CN109600187A - 一种时间触发统一网络传输端系统调度方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种时间触发统一网络传输端系统的调度方法，包括时间调度表配置，包括静态配置和在线加载配置；时钟同步，按照交换机压缩处理后的时间固化点完成本地时钟的动态修正；数据调度，数据类型按照优先级别从高到低分为时间同步协议控制帧、TT消息数据帧、RC消息数据帧、BE消息数据帧；数据传输可靠性检查，包括端系统对TT消息的时间窗口符合性检查。本发明的有益效果是通信服务提供了时间同步的服务，保证不同消息数据的高可靠、时间确定、强实时统一网络传输，减少了不同网络协议转换的开销，提高了系统的可靠性，适应了航天冗余传输的需求。

Description

一种时间触发统一网络传输端系统调度方法及装置
技术领域
本发明属于时间确定性网络航天通信技术领域，尤其涉及一种时间触发统一网络传输端系统的调度方法及装置。
背景技术
目前，航天器普遍采用传统的1553B、CAN等低速总线传输卫星平台类数据，这类通信传输可靠性高且能满足强实时要求，但这类数据要求从100kbps量级增加到Mbps量级，乃至几十Mbps，低速总线已不能满足未来航天器应用需求，采用高速交换式以太网技术可以将通信延时提高到us级并满足数据通信量要求，但由于以太网事件触发的机制，交换机形成先来先执行的状态，不能够保证平台控制数据按照时间逻辑顺序传输，这种传输不确定状态是航天器控制平台不能忍受的。
时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet)是在标准IEEE802.3以太网上实现的时间触发网络协议，引入了透明时钟和时钟同步的概念，可以在接收端重新建立消息的发送顺序，支持TT消息、RC(Rate-Constrained)和尽力发送(Best-Effort)三种消息报文，。航天应用数据业务大体上可分为平台控制类数据和载荷数据，前者数据量相对较小，数据传输实时性、可靠性要求高，可采用时间确定性好的TT消息传输，后者数据量大，具有突发性，实时性要求略低，可采用速率受限的RC消息传输，上述数据均可根据任务规划不同的虚拟链路实现数据的隔离传输，以提高可靠性。时间触发以太网还支持尽力传BE消息传输，三种报文统一网络传输能满足不同安全等级数据的传输要求，达到航天器减重的目的。这就离不开实现多任务管理的时间调度的统一管理，且必须具有时钟同步技术保障，主要依靠静态调度的方式生成离线的时间调度表，但工程应用中灵活性差,系统调试过程中需多次调整时间调度表，反复下载到系统硬件的PROM中，影响系统开发验证效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种时间触发统一网络传输端系统的调度方法及装置，目的是用于收发统一网络中传输的多业务数据，并识别和发送时间同步协议控制帧，提供时间同步服务，提高数据传输的可靠性，满足航天应用需求。
本发明的技术方案为：
一种时间触发统一网络传输端系统的调度方法，包括以下步骤，
步骤1、时间调度表配置，包括静态配置和在线加载配置；所述在线加载配置是在端系统上电初始化后，由网络中其他端系统发送配置信息帧，通过预分配的时间调度表加载的调度表加载的虚拟链路，实现动态在线加载，完成调度表配置；
步骤2、时钟同步；端系统提取传输数据中的时间同步控制信息，判断是否有启动请求，若有则响应该请求，将本地时钟信息填入时间同步协议控制(PCF)帧发出供交换机进行压缩处理，根据返回的时间固化点完成本地时钟修正；若在一定时间内无启动请求信号，则主动发出冷启动请求帧，开始时钟同步工作；
步骤3、数据调度；数据类型按照优先级别从高到低分为时间同步协议控制(PCF)帧、TT 消息数据帧、RC消息数据帧、BE消息数据帧；
步骤4、数据传输可靠性检查；包括端系统对TT消息的时间窗口符合性检查，确保每个虚拟链路的TT消息都在其对应的唯一通信窗口中发送。
进一步地，步骤4中所述数据传输可靠性检查还包括时间同步协议控制(PCF)帧检查，具体为在时间同步协议控制帧中类型域后的保留字段40bit中，添加关键虚拟链路的数据传输错误标识和虚拟链路号，数据发送端根据数据传输错误标识和虚拟链路号判定数据传输的正确性，决定是否重传数据。
进一步地，所述保留字段40bit分别5个字节，每个字节代表一条虚拟链路，每字节的最高位用作数据传输错误标识默认值为0，当接收端判定帧序号不连续或TT消息不在时间窗口内，将错误标识置为‘1’，并将对应虚拟链路号填充到错误标识位后。
进一步地，步骤4中所述TT消息的时间窗口符合性检查，具体为端系统的时序检查模块负责读取时间调度表配置信息进行TT消息通信窗口检索，确保每个虚拟链路的TT消息都在其对应的唯一通信窗口中发送；一旦超出时间窗口，则认为该条消息有误不满足发送条件，关闭发送，将故障消息封闭在端节点中。
进一步地，步骤1中所述在线加载配置还可在端系统装置不断电的情况下进行在线加载，修改同步或通信网络配置参数。
进一步地，步骤4中所述数据传输可靠性检查还包括数据帧顺序号管理、数据帧CRC校验管理、冗余通信管理；具体为发送端在数据帧的末尾增加一个字节的帧顺序号标识，从 1～255循环递增(其中，0表示复位)，接收端检查帧顺序号加一则认为该帧为有效帧，再对数据内容进行数据帧CRC校验完成后续接收完整性检查，最后若统一网络是多冗余物理通道，则先到达的且通过帧顺序号和CRC校验的数据帧视为有效帧，完成该帧接收，后到达的数据帧视为无效帧丢弃。
本发明还公开了一种时间触发统一网络传输端系统的调度装置，包括以太网MAC模块、调度表配置管理模块、时钟同步管理模块、发送调度管理模块、接收预处理模块、帧完整性检查模块、主机接口管理模块及时钟管理模块；其中，
以太网MAC模块负责以太网数据的发送和接收传输；
调度表配置管理模块负责读取时间调度表配置信息；
时钟同步管理模块根据调度配置参数，进行时间同步协议控制(PCF)帧的收发及本地时钟的管理，实现网络时间同步的功能；
发送调度管理模块根据任务调度配置信息完成消息类型识别，添加组帧工作后，存入发送数据缓存区；
接收预处理模块根据数据帧的网络类型域，区分该帧是时间同步协议控制帧还是数据帧；若是时间同步协议控制帧，则送入时钟同步管理模块处理；若是消息数据帧，则存入接收缓存区中等待处理；
帧完整性检查模块对接收到的TT\RC数据帧进行帧顺序号正确性检查，对数据内容进行 CRC校验检查，若通信为多冗余链路，则还对数据帧进行先到先得的有效性判断，并提出中断请求给主机接口。
进一步地，还包括时序检查模块，负责在发送端数据组帧完成发送前的时间窗口符合性检查，通过读取时间调取表配置信息进行TT消息通信窗口检索。
本发明的有益效果：基于时间触发以太网的通信网络，通信服务提供了时间同步的服务，保证不同消息数据的高可靠、时间确定、强实时统一网络传输，替代了高速网与低速网并存的现状，减少了不同网络协议转换的开销，同时该网络的冗余容错管理也提高了系统的可靠性，适应了航天冗余传输的需求；大改善现有航天主干网络局限的现状，具有较高的技术和价值。
附图说明
图1是本发明端系统装置的FPGA功能框图；
图2是本发明时间调度表配置的流程图；
图3是本发明时钟同步的流程示意图；
图4为本发明调度管理的流程图；
图5为本发明数据传输可靠性检查的流程图；
图6为本发明时间窗口符合性检查的流程图。
具体实施方式
一种时间触发统一网络传输端系统的调度方法，包括以下步骤，
步骤1、时间调度表配置，包括静态配置和在线加载配置；所述在线加载配置是在端系统上电初始化后，由网络中其他端系统发送配置信息帧，通过预分配的时间调度表加载的调度表加载的虚拟链路，实现动态在线加载，完成调度表配置；
步骤2、时钟同步；端系统提取传输数据中的时间同步控制信息，判断是否有启动请求，若有则响应该请求，将本地时钟信息填入时间同步协议控制帧发出供交换机进行压缩处理，根据返回的时间固化点完成本地时钟修正；若在一定时间内无启动请求信号，则主动发出冷启动请求帧，开始时钟同步工作；
步骤3、数据调度；数据类型按照优先级别从高到低分为时间同步协议控制帧、TT消息数据帧、RC消息数据帧、BE消息数据帧；
步骤4、数据传输可靠性检查；包括端系统对TT消息的时间窗口符合性检查，确保每个虚拟链路的TT消息都在其对应的唯一通信窗口中发送。
具体过程如下：
如图2所示，时间调度表包括，网络集成周期、同步精度、网络拓扑关系等时间同步的静态配置信息、不同业务数据虚拟链路(VL)数量、接收和发送数据虚拟链路号、不同链路RC消息BAG参数、不同链路TT消息对应的发送时间窗口等信息。时间调度表配置方法为：首先进行时间触发网络设计，设定好相关参数，同时配置调度表信息加载专用虚拟链路；根据自定义协议，利用时间调度表生成工具，生成符合PROM加载格式的时间调度表二进制文件。本发明中时间调度表可以有静态配置、在线加载配置两种实现方式；调度表文件可提前注入到存储时间调度表的PROM中，由端系统装置FPGA上电初始化后加载，完成调度表配置；也可通过预分配的调度表加载的专用虚拟链路，在FPGA上电初始化完成后，由网络中其他端系统发送配置信息帧，实现动态加载，完成调度表配置；或在端系统装置不断电情况下在线加载配置，修改同步或通信网络配置参数，增加工程应用的灵活性。
如图3所示，端系统装置时钟同步方法为端系统上电初始化完成后，首先执行调度表的配置加载，若无PROM配置信息则等待配置信息数据帧动态注入。调度表配置完成后，时钟同步状态机开始冷启动时钟同步过程，同步状态机会监听是否有时间同步协议控制帧，若监听到满足成员关系的时间同步协议控制(PCF)帧，可直接进入时钟同步状态；若监听到冷启动时间同步协议控制(PCF)请求响应帧，则立即响应并发送冷启动应答PCF帧，若在规定时间内未监听到任何协议控制帧，则本节点发送冷启动PCF请求帧，其他端系统会收到冷启动PCF请求响应帧，并及时给予应答，在规定的时间内，向网络发送冷启动应答PCF帧，经过网络交换机的压缩处理后，各端系统会收到包含所有节点的成员关系信息的PCF应答帧，若成员关系位数大于指定阈值，则等待下一个集成周期零时刻启动时钟同步，发送时钟同步 PCF集成帧，进入时钟同步状态，按照交换机压缩处理后的时间固化点完成本地时钟的动态修正。若成员关系不满足，则冷启动同步失败，重新开始下一轮冷启动过程。时钟同步每个集成周期进行一次，以保证系统时钟同步精度。
如图4所示，时间触发以太网发送的数据业务类型分为时间同步协议控制帧、TT消息数据帧、RC消息数据帧、BE消息数据帧，4种数据帧优先级不同，PCF帧优先级最高，TT消息次之，然后是RC消息，最后是BE消息。具体到航天器应用，平台控制类数据量较小，数据传输实时性、可靠性要求高，要求数据能在确定的时间内达到受控端，且能按照发送顺序执行，且遥测数据具有一定的周期性，非常适合采用TT消息传输，对于事件突发的控制类指令可通过预留适量带宽，也用TT消息传输，已保证传输强实时、高可靠。卫星图像、试验载荷等数据量大，且具有一定突发性，预留大量时间窗口会造成带宽浪费，不适合采用TT 消息发送，故选用速率受限的RC消息传输，其他非实时、非关键数据可采用普通BE消息传输，这样就实现了不同安全等级要求的多业务类型数据统一网络传输，且能保证航天应用高可靠的要求。
发送调度管理模块根据任务调度表里的业务类型、链路排序、虚拟链路号等静态配置参数，为不同消息分配缓存空间，并完成初步组帧工作后，等待接收主机接口写入的发送数据帧，并根据写入数据的虚拟链路号判断其业务类型，根据业务类型执行相应消息的调度管理。若为TT消息，则根据数据缓存地址填充相应的VL、数据长度，对写入数据进行CRC校验编码，在数据字段后填充校验字节，最后填充顺序号SN。发送组帧完成后，则等待该TT消息的发送时间窗口，当本地时钟计数增加到发送窗口后，启动该数据帧的发送。RC消息优先级低于PCF帧和TT消息，组帧完成后需避让这两种数据类型。根据数据帧长度,计算出本帧数据发送需占用信道的时间Tsend，判断当前帧是否会影响本地时钟零时刻时间同步协议控制帧的发送和TT消息的发送，判断流程详见图4；BE消息优先级最低，故发送需避让PCF帧、 TT消息和RC消息这三种数据类型。同样根据数据帧长度,计算出本帧数据发送需占用信道的时间Tsend，判断当前帧是否会影响本地时钟零时刻时间同步协议控制帧的发送、TT消息和 RC消息的发送，判断流程详见图4。
图6所示，为提高端系统运行可靠性，防止节点超时间片发送数据造成网络故障，发送端在数据组帧完成上线发送前，必须经过时间窗口符合性检查。端系统装置数据传输时间窗口符合性检查控制方法为端系统设计时序检查模块，负责读取时间调度表配置信息进行TT 消息通信窗口检索，每个VL链路的TT消息都有其对应的唯一通信窗口，保证待发送的TT 消息在该窗口中发送，一旦超出时间窗口，则认为该条消息有误不满足发送条件，关闭发送，将故障消息封闭在端节点中。时间窗口符合性检查电路独立于端系统消息调度、组帧部分，以提高端节点时间触发消息的可靠性。
多业务数据统一网络传输对数据的强实时、完整正确及可靠通信要求更高，故本申请的端系统还增加数据传输帧顺序号SN检查、内容CRC校验、冗余通道管理的可靠性检查控制方法。发送端在数据帧的末尾增加一个字节的SN顺序号标识，从1～255循环递增(其中，0 表示复位)，接收端检查顺序号SN加一则认为该帧为有效帧，送入内容CRC校验模块完成后续接收完整性检查。若统一网络是多冗余物理通道，则先到达的，且通过SN和内容CRC校验的数据帧视为有效帧，完成该帧接收，后到达的数据帧视为无效帧丢弃。
本申请中为提高航天应用关键数据传输可靠性，在时间同步协议控制帧填充数据传输错误标识，使重要数据的发送方可以闭环控制错误通信，决定是否重传。关键单机是时间触发以太网中的同步主节点，周期性发送时间同步协议控制帧来保持网络全局时钟同步，在时间同步协议控制帧中类型域后的保留字段40bit位中，添加关键虚拟链路的数据传输错误标识，可使发送方及时获取数据传输正确与否，且不额外占用网络带宽，时间同步协议控制帧格式见图5。将40bit的保留字段分为5个字节，可表示5条虚拟链路的传输情况。每字节中最高位用作错误标识，默认为0，当接收方判定帧顺序号不连续或TT消息不在时间窗口内，将错误标识置为‘1’，并将对应虚拟链路VL号填充到错误标识位后。带有错误标识的PCF帧被同步主节点接收后，先查询是否有错误标识，如果有进一步判定VL号是否为本节点配置链路。若是，则回传主机接口，报系统应用层，由应用层根据数据内容重要性决定是否重传。
如图1所示，本发明还公开了一种时间触发统一网络传输端系统的调度装置，包括以太网MAC模块、调度表配置管理模块、时钟同步管理模块、发送调度管理模块、接收预处理模块、帧完整性检查模块、主机接口管理模块及时钟管理模块；其中，以太网MAC模块负责以太网数据的发送和接收传输；调度表配置管理模块负责读取时间调度表配置信息；时钟同步管理模块根据调度配置参数，进行时间同步协议控制(PCF)帧的收发及本地时钟的管理，实现网络时间同步的功能；发送调度管理模块根据任务调度配置信息完成消息类型识别，添加组帧工作后，存入发送数据缓存区；接收预处理模块根据数据帧的网络类型域，区分该帧是时间同步协议控制帧还是数据帧；若是时间同步协议控制帧，则送入时钟同步管理模块处理；若是消息数据帧，则存入接收缓存区中等待处理；帧完整性检查模块对接收到的TT\RC数据帧进行帧顺序号正确性检查，对数据内容进行CRC校验检查，若通信为多冗余链路，则还对数据帧进行先到先得的有效性判断，并提出中断请求给主机接口。
还包括时序检查模块，负责在发送端数据组帧完成发送前的时间窗口符合性检查，通过读取时间调取表配置信息进行TT消息通信窗口检索。时序检查模块独立于端系统消息调度、组帧部分，以提高端节点时间触发消息的可靠性。

Claims (8)

1.一种时间触发统一网络传输端系统的调度方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、时间调度表配置，包括静态配置和在线加载配置；所述在线加载配置是在端系统上电初始化后，由网络中其他端系统发送配置信息帧，通过预分配的时间调度表加载的调度表加载的虚拟链路，实现动态在线加载，完成调度表配置；
步骤2、时钟同步；端系统提取传输数据中的时间同步控制信息，判断是否有启动请求，若有则响应该请求，将本地时钟信息填入时间同步协议控制帧发出供交换机进行压缩处理，根据返回的时间固化点完成本地时钟修正；若在一定时间内无启动请求信号，则主动发出冷启动请求帧，开始时钟同步工作；
步骤3、数据调度；数据类型按照优先级别从高到低分为时间同步协议控制帧、TT消息数据帧、RC消息数据帧、BE消息数据帧；
步骤4、数据传输可靠性检查；包括端系统对TT消息的时间窗口符合性检查，确保每个虚拟链路的TT消息都在其对应的唯一通信窗口中发送。
2.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于：步骤4中所述数据传输可靠性检查还包括时间同步协议控制帧保留域检查，具体为在时间同步协议控制帧中类型域后的保留字段40bit中，添加关键虚拟链路的数据传输错误标识和虚拟链路号，数据发送端根据数据传输错误标识和虚拟链路号判定数据传输的正确性，决定是否重传数据。
3.根据权利要求2所述的调度方法，其特征在于：所述保留字段40bit分别5个字节，每个字节代表一条虚拟链路，每字节的最高位用作数据传输错误标识默认值为0，当接收端判定帧序号不连续或TT消息不在时间窗口内，将错误标识置为‘1’，并将对应虚拟链路号填充到错误标识位后。
4.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于：步骤4中所述TT消息的时间窗口符合性检查，具体为端系统的时序检查模块负责读取时间调度表配置信息进行TT消息通信窗口检索，确保每个虚拟链路的TT消息都在其对应的唯一通信窗口中发送；一旦超出时间窗口，则认为该条消息有误不满足发送条件，关闭发送，将故障消息封闭在端节点中。
5.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于：步骤1中所述在线加载配置还可在端系统装置不断电的情况下进行在线加载，修改同步或通信网络配置参数。
6.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于：步骤4中所述数据传输可靠性检查还包括数据帧顺序号管理、数据帧CRC校验管理、冗余通信管理；具体为发送端在数据帧的末尾增加一个字节的帧顺序号标识，从1～255循环递增，接收端检查帧顺序号加一则认为该帧为有效帧，再对数据内容进行数据帧CRC校验完成后续接收完整性检查，最后若统一网络是多冗余物理通道，则先到达的且通过帧顺序号和CRC校验的数据帧视为有效帧，完成该帧接收，后到达的数据帧视为无效帧丢弃。
7.一种时间触发统一网络传输端系统的调度装置，其特征在于：包括以太网MAC模块、调度表配置管理模块、时钟同步管理模块、发送调度管理模块、接收预处理模块、帧完整性检查模块、主机接口管理模块及时钟管理模块；其中，
以太网MAC模块负责以太网数据的发送和接收传输；
调度表配置管理模块负责读取时间调度表配置信息；
时钟同步管理模块根据调度配置参数，进行PCF帧的收发及本地时钟的管理，实现网络时间同步的功能；
发送调度管理模块根据任务调度配置信息完成消息类型识别，添加组帧工作后，存入发送数据缓存区；
接收预处理模块根据数据帧的网络类型域，区分该帧是时间同步协议控制帧还是数据帧；若是时间同步协议控制帧，则送入时钟同步管理模块处理；若是消息数据帧，则存入接收缓存区中等待处理；
帧完整性检查模块对接收到的TT\RC数据帧进行帧顺序号正确性检查，对数据内容进行CRC校验检查，若通信为多冗余链路，则还对数据帧进行先到先得的有效性判断，并提出中断请求给主机接口。
8.根据权利要求7所述的调度装置，其特征在于：还包括时序检查模块，负责在发送端数据组帧完成发送前的时间窗口符合性检查，通过读取时间调取表配置信息进行TT消息通信窗口检索。
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