CN110035020B - 一种时间触发以太网交换机调度与同步策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间触发以太网交换机调度与同步策略。其特征在于交换机无需下载离线调度表即可无存储转发时间触发流量；针对时间同步流量，采用主从式同步随时间同步帧的发出随打入时间戳，各终端接收到时间戳，根据不同的链路速度，加上经过计算的固定平均值即为本地时间。本发明针对时间触发流量无存储转发，也无需离线调度表，降低了交换机设计的复杂度，保证了低延迟，易实现，同时无缝连接事件触发流量，对于原有事件触发网络升级改动小，易实施；时间同步策略不确定性小，同步快，精度高，根据不同的同步周期可达到亚us级、ns级。

Description

一种时间触发以太网交换机调度与同步策略

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及一种时间触发以太网交换机调度与同步策略，该方案适用于航空航天、军事装备以及工业生产中对高实时性，高可靠性，高同步精度的通信网络的要求。

背景技术

现在航空电子实时关键系统的架构核心是综合模块化航空电子系统，未来航空电子系统将向分布式综合模块化航空电子系统发展，传统的CAN、ARINC429等总线正在逐渐被AFDX、TTP、TTE等新一代航空总线技术代替。

在分布式实时关键系统中有大量的节点，且通过网络通信，实时数据传输的可靠性和延时直接影响系统的性能。由于分布式的规模放大了网络通信的不确定性，所以使网络保持一个高效稳定的状态是提高系统性能的有效途径。这就对机载网络高带宽、低延迟、高可靠性的要求越来越严格。针对这个问题，国外现在提出了AS6802时间触发以太网标准以保证网络的高通信速率、高实时性、高可靠性。时间触发以太网是在以太网的基础上进行实时适应性改造，在同一网络上无缝连接原有的不同类型的应用业务。同时，时间触发以太网是介质访问控制层服务质量的增强，对于使用异步标准以太网的应用是透明的，在分布式应用间提供确定的，同步的，无拥塞的通信并且不被任何异步的标准以太网流量负载影响,是现在国际上最新的一项新型总线技术。

与AS6802不同，本发明提出一种基于抢占的方式无存储转发时间触发数据帧，无需将时间触发流量的离线调度表下载到交换机上，而只需将调度表下载到个终端，各终端根据调度表发送时间触发数据帧，交换机对时间触发数据帧转发时就无冲突，降低了交换机设计的复杂度，保证了低延迟，易实现；同时增加了灵活性，任意时刻有时间触发流量都可立即转发，而无需时间触发流量必须在离线调度表规定的时刻才可转发。时间同步策略采用主从一步式同步，不确定性小，同步快，精度高，根据不同的同步周期可达到亚us级、ns级。

发明内容

针对时间触发以太网交换机调度与同步策略，本发明提出如下方案：

A.交换机对时间触发(Time-Triggered，TT)流量数据帧采用抢占式无存储转发

[1]若此时该TT数据帧去往的目的端口正有事件触发(Event-Triggered，ET)流量即标准以太网流量输出，则立即停止输出，并等待标准帧间距间隔后，立即传输TT数据帧，待TT数据帧传输完后对被抢占的ET数据帧进行重传；

[2]若此时该数据帧去往的目的端口有TS数据帧输出，待TS数据帧传输完后将TT数据帧立即输出；

[3]若此时该数据帧去往的目的端口无流量输出，则直接将TT数据帧立即输出。

B.针对时间同步(Time-Synchronization，TS)流量数据帧的输出

以交换机为中心主节点，向各个连接的从节点每隔固定时间间隔发送含有时间戳的TS数据帧，时间戳随此TS数据帧的发出随打入，时间戳记录的是TS数据帧有效信号第一次出现在物理链路上的时刻：

[1]若发送端口上有ET数据帧正在发送，直接进行抢占停止对ET的发送，并等待标准帧间距间隔后，传输TS数据帧，待TS数据帧传输完后对被抢占的ET数据帧进行重传；

[2]若发送端口正在发送TT数据帧，则等待该TT数据帧传送完成后，紧接着传送TS数据帧。

C.针对各终端修正本地时间

各终端修正本地时间为时间戳时间加上一个修正值，对于不同速率链路，修正值不一样。

[1]对于千兆链路，本地修正时间Time_correct采用取平均的方式约为：

Time_correct≈Timestamp+480ns。

[2]对于百兆链路，本地修正时间Time_correct采用取平均的方式约为：

Time_correct≈Timestamp+4840ns；

本发明优点是无存储转发时间触发数据帧，无需将时间触发流量的离线调度表下载到交换机上，而只需将调度表下载到个终端，各终端根据调度表发送时间触发数据帧，交换机对时间触发数据帧转发时就无冲突，降低了交换机设计的复杂度，保证了低延迟，易实现；同时增加了灵活性，任意时刻有时间触发流量都可立即转发，而无需时间触发流量必须在离线调度表规定的时刻才可转发。时间同步策略采用主从一步式同步，不确定性小，同步快，精度高，根据不同的同步周期可达到us级、ns级。

附图说明

图1：交换机功能模块划分框图。

图2：3种类型数据调度过程图。

图3：一步式同步过程图。

图4：时间同步数据帧格式。

图5：时间戳格式。

图6：时间戳打入时刻框图。

图7：接收端解析时间戳框图。

具体实施方式

设计的时间触发以太网交换机主要分为三层，分别是时间同步(Time-Synchronization，TS)层、时间触发(Time-Triggered，TT)交换层、事件触发(Event-Triggered，ET)交换层。具有以下功能：

1)支持时间同步协议。

2)区分TT数据帧和ET数据帧，并实现TT数据帧对ET数据帧的抢占。

3)TT数据帧的无存储转发以及对ET数据帧按着标准以太网要求的转发。

4)实现对被抢占的ET数据帧的重传。

时间同步层所发送的TS帧采用标准的以太网帧格式，在类型字段中定义一个特定的值(在研发实验中定义的测试值为16位16进制数0x0889)供TTE网络控制器解析。与定义TS帧一样，在标准以太网帧中类型字段定义另一个特定值(在研发实验中定义的测试值为16位16进制数0x0888)表示此数据帧是TT数据，这样一来通过对接收到的数据帧的类型字段进行判断就能区别出这是TS帧，还是TT数据帧，亦或是ET数据帧。

交换机各功能模块如图1所示，其中每个端口完成解析数据包、查询目的MAC以及收发功能，每接收到一个ET数据帧，就用一个32位接收描述符与其相匹配，对于接收到的TT数据帧，不占用描述符。同时将TS帧的发送功能集成到了端口中，并未集成到调度模块，降低调度模块设计的复杂度。调度过程如图2所示：

1)对于ET数据流量：

将此ET数据帧写入接收缓存中并分配给此数据帧一个接收描述符。接收完成后，若此数据CRC校验正确，就将此ET数据帧存储在缓存中的地址，数据帧长度，以及将要去往的目的端口号等信息写入描述符当中；若此数据CRC校验不正确，则此描述符留给下一个数据帧使用。同时下一数据帧到来时接着从此校验错误的数据帧起始地址开始存储，直接将原来错误的数据帧覆盖。调度模块和发送模块协调工作，根据各端口存储的接收描述符的数量，对ET数据帧按着轮询方式进行调度转发，对于被抢占的ET的调度待TT数据帧转发完后进行重新调度。ET数据帧输出时采用随机存取存储器(Random access memory，RAM)缓存，当需要对ET数据帧进行重传时，将地址指针重新指到ET数据帧在RAM中起始存储地址处重新开始发送即可。

2)对于TS数据流量：

在定时发送时间同步协议帧时，若当前发送端口上有ET数据帧正在发送，直接进行抢占；若当前发送端口正在发送TT数据帧，则等待此TT数据帧传送完后，紧接着传送时间同步帧。

3)对于TT数据流量：

交换机对TT数据帧的转发，不管是周期性的TT数据，还是突发性的TT数据，都是基于以太网数据帧类型字段值是否为16位16进制数0x0 888，并且会记录各端口的TT数据输出缓存是否被占用。识别出是TT数据帧后，若此时该TT数据帧去往的目的端口正有ET数据输出则立即停止，并等待标准帧间距间隔后，传输TT数据帧；若此时该TT数据帧去往的目的端口有时间同步数据帧输出，待时间同步数据帧传输完后将TT数据帧立即输出；若此时端口没有数据传输，则直接对TT数据帧立即进行转发，这样就可以做到无存储转发。

对于周期性的TT数据，可以离线生成调度表，下载到交换机所连接到的终端上，在基于抢占的方式下并不需要将离线调度表下载到交换机上，只需各个终端根据调度表发送TT数据帧，交换机对TT数据进行转发时就不会有冲突。对于突发性的TT数据，在某个终端进行发送TT数据前，先查询此TT数据流量的目的端口的TT数据帧输出缓存是否被占用，若被占用，则此终端此时不能发送TT数据帧，若没有被占用，则此终端此时可以发送TT数据。

时间同步方式采用主从式一步同步方法，如图3所示：由星型结构中的交换机每隔固定时间向各终端节点发送含有同步时间戳的时间同步数据帧，各终端节点解析出时间戳来修正自己的本地时钟，此方式的时间同步数据帧传输延迟的不确定性更小，时延更短。

设计的时间同步协议帧的格式如图4所示。协议帧采用网络互连协议(InternetProtocol，IP)帧头，用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)帧头，共72字节长(含8字节前导码)。在UDP数据字段开头的两个字节没有用，而是从第三个字节起，开始存储8个字节的时间戳。

设计的时间戳格式如图5所示：时间戳共64位，最后4位保留。时间戳以系统时钟周期为一次计数周期，每隔一个计数周期，时间戳中对应系统周期的计数值加1。实验开发时采用的系统时钟sysclk为200Mhz，也就是5ns记1次数，时间戳中对应纳秒的计数值加1，当计数到199时，对应微秒的计数值加1，纳秒计数值归0，以此类推。当需要进位时向上进位加1，当每个字段计数到最大值时归0。年字段只设置了6位，是一个偏移值，最大计数到63，实际应用时另设置一个初始值，初始值加上年字段的偏移值就代表当前的年份。

如图6所示，时间戳记录的是发送端口phy时钟时钟域的时间同步数据帧有效信号第一次出现在物理链路上，经sysclk打两拍后同步到sysclk时钟域的时刻Ttimestamp:

Ttimestamp＝Tsend+t1+Ts+Ts (1)

式中Ttimestamp指时间戳时间，Tsend指物理线路发出时刻，t1指的是使能信号出现到sysclk第一次采集到使能信号之间的时间差，Ts指sysclk的时钟周期。在图中可以看到同步协议帧中所存储的时间戳是随时间同步数据帧发出随打入，所以从发送时间同步数据帧的定时时刻起，到物理链路上发出同步帧之间的等待时间也会记录到时间戳中，不用再另外进行时间补偿。

在接收端采用同样的策略，接收端完全接收完8个字节时间戳时(也就是接收数据字节计数从0到59时，此时共60个字节)产生接收网口phy时钟时钟域的change信号，由sysclk打两拍同步到sysclk时钟域上，然后接收端再根据时间戳的内容修正本地时间,如图7所示。

接收端修正本地时间时，不能直接使用时间戳修正。因为从时间同步数据帧出现在物理链路上时刻Tsend，到change信号同步到sysclk时钟域上之间的时间差为T_delay:

T_delay＝T_trans+T60+t2+Ts+Ts (2)

式中T_trans指数据帧在链路上传播时间，T60指接收端接收60个字节数据的时间，t2指change信号出现到sysclk第一次采集到change信号之间时间差，Ts指sysclk的时钟周期。由于发送端和接收端的sysclk都是采用200Mhz,所以时间戳接收端相对于时间戳发出端，本地时间修正为Time_correct：

Time_correct＝Timestamp+(t2-t1)+T60+T_trans (3)

式中(t2-t1)在(-5ns,+5ns)之间，T_trans很小暂时忽略。

针对于千兆链路的情况，接收端网口phy时钟是125Mhz，8ns一周期，而接收端以200Mhz主时钟计数，将T60折算成需要补偿的时间戳计数值正好是60*8/5＝96，是个整数值可以整除，便于程序设计。这也是为什么要将时间戳存储在数据帧的第53字节到第60字节之间。

最终本地时间的修正为:

Time_correct≈timestamp+480ns±5ns (4)

取平均值：

Time_correct≈timestamp+480ns (5)

同理，针对于百兆链路的情况，接收端网口phy时钟是25Mhz，40ns一周期，最终本地时间的修正为:

Time_correct≈timestamp+4840ns (6)

以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种时间触发以太网交换机调度与同步策略，其特征在于，包括：交换机对时间触发TT数据帧采用抢占式无存储转发策略,任意时刻有TT数据帧都立即转发，对于周期性的TT数据帧，各终端按离线调度表发送TT数据帧，对于突发性的TT数据帧，在某个终端进行发送TT数据帧前，先查询此TT数据帧的目的端口的TT数据帧输出缓存是否被占用，若没有被占用，则此终端此时发送TT数据帧；针对时间同步TS数据帧，由星型结构中的交换机每隔固定时间向各终端节点发送含有同步时间戳的TS数据帧，时间同步方式采用主从式一步同步方法，时间戳随此TS数据帧的发出随打入，时间戳记录的是发送端口phy时钟时钟域的TS数据帧有效信号第一次出现在物理链路上，经sysclk打两拍后同步到sysclk时钟域的时刻；各终端修正本地时间为时间戳时间加上一个修正值。

2.根据权利要求1所述的一种时间触发以太网交换机调度与同步策略，所述抢占式无存储转发策略，其特征在于：

(1)若此时该TT数据帧去往的目的端口正有事件触发ET数据帧即标准以太网数据帧输出，则立即停止输出，并等待标准帧间距间隔后，立即传输TT数据帧，待TT数据帧传输完后对被抢占的ET数据帧进行重传；

(2)若此时该数据帧去往的目的端口有TS数据帧输出，待TS数据帧传输完后将TT数据帧立即输出；

(3)若此时该数据帧去往的目的端口无流量输出，则直接将TT数据帧立即输出。

3.根据权利要求1所述的一种时间触发以太网交换机调度与同步策略，所述针对时间同步流量数据帧，其特征在于：

(1)若发送端口上有事件触发ET数据帧正在发送，直接进行抢占停止对ET数据帧的发送，并等待标准帧间距间隔后，传输TS数据帧，待TS数据帧传输完后对被抢占的ET数据帧进行重传；

(2)若发送端口正在发送TT数据帧，则等待该TT数据帧传送完成后，紧接着传送TS数据帧。

4.根据权利要求1所述的一种时间触发以太网交换机调度与同步策略，所述各终端修正本地时间，其特征在于：

(1)对于千兆链路，本地修正时间Time_correct采用取平均的方式为：

(2)对于百兆链路，本地修正时间Time_correct采用取平均的方式为：

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