1所示，本发明的时间触发以太网仿真系统网络规划单元、网络调度单元、通信仿真单元及时间同步仿真单元。网络规划单元包括用于生成网络拓扑文件的网络拓扑规划模块、用于配置网络流量参数及每条流量传输路径的网络流量配置模块；网络调度单元用于根据网络拓扑信息及流量信息，生成满足设定网络约束条件下的网路调度表；通信仿真单元用于实现不同类型业务的通信仿真；时间同步仿真单元用于实现消息固化、压缩、时钟同步服务、集群监测及状态机时钟同步功能。
下面对上述各个单元进行详细阐述：
1)网络规划单元
网络规划单元包括网络拓扑规划和网络流量配置模块。其中，网络拓扑规划部分能通过人机交互界面生成网络拓扑文件，为系统中的网络调度与网络仿真提供网络拓扑信息，同时它还支持拓扑的自由调整和保存；网络拓扑规划模块是一个图形化编辑框架，可通过用户键盘以及鼠标作为输入，同样也可以通过文件读取已有配置文件进行拓扑的输入。
具体的，如图2所示，在网络拓扑的图形编辑软件中，可以用鼠标拖到工具栏中的元素到编辑区域，然后用连线工具把各个网络节点连接起来，进而构成网络的物理拓扑，编辑区中的每一个元素都可以在属性区域进行配置。网络拓扑的图形编辑支持新建、移动、删除网络节点；同时选择多个网络节点；查看及修改节点的属性；也可对集成周期、集群周期、带宽等全局性的参数进行统一配置；以及支持冗余网络的操作。通过编辑修改操作之后，可以把配置生成的网络拓扑文件以XML格式导出，用于以后快速导入以及后续的仿真模块使用。
网络流量配置部分能根据TT、RC、BE流量的参数进行配置，生成网络流量文件，为系统中的网络调度与网络仿真提供网络流量信息，同时生成PCF帧的路径信息为网络同步模块提供必要信息。
具体的，如图3所示，在网络流量配置过程中需要了解每条流量的源端以及目的端，需要读取网络拓扑中关于节点的信息，并确认源端以及目的端是连通的。通过手动或者自动的方式对网络流量参数进行配置。对网络流量各个参数配置好之后，最后配置每条流量的传输路径，这个部分可以通过手动设置路径和自动生成两种方式完成：手动设置路径是通过逐一选择节点的方式对消息的路径进行配置，自动生成路径的是通过最短路径算法对消息的路径进行配置。然后输出网络流量配置文件。
时间触发以太网采用全双工通信链路，设备分为端系统和交换机两类。时钟同步是时间触发机制得以运行的基础，采用SAE AS6802时钟同步服务或者IEEE1558时钟同步协议，进行分布式网络的容错时钟同步，更新维护全局时钟信息。
网络流量配置分为时钟同步流量和通信业务流量两种。时钟同步流量用于实现SAE AS6802标准中的协议控制帧(PCF)的配置，完成时钟同步算法；通信业务流量用于实现具体的业务消息配置。图4给出了通信业务流量配置界面。
通信业务按照消息的时间关键特性，从高到低将消息分为三类：时间触发(TT)消息；速率受限(RC)消息；尽力传输(BE)消息。TT消息用于具有严格时延、时延抖动和确定性需求的应用。所有TT消息在网络上以预先定义的时刻发送，并具有优于其它流量等级的优先权。在这种情况下，当某个端系统决定不使用分配给它的时隙，交换机识别该发送器没有被激活，将省下的带宽供其他流量等级使用。RC消息实现与ARINC 664 part 7标准兼容的通信模式，它们被用于那些与严格的时间触发应用相比其确定性和实时需求的严格程度弱一些的应用。RC消息保证对于每个应用具有预定义的带宽，延迟和时间偏离量具有规定的界限。与TT消息不同，RC消息的发送并不遵循系统范围的同步时间基准。这样，不同的通信控制器可能在同一时刻点向同一接收机发送消息。所以，RC消息可能在网络交换机上排队，导致发送时延抖动增加。因为RC消息的发送速率被先验地约束在某一限度内并被网络交换机控制，发送时延抖动的上限能够被离线地计算出来，消息的丢失得以避免。BE消息实现的是传统的以太网通信方法。消息是否发送，什么时候发送，BE消息到达接收端的延迟是什么，并没有保证。BE消息适用于网络剩余的带宽，其优先级低于TT和RC消息。然而，在诸如维护和配置阶段，“尽力传”流量可能是有用的：因为在这样的阶段，可能没有TT或RC形式的关键性流量，不需显式地改变网络模式，整个网络带宽对于尽力传流量是可用的。
在图形编辑软件中，可以具体配置业务流量，包括每一条流量的消息编号、传输类型、消息类型、消息周期、消息帧长、消息源端、消息目的端以及消息路径等信息。支持批量设置及单个设置。
进一步，网络规划单元还可设置有故障场景设置模块。如图11所示，故障场景设置模块能够根据假设出现的网络错误场景生成故障场景设置文件，为测试时间触发以太网的冗余和容错等功能提供场景。网络调度模块根据输入的拓扑结构以及流量信息，在满足网络约束的条件下计算出合理的网络调度表。通信仿真模型以及时钟同步仿真模型是基于时钟同步算法、网络冗余容错算法等建立的模型，通过输入上述拓扑文件、流量文件、网络调度表文件以及故障场景设置文件进行相应的仿真模拟。最后将输出仿真结果以及抖动、延时、时钟精度等网络性能指标。
2)网络调度仿真单元
网络调度模块读取网络拓扑规划和网络流量配置的信息，以及手动或自动配置的各项约束参数，通过专门的调度算法，计算出整个网络中时间触发流量的发送时间点，同时可以把这些时间信息以图形化方式展现。
具体的，约束条件包括应用程序约束、路径依赖约束、交换机约束、端到端传输约束等。配置好约束条件后，采用调度算法计算出是否有满足模型的可行解。如果有可行解，计算每一条时间触发(TT)消息的流经每一个网络节点的发送时间信息，生成无冲突的流量时刻调度表，保存在XML文件中，如图5所示。再根据输出的调度表和图形化调度表生成模块，生成图形化的调度表，如图6所示。上述调度算法为现有技术中常用的网络调度算法，这里不再详细介绍。
3)时钟同步仿真单元
时钟同步仿真单元实现了SAE AS6802标准中描述的协议控制帧(PCF)的仿真，包括消息固化、压缩、时钟同步服务、集群检测、状态机等时钟同步功能。
具体的，时钟同步功能主要通过端系统和交换机两种模型来实现，端系统包括同步主机和同步客户机两种类型。同步主机模块包括固化模块(smPerman)、状态机模块(smStaMac)、调度器模块(smScheduler)和流量模块(smApp)。同步客户机模块包括固化模块、状态机模块、调度器模块。交换机模型包括时钟模块(clock)、同步模块(cm)和接口模块。
如图7所示，端系统时钟同步模型包括两个子模块：时钟模块(Clock)和同步功能模块(Sync)。时钟模块用来提供本地时间，同步功能模块用于提供时钟同步服务。固化模块(smPerman)用于执行固化算法，实现协议控制帧的固化操作，并将计算结果发送给状态机模块(smStaMac)。状态机模块(smStaMac)用于执行同步控制器的协议状态机。调度器模块(smScheduler)用于调度事件，包括定时器超时事件和本地时钟时刻点事件。流量模块(smApp)用于发送PCF帧。
如图8所示，交换机时钟同步模型用于仿真网络中的交换机设备，包含三个模块，一个时钟模块(clock)、一个同步模块(cm)和一个接口模块。CM模块是复合模块，实现CM的同步功能，包含3个子模块：cmPerman模块、cmStaMac模块、cmScheduler模块。cmPerman模块实现压缩控制器固化功能；cmStaMac模块主要用于执行压缩控制器的协议状态机；cmScheduler模块用于调度事件，包括定时器超时事件和本地时钟时刻点事件，包括接收窗到期事件、cm_sync_eval_pit、cm_async_eval_pit等等。
4)通信业务仿真单元
通信业务仿真单元实现了不同类型业务的通信仿真，包括时间触发业务(TT)和事件触发业务(RC,BE)。
具体的，通信业务仿真单元通过端系统和交换机两个模块来实现。如图9所示，端系统模型分为三层，为调度层，队列层以及消息应用层。调度层模块主要完成节点消息(PCF、TT、RC、BE消息)的调度；pcfBuffer、ttBuffer、rcBuffer、beBuffer为消息队列层模块，分别用于缓存PCF、TT、RC、BE消息帧，并在接收到消息帧后向scheduler模块发送一个辅助消息通知scheduler模块有消息帧等待调度发送。flowCheck模块为消息的检测模块，接收来自下层scheduler模块的消息，完成检测后上上层APP模块发送；flowApp模块由pcf、TT、RC、BE消息的源和目的模块以及消息的分配器模块组成。
如图10所示，交换机模型包含两大模块，分别是消息路由模块和交换机端口模块，消息路由模块完成PCF、TT、RC、BE消息的路由转发功能；交换机端口模块通过检查消息并发送到路由模块，并接收来自路由模块的消息按消息种类分配发送到不同的消息缓存队列中。
除了上述四个仿真单元外，还可以在时间触发以太网仿真系统中设置网络冗余容错仿真模块。网络冗余容错仿真实现了时钟和数据的冗余容错功能，包括冗余网络、静默故障、遗漏故障、不一致故障、业务帧故障等。
具体的，网络冗余容错模块不是一个独立存在的模块，分为网络冗余功能和网络容错功能，该模块的功能分散在网络拓扑规划、网络流量配置、网络调度、时钟同步、通信业务仿真模块中。
网络冗余功能主要通过设置双冗余通道实现，在网络拓扑规划时设置两个冗余网络，在网络流量配置中给两条冗余的网络设置相同的流量配置，从而在时钟同步模块中传输冗余的协议控制帧，在通信业务仿真模块中传输冗余的通信业务帧。
网络容错功能主要通过故障模式的仿真来实现。在网络规划模块中设置通信业务帧长错误、时间触发帧发送时间错误、时间触发帧转发时间错误、时间触发帧接收时间错误、不一致故障、遗漏故障、静默故障等故障模式，生成XML格式的故障文件；通信业务模块读取XML格式的故障文件，使能故障标志位、故障节点、故障起始时刻点、故障终止时刻点、流量包数据等；时钟同步模块读取XML格式的故障文件，设置故障标志，根据文件包含的时间段，设置TTE设备的场景。最后在具体的仿真程序中实现网络容错功能。
进一步，也可以在时间触发以太网仿真系统中设置网络性能评价仿真模块。如图12所示，网络性能评价仿真模块实现了延迟、抖动、带宽、丢包率、吞吐量、时钟精度等网络性能参数的仿真。仿真结束后，仿真的输出结果将被显示出来，包括矢量结果和标量结果。矢量结果是时间序列数据，相当于时间戳，可以用输出的矢量结果来纪录消息的端到端延迟、数据分组的传输时间、队列长度、排队时间、链路利用率、分组丢失的数量等。

Claims (10)

1.时间触发以太网仿真系统，其特征在于，该系统包括网络规划单元、网络调度单元、通信仿真单元及时间同步仿真单元；所述网络规划单元包括用于生成网络拓扑文件的网络拓扑规划模块、用于配置网络流量参数及每条流量传输路径的网络流量配置模块；所述网络调度单元用于根据网络拓扑信息及流量信息，生成满足设定网络约束条件下的网路调度表；所述通信仿真单元用于实现不同类型业务的通信仿真；所述时间同步仿真单元用于实现消息固化、压缩、时钟同步服务、集群监测及状态机时钟同步功能。
2.根据权利要求1所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述网络规划单元还包括场景故障设置模块，用于根据假设出现的网络错误场景生成故障场景设置文件。
3.根据权利要求1所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，该系统还包括网络冗余模块，该模块在网络拓扑规划时设置两个冗余网络，在网络流量配置中给两个冗余网络设置相同的流量配置。
4.根据权利要求2所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，该系统还包括网络性能评价模块，用于获取时间触发以太网仿真系统的网络性能参数的仿真结果，并将仿真结果显示出来。
5.根据权利要求4所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述网络性能参数包括时间触发仿真系统的延迟、抖动、带宽、丢包率、吞吐量及时钟精度。
6.根据权利要求1所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述设定网络约束条件包括应用程序约束、路径依赖约束、交换机约束或端到端传输约束。
7.根据权利要求1所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述时钟同步模块通过端系统和交换机两种模型实现时钟同步功能，所述端系统包括固化模块、状态机模块、调度模块、调度器模块、流量模块及固化模块；所述交换机包括时钟模块、同步模块及接口模块。
8.根据权利要求1所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述通信业务仿真模块通过端系统和交换机模块来实现，所述端系统模块包括调度层、队列层及消息应用层；所述交换机模块包括消息路由模块和交换机端口模块。
9.根据权利要求2所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述网络错误场景包括通信业务帧长错误、时间触发帧发送时间错误、时间触发帧转发时间错误、时间触发帧接收时间错误、不一致故障、遗漏故障及静默故障。
10.根据权利要求1所述时间触发以太网仿真系统，其特征在于，所述网络拓扑规划模块通过图形化编辑软件编辑图形获取网络拓扑结构，或直接导入事先已配置好的网络获得网络拓扑结构。
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