CN109246013A - 一种fc-ae-1553交换型网络中的路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种FC‑AE‑1553交换型网络中的路由方法，首先对链路进行分级，对不同类型消息进行分类并设定优先级，并设定多个消息传输队列；之后以图论为理论基础，建立复杂拓扑网络的图模型。根据应用需求生成硬实时链路集合；然后基于图论理论与最短路径算法，为硬实时消息的传输，计算了多条不相关的候选路由，并设定了链路预留带宽；之后，基于链路预留带宽与最大流求解理论，计算了所有候选路径上的最大可行流；最后，描述了硬实时消息与非硬实时消息传输时各自的传输策略。本发明解决了基于FC‑AE‑1553协议的交换型网络(复杂拓扑结构网络)需要保证数据传输的实时性与可靠性问题，以及需要对不同类型的流量进行合理的流量控制问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信网络领域，特别是涉及航空总线网络中的路由技术领域，具体涉及一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法。
背景技术
航空电子数据总线是航空电子综合系统的“中枢神经”和数据通信枢纽，基于光纤通道的FC-AE-1553航空总线协议，由于其高带宽、高可靠、易扩展等特性，成为新一代航空电子数据总线协议的趋势越来越明显。而随着航空电子系统综合化程度的提高、总线结构的复杂、适用范围的拓宽，航电系统对总线拓扑结构和性能提出了更高要求。
硬实时可靠路由是指保证消息的高实时性与高可靠性的一种路由。它保证了实时指令消息在与多种类型消息同时传输中的优先传输特性，并且保障了在部分节点或链路故障条件下的实时指令消息的可靠传输特性。同时其他非硬实时类型的消息也需要合理的、有效的传输。
目前业界对于FC-AE-1553航空总线协议的研究大多停留在简单拓扑结构下的芯片设计、网络兼容、以及测试设备的开发等方面，而对于该协议复杂拓扑结构及其性能方面的研究却寥寥无几。随着航电系统数字化网络化程度的提高、网络范围的扩大，简单拓扑远不能满足实际需要。然而，拓扑结构的复杂化会带来网络性能的变化，而航电系统对实时性和可靠性要求极高，这就这对未来航电网络的研究提出了挑战性问题：复杂拓扑下如何保证网络的实时性与可靠性，以及复杂网络的实时寻路与流控问题。现阶段对FC-AE-1553复杂网络拓扑及其关键技术的研究几乎没有。
发明内容
本发明针对基于FC-AE-1553协议的交换型网络(复杂拓扑结构网络)需要保证数据传输的实时性与可靠性，以及需要对不同类型的流量进行合理的流量控制问题，提供一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，包括步骤如下：
步骤1、将FC-AE-1553交换型网络抽象成图，并且为图中的每条边设定参数，生成网络拓扑的图G；
步骤2、根据应用需求生成硬实时链路集合，该硬实时链路集合是由元素(sk，tk，θk，nk)组成的集合，其中sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点，θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽；nk表示路径的条数，k表示元素序号；
步骤3、利用最短路径算法为硬实时链路集合中的元素(sk，tk，θk，nk)计算候选的路径，并为候选的路径中的每一段链路设定预留带宽；
步骤4、基于预留带宽求解候选路径集P(sk，tk，θk，nk)上所有路径的最大可行流；
步骤5、当硬实时链路集合的某个元素(sk，tk，θk，nk)的源节点sk与目标节点tk之间有消息需要传输时，网络中的任意一个节点根据该节点收到的消息的所属类型和该节点的相对类型，对收到的消息进行不同等级的队列处理和不同的传输。
上述步骤1中，抽象图G中的每条边设定参数包括：链路代价、链路预留带宽、链路上的可行流、链路容量和链路的冗余流量。
上述步骤3的具体步骤如下：
步骤3.1、按元素序号k从小到大的顺序选择硬实时链路集合中的一个没有被选过的元素(sk，tk，θk，nk)；
步骤3.2、复制图G生成图G1；
步骤3.3、采用最短路径算法在图G1中求一条源节点sk到目标节点tk的最短的路径pi，之后在图G和图G1中将路径pi上的每条边的链路预留带宽更新为r+θk，并继续执行步骤3.4；如果采用最短路径算法无法求出源节点sk到目标节点tk的最短路径，则跳至步骤3.6；
步骤3.4、将路径pi按照路径的优先顺序即i值的大小记入硬实时消息传输候选路径集P(sk，tk，θk，nk)，之后在图G1中删除路径pi上的中间节点和与其相连的边；
步骤3.5、判断是否生成了nk条路径，即判断i是否大于等于nk：如果是，则继续执行步骤3.6；否则，令i＝i+1，并返回步骤3.3；
步骤3.6、判断硬实时链路集合中的元素是否都已经被选择过，即判断k是否大于等于K：如果是，则步骤3结束，否则，令k＝k+1，i＝1，并返回步骤3.1；
上述k的初始值为1，且k＝1，2，……K，K表示元素个数；i的初始值为1，且i＝1，2，……nk，nk表示路径条数；r为上次迭代所得到的链路预留带宽；θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽，sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点。
上述步骤4的具体步骤如下：
步骤4.1、对于图G中的每条边，初始设置每条边的可行流为该边的预留带宽；
步骤4.2、复制图G生成图G2；
步骤4.3、按照元素序号k从小到大的顺序，选择硬实时链路集合中没有被选择过的元素(sk，tk，θk，nk)，并选择其对应的候选路径集P(sk，tk，θk，nk)；
步骤4.4、按照候选路径序号i从小到大的顺序，从候选路径集P(sk，tk，θk，nk)中一条没有被选择过的路径pi；
如果存在没有被选择过的路径pi，则继续判断图G2中是否完整的存在这条路径，若图G2中完整存在这条路径，则继续执行步骤4.5，否则，转至步骤4.9；
如果不存在没有被选择过的路径pi，跳到步骤4.10；
步骤4.5、将路径pi上所有边的冗余流量中，最小的冗余流量值作为路径pi的增加流；其中边的初始冗余流量为边的链路容量；
步骤4.6、将路径pi记为已选路径，并将元素(sk，tk，θk，nk)中的传输某一类硬实时消息所需要的带宽θk与增加流之和作为该条路径的最大可行流；
步骤4.7、在图G和图G2中，将路径pi中的每一条边的可行流更新为当前可行流与增加流的和，同时将路径pi中的每一条边的冗余流量更新为链路容量减去链路上的可行流；
步骤4.8、在图G2中删除路径pi中流量已经满的边，即删除步骤4.5中冗余流量最小的那条边；
步骤4.9、判断候选路径P(sk，tk，θk，nk)中的路径是否全部都已经被选择过，即判断i是否大于等于nk：如果是，则继续执行步骤4.10；否则，令i＝i+1，并返回步骤4.4；
步骤4.10、判断硬实时链路集合中的元素是否都已经被选择过，即k是否大于等于K：如果是，则步骤4结束；否则，令k＝k+1，i＝1并返回步骤4.3；
上述k的初始值为1，且k＝1，2，……K，K表示元素个数；i的初始值为1，且i＝1，2，……nk，nk表示路径条数；θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽，sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点。
上述步骤5的具体步骤如下：
1)当收到的消息属于硬实时零星紧急消息M1或硬实时周期性数据M2类型的消息时，消息进入与消息的优先级对应的高优先级队列，按队列的优先级顺序优先进行处理。处理时，先判断节点的类型：
(1)当该节点是源节点sk时，从元素对应的候选路径集中选取所有存在的路径，每条路径都发送同样的消息；
(2)当该节点是中间节点时，根据消息的传输路径，从元素对应的候选路径集中选取自身节点所在的路径，并转发消息；
(3)当该节点是目标节点tk时，将消息直接发送给与其相连的网络控制器或网络终端；
2)当收到的消息属于软实时消息M3，非实时短数据M4或非实时冗长数据M5类型的消息时，消息进入与消息的优先级对应的低优先级队列，按队列的优先级顺序进行处理。处理时，先判断节点的类型：
(1)当该节点是源节点sk时，从元素对应的候选路径集中选取最大可行流大于元素预设传输某一类硬实时消息所需要的带宽的所有的路径，将消息分成选取的路径数目的份数，之后将每一部分消息分别从选取的路径中不同的路径传输；每条路径发送消息时，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量加上消息大小；每条路径发送消息完成后，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量减去消息大小；
(2)当该节点是中间节点时，根据消息的传输路径，从元素对应的候选路径集中选取自身节点所在的路径，并转发消息；发送消息时，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量加上消息大小；发送消息完成后，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量减去消息大小；
(3)当该节点是目标节点tk时，将消息直接发送给与其相连的网络控制器或网络终端。NT或者NC收到某条消息的所有的分部消息后，再把它们组成完整消息。
上述5类消息的优先级设定为：硬实时零星紧急消息M1>硬实时周期性数据M2>软实时消息M3>非实时短数据M4>非实时冗长数据M5。针对M1和M2类型的消息，设定对应的高优先级队列QR1和QR2，针对M3、M4、M5类型的消息，设定对应的低优先级队列QR3、QR4、QR5。队列的优先级为QR1>QR2>QR3>QR4>QR5。
与现有技术相比，本发明首先结合航电网络对实时性、可靠性的需求，对链路进行分级，提出硬实时消息的概念，定义了硬实时链路集合HRP，对不同类型消息进行分类并设定优先级，并设定多个消息传输队列；之后以图论为理论基础，建立复杂拓扑网络的图模型。根据应用需求生成硬实时链路集合；然后基于图论理论与最短路径算法，为硬实时消息的传输，计算了多条不相关的候选路由，并设定了链路预留带宽；之后，基于链路预留带宽与最大流求解理论，计算了所有候选路径上的最大可行流；最后，描述了硬实时消息与非硬实时消息传输时各自的传输策略。本发明解决了基于FC-AE-1553协议的交换型网络(复杂拓扑结构网络)需要保证数据传输的实时性与可靠性问题，以及需要对不同类型的流量进行合理的流量控制问题。
附图说明
图1为一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法的流程图。
图2为步骤3的流程图。
图3为步骤4的流程图。
图4为步骤5的流程图。
图5为实例抽象图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在FC-AE-1553交换型网络中，主要包含3种类型的节点：网络控制器NC、网络终端NT、交换机SWITCH。网络控制器NC控制着网络中消息的传输；网络终端NT收到网络控制器NC的控制命令会进行数据传输或者其他操作。交换机SWITCH负责网络中的消息转发。在FC-AE-1553交换型网络中，可以有多个网络控制器NC与多个网络终端NT以及多个交换机SWITCH。一个网络控制器NC或网络终端NT只与某一个交换机直接相连，网络控制器NC或网络终端NT与其直接相连的交换机一起抽象成图中一个节点，如果网络控制器NC或者网络终端NT有消息传输，那么其抽象的节点就可以称为某次传输的源节点或者目的节点。没有网络控制器NC或者NT直连的交换机也可以抽象成一个节点。
一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，如图1所示，其具体包括步骤如下：
步骤1，将FC-AE-1553协议的复杂拓扑网络抽象成图，并且为图中的每条边设定参数，生成网络拓扑的抽象图G。
以FC-AE-1553协议的交换型拓扑结构(复杂拓扑结构)为应用模型，区别于FC-AE-1553协议典型的点到点拓扑、环形拓扑。一个抽象图(用G表示)可以包含两个部分，一部分是网络中的节点，用集合V表示，V＝{v|v∈网络中的节点}。另一部分是网络中的边，用集合E表示，E＝{(u，v)|u，v∈V}。(u，v)表示图中存在的无向边，u和v表示边的两个端点。抽象图G的每条边设定如下参数：d：链路代价，设定为链路通信延迟时间T(不同的链路T值可以不同)，表示成(u，v).d＝T；r：链路预留带宽，表示成(u，v).r，设初始值(u，v).r＝0；f：链路上的可行流，表示成(u，v).f，设初始值为(u，v).f＝0；c：链路容量，设定为链路带宽C(不同的链路C值可以不同)，表示成(u，v).c＝C；lf：链路的冗余流量，表示成(u，v).lf，其值设定为链路容量减去链路上的可行流，即(u，v).lf＝(u，v).c-(u，v).f，初始值为C，即(u，v).lf＝(u，v).c-0＝C。
在本实施例中，生成网络拓扑的抽象图G如图5所示，其中包括X1，X2节点，Y1，Y2节点，A，B，C，D节点。假设图中每条边的链路代价为1。附图中，用“数值/数值”表示链路上的“可行流/链路容量”。
步骤2，根据应用需求生成硬实时链路集合HRP。
硬实时链路集合HRP是由元素(sk，tk，θk，nk)组成的集合。其中sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点，sk与tk不能是同一个节点；θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽；nk是候选路径的条数。k既表示优先等级，也表示元素序号(没有重复)，k是正整数，并且假设HRP中有K个元素。
硬实时链路集合HRP的每个元素都设有优先等级，按k从小到大为先后顺序，根据应用需求，将元素按照优先等级进行了划分，即每个元素都有一个等级值k。HRP并不包括网络拓扑图中所有的节点对，只是包含有硬实时信息传输的节点对构成的元素(sk，tk，θk，nk)。
在本实施例中，对FC-AE-1553协议的复杂拓扑网络中每一个节点，按照消息的类型与优先级，设定5种队列并且设定优先级，分别针对5种类型的消息。其中：
针对消息：M1、M2、M3、M4、M5，其对应的队列：QR1、QR2、QR3、QR4、QR5，优先级为：QR1>QR2>QR3>QR4>QR5。
在此设定HRP＝{(s1，t1，θ1，n1)，(s2，t2，θ2，n2)}，具体为(s1＝X1，t1＝Y1，θ1＝1，n1＝2)，(s2＝X1，t2＝Y2，θ2＝1，n2＝2)。元素个数K＝2。
步骤3，使用最短路径算法为HRP中的元素(sk，tk，θk，nk)计算候选路径，并且为传输硬实时消息预留带宽。参见图2。
将所有链路(图中的边)分为E1级、E2级共两级。E1级：保障硬实时信息传输的链路，此类链路会为硬实时信息预留带宽，此类链路预留带宽r>0。E2级：主要用于传输除硬实时信息外的软实时信息和非实时信息链路，此类链路预留带宽r＝0。
最短路径的计算模拟当通信网中某两节点之间发生故障，采用边分离和点分离的方式，隔离故障，去掉某条边、某几条边或某些节点后，在剩余图中利用最短路径算法求解最短路径。
步骤3.1，按顺序选择HRP中的一个没有被选过的元素(sk，tk，θk，nk)，并记录。
步骤3.2，复制图G生成图G1。
步骤3.3，采用Dijkstra算法(迪杰斯特拉算法)或其它最短路径算法，在图G1中求一条sk到tk的最短路径，如果求不出一条最短路径，则跳至步骤3.6。如果求出一条最短路径，将其记为pi，则在图G和图G1中为路径pi上的每条边设置链路预留带宽r为预留预留带宽r与元素(sk，tk，θk，nk)中的传输某一类硬实时消息所需要的带宽θk的和，即r＝r+θk，继续执行下一步骤3.4。
步骤3.4，将路径pi按照路径的优先顺序(即i值的大小)记入硬实时消息传输候选路径集P(sk，tk，θk，nk)，之后删除网络拓扑图G1中路径pi上的中间节点和与其相连的边。
步骤3.5，判断是否生成了nk条候选路径，即判断i是否大于等于nk，是则执行下一步骤3.6，否则i＝i+1，返回执行步骤3.3。
步骤3.6，判断HRP中的元素是否都已经被选择过，即k是否大于等于HRP中的所有的元素个数K，是则步骤3结束；否则，k＝k+1，i＝1，之后执行步骤3.1。
以上步骤3包含一个外循环和一个内循环的过程。k是外循环的参数，k的初始值为1，且k＝1，2，……K，K表示HRP中的元素个数；i是内循环的参数，i的初始值为1，且i＝1，2，……nk，nk表示路径条数。
至此，生成了所有存在硬实时消息传输的源节点与目标节点之间的候选路径集P(sk，tk，θk，nk)，即为HRP中的所有的元素生成了候选路径集P(sk，tk，θk，nk)，完成了路由路径的计算，并且为路径中的每一段链路都设定了预留带宽。
P(sk，tk，θk，nk)表示某对节点之间的候选路径集，(sk，tk，θk，nk)是HRP中的元素，pi表示候选路径集中的第i条路径，i从小到大表示路径的优先顺序。i≤nk，i是正整数，nk是候选路径的个数。每个候选路径集P(sk，tk，θk，nk)，都包含独立的pi，af(pi)，cf(pi)，fp(pi)这几个量。pi表示某一条路径，af(pi)表示路径pi的增加流，即路径pi上可以增加的流量，cf(pi)表示路径pi上设定的最大可行流量，区别于路径上每一条边的可行流量。fp(pi)表示路径pi上除去预留带宽外的当前已使用的流量，初始值为0。在此说明，以便于在之后的步骤中使用。
在本实施例中，该步骤3具体过程如下：
(1)(令k＝1)选择HRP中的元素(s1，t1，θ1，n1)，也就是(s1＝X1，t1＝Y1，θ1＝1，n1＝2)。复制图G生成图G1，令i＝1。采用Dijkstra算法，在图G1中求一条s1到t1，即X1到Y1的最短路径p1＝{(X1，A)，(A，Y1)}。并且在图G和图G1中，设置(X1，A).r＝(X1，A).r+θ1＝1，(A，Y1).r＝(A，Y1).r+θ1＝1。将路径p1记入硬实时消息传输候选路径集P(s1，t1，θ1，n1)，之后删除网络拓扑图G1中路径p1上的中间节点和与其相连的边。
到此生成了一条路径，i＝1小于n1＝2，令i＝2，继续计算第二条路径。
(2)采用Dijkstra算法，在图G1中求一条s1到t1，即X1到Y1的最短路径p2＝{(X1，B)，(B，C)，(C，Y1)}。并且在图G和图G1中，设置(X1，B).r＝(X1，B).r+θ1＝1，(B，C).r＝(B，C).r+θ1＝1，(C，Y1).r＝(C，Y1).r+θ1＝1。将路径p2记入硬实时消息传输候选路径集P(s1，t1，θ1，n1)，之后删除网络拓扑图G1中路径p2上的中间节点和与其相连的边。到此生成了第二条路径，i＝2等于n1＝2，令k＝2，选择HRP中的下一个元素。
(3)选择HRP中元素(s2，t2，θ2，n2)，也就是(s2＝X1，t2＝Y2，θ2＝1，n2＝2)。复制图G生成图G1，令i＝1。采用Dijkstra算法，在图G1中求一条s2到t2，即X1到Y2的最短路径p1＝{(X1，B)，(B，C)，(C，Y2)}。并且在图G和图G1中，设置(X1，B).r＝(X1，B).r+θ2＝2，(B，C).r＝(B，C).r+θ2＝2，(C，Y2).r＝(C，Y2).r+θ2＝1。将路径p1记入硬实时消息传输候选路径集P(s2，t2，θ2，n2)，之后删除网络拓扑图G1中路径p2上的中间节点和与其相连的边。
到此生成了一条路径，i＝1小于n2＝2。令i＝2，继续计算第二条路径。
(4)采用Dijkstra算法，在图G1中求一条s2到t2，即X1到Y2的最短路径。结果找不到路径。记录为空，停止寻找。继续执行下一步。
(5)HRP中的元素都已经被选择过。步骤3结束。
步骤4，基于预留带宽求解候选路径集上所有候选路径的最大可行流cf(pi)(步骤3的最后定义了cf(pi))。参见图3。
步骤4.1，对于图G中的每条边(u，v)，初始设置其可行流为该边的链路预留带宽(步骤1中，为抽象图G中的每条边设定了可行流与预留带宽)，即(u，v).f＝(u，v).r。
初始化可行流为预留带宽的值，在计算冗余流量和增加可行流时，不会占用预留带宽，保证了硬实时消息的传输效率。在候选的最短路径上增加流量，既控制了流量的分配，又尽可能的降低了信息传输的延迟。按照消息的优先级对消息进行排队处理，优先级高的优先处理。这样既保障了不同类型的消息对传输质量的需求，又使整个网络流量分配更加合理。
步骤4.2，复制图G生成图G2。令k＝1。
步骤4.3，按照元素优先级顺序，即k值从小到大的顺序，选择一个硬实时链路集合HRP中没有被选择过的元素(sk，tk，θk，nk)，并记录。选择其对应的候选路径集P(sk，tk，θk，nk)。令i＝1。
步骤4.4，按照路径优先级顺序，即i值从小到大的顺序，选取P(sk，tk，θk，nk)中一条没有被选择过的候选路径pi。如果pi不为空，则判断图G2中是否完整的存在这条路径，是则继续执行下一步骤4.5，否则记录该路径最大可行流cf(pi)为元素(sk，tk，θk，nk)中的传输某一类硬实时消息所需要的带宽θk，即cf(pi)＝θk，之后跳到步骤4.9。如果pi为空，跳到步骤4.10。
步骤4.5，将路径pi上所有边的冗余流量(步骤1中为图G中的每一条边设定了冗余流量)中，最小的冗余流量值min{(x，y).lf|(x，y)是pi上的边}，作为路径pi的增加流af(pi)。
步骤4.6，将候选路径pi记为已选路径，记录该路径最大可行流cf(pi)为元素(sk，tk，θk，nk)中的传输某一类硬实时消息所需要的带宽θk与路径增加流af(pi)的和，即cf(pi)＝θk+af(pi)。
步骤4.7，在图G和图G2中，将路径pi中的每一条边的可行流更新为当前可行流与增加流的和，即(u，v).f＝(u，v).f+af(pi)，更新路径pi中的每一条边的冗余流量(其值为链路容量减去链路上的可行流)，即(u，v).lf＝(u，v).c-(u，v).f。
步骤4.8，在图G2中删除路径pi中流量已经满的边，即删除步骤4.5中冗余流量最小的那条边。
步骤4.9，判断候选路径P(sk，tk，θk，nk)中的路径是否全部都已经被选择过，即判断i是否大于等于nk。是，则继续执行下一步骤4.10；否，则i＝i+1，并返回执行步骤4.4。
步骤4.10，判断硬实时链路集合HRP中的元素是否都已经被选择过，即k是否大于等于K。是，则步骤4结束。否，则k＝k+1，并返回步骤4.3继续执行。
至此，所有的候选路径集中的候选路径都已经计算出了其路径上的最大可行流量，并且在图G中对相应的边的可行流进行了设定，完成了流量控制的参数设定。
在本实施例中，步骤4的具体过程如下：
(1)选择硬实时链路集合HRP中的元素(s1，t1，θ1，n1)，并记录。选择其对应的候选路径集P(s1，t1，θ1，n1)，令i＝1。选取P(s1，t1，θ1，n1)中的一条候选路径p1＝{(X1，A)，(A，Y1)}。因为图G2中完整的存在这条路径，所以将路径p1上所有边的冗余流量((X1，A).lf＝2，(A，Y1).lf＝1)中最小的冗余流量值min{(x，y).lf}＝(A，Y1).lf＝1作为路径的增加流af(p1)＝1。将候选路径p1记为已选路径，记录该路径可占用带宽(最大可行流)cf(p1)＝θ1+af(p1)＝2。
在图G和图G2中，设置(X1，A).f＝(X1，A).f+af(p1)＝2，(A，Y1).f＝(A，Y1).f+af(p1)＝2。更新两条边的冗余流量(X1，A).lf＝(X1，A).c-(X1，A).f＝1，(A，Y1).lf＝(A，Y1).c-(A，Y1).f＝0。在图G2中删除路径p1中流量已经满的边。到此生成了一条路径的最大可行流，i＝1小于n2＝2，令i＝2，继续计算第二条路径。
(2)选取P(s1，t1，θ1，n1)中的一条候选路径p2＝{(X1，B)，(B，C)，(C，Y1)}。因为图G2中完整的存在这条路径，所以将路径p2上所有边的冗余流量((X1，B).lf＝3，(B，C).lf＝3，(C，Y1).lf＝1)中最小的冗余流量值min{(x，y).lf}＝(C，Y1).lf＝1作为路径的增加流af(p2)＝1。将候选路径p2记为已选路径，记录该路径可占用带宽(最大可行流)cf(p2)＝θ2+af(p2)＝2。在图G和图G2中，设置(X1，B).f＝(X1，B).f+af(p2)＝2，(B，C).f＝(B，C).f+af(p2)＝2，(C，Y1).f＝(C，Y1).f+af(p2)＝2。更新三条边的冗余流量为(X1，B).lf＝(X1，B).c-(X1，B).f＝2，(B，C).lf＝(B，C).c-(B，C).f＝2，(C，Y1).lf＝(C，Y1).c-(C，Y1).f＝0。在图G2中删除路径p2中流量已经满的边。到此生成了两条路径的最大可行流，i＝2等于n1＝2，k＝1小于K，令k＝2，选择HRP中的下一个元素。
(3)选择硬实时链路集合HRP中的元素(s2，t2，θ2，n2)，并记录。选择其对应的候选路径集P(s2，t2，θ2，n2)，令i＝1。选取P(s2，t2，θ2，n2)中的一条候选路径p1＝{(X1，B)，(B，C)，(C，Y2)}。因为图G2中完整的存在这条路径，所以将路径p1上所有边的冗余流量((X1，B).lf＝2，(B，C).lf＝2，(C，Y2).lf＝1)中最小的冗余流量值min{(x，y).lf}＝(C，Y2).lf＝1作为路径的增加流af(p1)＝1。将候选路径p1记为已选路径，记录该路径可占用带宽(最大可行流)cf(p1)＝θ2+af(p1)＝2。在图G和图G2中，设置(X1，B).f＝(X1，B).f+af(p1)＝4，(B，C).f＝(B，C).f+af(p1)＝4，(C，Y2).f＝(C，Y2).f+af(p1)＝2。更新三条边的冗余流量为(X1，B).lf＝(X1，B).c-(X1，B).f＝1，(B，C).lf＝(B，C).c-(B，C).f＝1，(C，Y2).lf＝(C，Y2).c-(C，Y2).f＝0。在图G2中删除路径p1中流量已经满的边。到此生成了一条路径的最大可行流，i＝1小于n2＝2，令i＝2，继续计算第二条路径。
(4)当i＝2，由于P(s2，t2，θ2，n2)中p2为空，所以判断HRP中的下一个元素。
(5)k＝2等于K，HRP中的所有元素都已经被选择过，步骤4结束。
这里设定，在执行完成步骤1至步骤4后，网络中所有的节点都会拥有全网络的路由路径信息。
步骤5，消息传输时网络中节点的相应工作流程。参见图4。
结合航电网络实时性与可靠性需求，分析了网络业务数据特征并对消息分类，并且设定消息优先级。在本发明中，将网络中传输的消息分为如下5类，并设定优先级。M1：硬实时零星紧急消息，例如：紧急报警等。M2：硬实时周期性数据，例如：实时控制用周期性命令和状态反馈等。M3：软实时消息，例如：监测管理数据等。M4：非实时短数据，例如：短消息等。M5：非实时冗长数据，例如：视频、大数据文件等。5类消息的优先级设为：M1>M2>M3>M4>M5，并且各种类型消息传输过程中，M1，M2类消息(属于硬实时消息)，不需等待，占用预留带宽，实时传输；对于M3，M4，M5类消息(属于非硬实时消息)，优先级高的消息优先传输，保障软实时消息、短消息的优先传输。
步骤5.1，当HRP中某个元素(sk，tk，θk，nk)表示的源节点与目标节点之间有消息需要传输时，当某一个节点收到消息后，先判断消息的类型。如果是M1，M2类型的消息(属于硬实时消息)，消息进入相应的高优先级队列，优先进行传输处理，之后跳至步骤5.2。如果是M3，M4，M5类型的消息(属于非硬实时消息)，按不同类型的消息分别进入属于各自优先级的队列，优先级高的消息优先做传输处理，之后跳至步骤5.3。
步骤5.2，传输处理M1，M2类型的消息(属于硬实时消息)时，首先判断当前节点如果是源节点，则执行步骤5.2.1，如果是中间节点，则执行步骤5.2.2，如果是目的节点，则执行步骤5.2.3。
步骤5.2.1，若是源节点，则从P(sk，tk，θk，nk)中选取nk条路径，判断实际存在的路径条数(某条路径pi不为空即视为存在)，记为en。采用en条路径，每条路径都发送同样的消息。传输硬实时消息时，因为设有预留带宽，所以不做流量限制。源节点步骤5一次执行结束。
步骤5.2.2，若是中间节点，判断消息传输的路径，从候选路径集P(sk，tk，θk，nk)中选取自身节点所在的路径，直接转发消息。中间节点步骤5一次执行结束。
步骤5.2.3，若是目的节点，则将消息直接发送给与其相连的NC或者NT。目的节点步骤5一次执行结束。
步骤5.3，传输处理M3，M4，M5类型的消息(属于非硬实时消息)时，首先判断当前节点如果是源节点，则执行步骤5.3.1。如果是中间节点，则执行步骤5.3.2。如果是目的节点，则执行步骤5.3.3。
步骤5.3.1，若是源节点，则从候选路径集P(sk，tk，θk，nk)中选取nk条路径，判断实际存在的路径条数(某条路径pi不为空即视为存在)，记为en。在这en条路径中，选取所有的最大可行流大于θk的路径，数目记为em。将消息数据平均分成em份并且封装，按切分顺序每一份记为bj(j取顺序自然数)，每一份的大小记为w。每一份都记录有顺序标记信息，便于恢复数据。之后将每一部分消息bj分别采用对应实际存在的路径pi发送传输。传输前，更新路径pi当前占用流量值fp(pi)＝fp(pi)+w。消息传输完成后，更新路径pi当前占用流量值fp(pi)＝fp(pi)-w。源节点步骤5一次执行结束。
步骤5.3.2，若是中间节点，判断消息传输的路径，从候选路径集P(sk，tk，θk，nk)中选取自身节点所在的路径，直接转发消息。传输前，更新自身节点所在路径pi当前占用流量值fp(pi)＝fp(pi)+w。消息传输完成后，更新路径pi当前占用流量值fp(pi)＝fp(pi)-w。中间节点步骤5一次执行结束。
步骤5.3.3，若是目的节点，则将消息直接发送给与其相连的NC或者NT。NT或者NC收到所有的分部消息后，再把它们组成完整消息。目的节点步骤5一次执行结束。
至此完成了步骤5的一次执行过程，之后当拓扑网络中的某一个节点收到消息后，将重复执行步骤5。方法结束。
至此，在基于FC-AE-1553协议的交换型网络(复杂拓扑网络)中，实现了使用多条路径，占用预留带宽，同时传输相同的硬实时消息；将消息分成多个片段，采用多条路径，在一定的流量控制条件下(队列调节，多路径，路径的最大可行流限制)传输非硬实时消息。
硬实时消息传输具有高可靠性。多条路径可以同时传输相同的硬实时消息，多重冗余可保障可靠传输。最好情况下，硬实时消息传输延迟为候选路径集中最短的路径延时，最坏情况下为候选路径集中最长的路径延时，由于采用多条冗余路径并行传输，延迟时间上下界可确定，延迟时间可预测。采用候选路径集中的候选路径作为增广路径pi，pi既是选取的路由，又是增加流计算用的路径，算法效率较高。
在本实施例中，步骤5的具体过程如下：
(1)当HRP中的元素(s1，t1，θ1，n1)表示的源节点X1与目标节点Y1之间有消息需要传输时，X1节点判断消息的类型。
如果是M1，M2类型的消息，则消息进入高优先级队列，优先进行传输处理。
处理时，判断X1是源节点，所以从P(s1，t1，θ1，n1)中选取n1＝2条路径，判断实际存在的路径条数en＝2。采用2条路径，p1＝{(X1，A)，(A，Y1)}，p2＝{(X1，B)，(B，C)，(C，Y1)}同时传输相同的硬实时消息。之后，路径p1上的节点A收到消息后，判断消息的类型。如果是M1，M2类型的消息，则消息进入高优先级队列，优先进行传输处理。处理时，判断A节点是中间节点，从P(s1，t1，θ1，n1)中选取自己节点所在的路径p1，占用预留带宽，直接转发消息。
路径p2上的节点B、C收到消息后，判断消息的类型。如果是M1，M2类型的消息，则消息进入高优先级队列，优先进行传输处理。处理时，判断B、C节点是中间节点，从P(s1，t1，θ1，n1)中选取自己节点所在的路径p2，占用预留带宽，直接转发消息。
节点Y1收到消息后，判断消息的类型。如果是M1，M2类型的消息，则消息进入高优先级队列，优先进行传输处理。处理时，判断Y1节点是目的节点，会将消息发送给与其直接相连的NT或者NC。
(2)如果是M3，M4，M5类消息(属于非硬实时消息)，分别进入属于各自优先级的队列，优先级高的消息优先做传输处理。处理时，判断X1节点为源节点，则从候选路径集P(s1，t1，θ1，n1)中选取n1＝2条路径，判断实际存在的路径条数en＝2。2条路径的最大可行流都大于θ1。判断消息数据量的大小为1(实例设定值)。将消息数据，平均分成2份并且封装，按切分顺序每一份记为b1，b2，每一份的大小记为w＝(1/2)+0.1＝0.6(假设封装大小为0.1)。每一份都记录有顺序标记信息，便于恢复数据。
之后将一部分消息b1采用路径p1发送传输。传输前，更新路径p1当前占用流量值fp(p1)＝fp(p1)+w＝0.6。消息传输完成后，更新路径p1当前占用流量值fp(p1)＝fp(p1)-w＝0。
将另外一部分消息b2采用路径p2发送传输传输前，更新路径p2当前占用流量值fp(p2)＝fp(p2)+w＝0.6。消息传输完成后，更新路径p2当前占用流量值fp(p2)＝fp(p2)-w＝0。
然后，路径p1上的节点A收到消息后，判断消息类型。如果是M3，M4，M5类消息(属于非硬实时消息)，分别进入属于各自优先级的队列，优先级高的消息优先做传输处理。处理时，判断A节点为中间节点，则从候选路径集P(s1，t1，θ1，n1)中选取自身节点所在的路径p1，直接转发消息。传输前，更新自身节点所在路径p1当前占用流量值fp(p1)＝fp(p1)+w＝0.6。消息传输完成后，更新路径p1当前占用流量值fp(p1)＝fp(p1)-w＝0。
路径p2上的节点B、C收到消息后，判断消息类型。如果是M3，M4，M5类消息(属于非硬实时消息)，分别进入属于各自优先级的队列，优先级高的消息优先做传输处理。处理时，判断B、C节点为中间节点，则从候选路径集P(s1，t1，θ1，n1)中选取自身节点所在的路径p2，直接转发消息。传输前，更新自身节点所在路径p2当前占用流量值fp(p2)＝fp(p2)+w＝0.6。消息传输完成后，更新路径p2当前占用流量值fp(p2)＝fp(p2)-w＝0。
节点Y1收到消息后，判断消息的类型。如果是M3，M4，M5类消息(属于非硬实时消息)，分别进入属于各自优先级的队列，优先级高的消息优先做传输处理。处理时，判断Y1节点为目的节点，会将消息发送给与其直接相连的NT或者NC。NT或者NC收到所有的分部消息后，将他们组成完整消息。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、将FC-AE-1553交换型网络抽象成图，并且为图中的每条边设定参数，生成网络拓扑的图G；
步骤2、根据应用需求生成硬实时链路集合，该硬实时链路集合是由元素(sk，tk，θk，nk)组成的集合，其中sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点，θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽；nk表示路径的条数，k表示元素序号；
步骤3、利用最短路径算法为硬实时链路集合中的元素(sk，tk，θk，nk)计算候选的路径，并为候选的路径中的每一段链路设定预留带宽；
步骤4、基于预留带宽求解候选路径集P(sk，tk，θk，nk)上所有路径的最大可行流；
步骤5、当硬实时链路集合的某个元素(sk，tk，θk，nk)的源节点sk与目标节点tk之间有消息需要传输时，网络中的任意一个节点根据该节点收到的消息的所属类型和该节点的相对类型，对收到的消息进行不同等级的队列处理和不同的传输。
2.根据权利要求1所述的一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，其特征是，步骤1中，抽象图G中的每条边设定参数包括：链路代价、链路预留带宽、链路上的可行流、链路容量和链路的冗余流量。
3.根据权利要求1所述的一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，其特征是，步骤3的具体步骤如下：
步骤3.1、按元素序号k从小到大的顺序选择硬实时链路集合中的一个没有被选过的元素(sk，tk，θk，nk)；
步骤3.2、复制图G生成图G1；
步骤3.3、采用最短路径算法在图G1中求一条源节点sk到目标节点tk的最短的路径pi，之后在图G和图G1中将路径pi上的每条边的链路预留带宽更新为r+θk，并继续执行步骤3.4；如果采用最短路径算法无法求出源节点sk到目标节点tk的最短路径，则跳至步骤3.6；
步骤3.4、将路径pi按照路径的优先顺序即i值的大小记入硬实时消息传输候选路径集P(sk，tk，θk，nk)，之后在图G1中删除路径pi上的中间节点和与其相连的边；
步骤3.5、判断是否生成了nk条路径，即判断i是否大于等于nk：如果是，则继续执行步骤3.6；否则，令i＝i+1，并返回步骤3.3；
步骤3.6、判断硬实时链路集合中的元素是否都已经被选择过，即判断k是否大于等于K：如果是，则步骤3结束，否则，令k＝k+1，i＝1，并返回步骤3.1；
上述k的初始值为1，且k＝1，2，……K，K表示元素个数；i的初始值为1，且i＝1，2，……nk，nk表示路径条数；r为上次迭代所得到的链路预留带宽；θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽，sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点。
4.根据权利要求1所述的一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，其特征是，步骤4的具体步骤如下：
步骤4.1、对于图G中的每条边，初始设置每条边的可行流为该边的预留带宽；
步骤4.2、复制图G生成图G2；
步骤4.3、按照元素序号k从小到大的顺序，选择硬实时链路集合中没有被选择过的元素(sk，tk，θk，nk)，并选择其对应的候选路径集P(sk，tk，θk，nk)；
步骤4.4、按照候选路径序号i从小到大的顺序，从候选路径集P(sk，tk，θk，nk)中一条没有被选择过的路径pi；
如果存在没有被选择过的路径pi，则继续判断图G2中是否完整的存在这条路径，若图G2中完整存在这条路径，则继续执行步骤4.5，否则，转至步骤4.9；
如果不存在没有被选择过的路径pi，跳到步骤4.10；
步骤4.5、将路径pi上所有边的冗余流量中，最小的冗余流量值作为路径pi的增加流；其中边的初始冗余流量为边的链路容量；
步骤4.6、将路径pi记为已选路径，并将元素(sk，tk，θk，nk)中的传输某一类硬实时消息所需要的带宽θk与增加流之和作为该条路径的最大可行流；
步骤4.7、在图G和图G2中，将路径pi中的每一条边的可行流更新为当前可行流与增加流的和，同时将路径pi中的每一条边的冗余流量更新为链路容量减去链路上的可行流；
步骤4.8、在图G2中删除路径pi中流量已经满的边，即删除步骤4.5中冗余流量最小的那条边；
步骤4.9、判断候选路径P(sk，tk，θk，nk)中的路径是否全部都已经被选择过，即判断i是否大于等于nk：如果是，则继续执行步骤4.10；否则，令i＝i+1，并返回步骤4.4；
步骤4.10、判断硬实时链路集合中的元素是否都已经被选择过，即k是否大于等于K：如果是，则步骤4结束；否则，令k＝k+1，i＝1并返回步骤4.3；
上述k的初始值为1，且k＝1，2，……K，K表示元素个数；i的初始值为1，且i＝1，2，……nk，nk表示路径条数；θk表示传输某一类硬实时消息所需要的带宽，sk表示有硬实时信息传输的源节点，tk表示有硬实时信息传输的目标节点。
5.根据权利要求1所述的一种FC-AE-1553交换型网络中的路由方法，其特征是，步骤5的具体步骤如下：
步骤5.1、将消息的优先级设定为：硬实时零星紧急消息M1>硬实时周期性数据M2>软实时消息M3>非实时短数据M4>非实时冗长数据M5；针对M1和M2类型的消息，分别设定对应的高优先级队列QR1和QR2；针对M3、M4、M5类型的消息，分别设定对应的低优先级队列QR3、QR4、QR5；队列的优先级为QR1>QR2>QR3>QR4>QR5；
步骤5.2、当收到的消息属于硬实时零星紧急消息M1或硬实时周期性数据M2类型的消息时，消息进入与消息的优先级对应的高优先级队列QR1或QR2，按队列的优先级顺序优先进行处理；处理时，先判断节点的类型：
(1)当该节点是源节点sk时，从元素对应的候选路径集中选取所有存在的路径，每条路径都发送同样的消息；
(2)当该节点是中间节点时，根据消息的传输路径，从元素对应的候选路径集中选取自身节点所在的路径，并转发消息；
(3)当该节点是目标节点tk时，将消息直接发送给与其相连的网络控制器或网络终端；
步骤5.3、当收到的消息属于软实时消息M3，非实时短数据M4或非实时冗长数据M5类型的消息时，消息进入与消息的优先级对应的低优先级队列QR3、QR4或QR5，按队列的优先级顺序进行处理；处理时，先判断节点的类型：
(1)当该节点是源节点sk时，从元素对应的候选路径集中选取最大可行流大于元素预设传输某一类硬实时消息所需要的带宽的所有的路径，将消息分成选取的路径数目的份数，之后将每一部分消息分别从选取的路径中不同的路径传输；每条路径发送消息时，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量加上消息大小；每条路径发送消息完成后，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量减去消息大小；
(2)当该节点是中间节点时，根据消息的传输路径，从元素对应的候选路径集中选取自身节点所在的路径，并转发消息；发送消息时，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量加上消息大小；发送消息完成后，更新路径当前占用流量为路径之前的占用流量减去消息大小；
(3)当该节点是目标节点tk时，将消息直接发送给与其相连的网络控制器或网络终端；NT或者NC收到某条消息的所有的分部消息后，再把它们组成完整消息。
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