CN110519181B - 基于跨频段时间触发通信的交换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，包含以下步骤：设定交换结构各输入端口、输出端口对应的传输频率、以及为输入端口、输出端口分配访问共享缓存区的时间片数量；输入端口在数据帧对应的接收时间窗口内接收数据帧，在分配的时间片上将数据帧写入共享缓存区；输出端口在分配的时间片上从共享缓存区读取完整的数据帧，在发送时间窗口将数据帧转发至物理链路，从而完成交换结构从接收到转发的完整功能。本发明实现了高频段到低频段、低频段到高频段以及同频段之间时间触发数据的交换转发。

Description

基于跨频段时间触发通信的交换方法
技术领域
本发明应用于基于时间触发(time-triggerd,TT)通信机制的交换式网络；在这样的网络中，采用本发明能够实现高频段到低频段、低频段到高频段以及同频段之间TT数据流的交换转发，并通过静态配置转发等待时延提供交换结构的确定性时延，提高TT数据流的时间确定性。
背景技术
时间触发通信的基础在于分布式节点的本地时钟同步，不同于事件触发通信随机接入数据流的传输方式，TT通信具有严格的时间调度表，按时触发数据流的传输。TT通信可以为系统中的安全关键性数据流提供严格的时间确定性，在航空航天、车辆电子等系统中得到应用。
TT数据流通常满足严格周期性，属于同一TT流量的两个连续TT消息之间的时间间隔是固定的，即为调度周期。每一条TT流对应的传输路径、源端和目的端也是通过提前的静态规划得到的。依据规划的传输路径和相关调度算法，基于全局时钟可以规划得到全网的TT流量静态调度表，静态调度表中包含每条TT流量传输过程中的发送时间窗口和接收时间窗口。所有网络节点根据调度表对TT消息进行收发，规避了流量传输过程中的冲突和竞争，并满足了TT消息传输的实时性。
交换结构作为交换式网络的核心，为TT数据任务提供分组交换服务。TT数据流经过MAC层封装为数据帧后，根据帧中的MAC地址将它们向不同的端口转发，实现TT数据在网络上的传输。交换结构具备过滤功能、交换功能和静态路由等特点，其接收输出端口可以分别与端系统或交换结构互连，从而构建完整的交换式网络。交换结构与端系统或交换结构互连的不同物理链路传输速率是固定，并且可以根据通信需要设置物理链路所属的通信频段。
交换结构中共享缓存交换结构是其中较为常见的一种。共享缓存交换结构中所有的输入端口和输出端口都共享一个缓存区域，进入交换结构的所有数据流都先存入共享缓存区域后等待调度转发。该结构实质上是时分复用的，在同一个单位时间片内只允许一个端口读或写。保证交换结构各端口读写操作的公平性，并且不会带来带宽上的浪费是共享缓存交换结构的关键。本发明针对TT通信，设计了一种支持跨频段数据流交换转发并且支持静态配置转发等待时延的共享缓存交换结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于跨频段时间触发通信下的交换方法，用以实现高频段到低频段、低频段到高频段以及同频段之间时间触发数据的交换转发，并通过静态配置交换结构的转发等待时延，解决直通式交换结构无法根据时间触发通信的调度需求灵活调整转发等待时延的问题，提高网络系统的时间确定性。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，包含以下步骤：
步骤1：设定交换结构各输入端口、输出端口对应的传输频率fj、以及为输入端口、输出端口分配访问共享缓存区的时间片数量mj；
其中，
Figure BDA0002140211270000021
j为端口号，FS共享缓存区的读写频率，k为数据线的有效位宽，M为总循环读写时间片数量；
步骤2：输入端口按照设定的传输频率在数据帧对应的接收时间窗口内接收数据帧；
步骤3：输入端口在分配的时间片上将数据帧写入共享缓存区，根据接收数据帧对应的输出端口，将接收的数据帧的转发信息写入对应输出端口中的转发信息缓存队列；其中，转发信息包含数据帧在共享缓存区存放的首地址和尾地址；
步骤4：输出端口判断当前是否有数据帧正在等待发送时间窗口到达，若没有则读取转发信息缓存队列，获得待转发帧的转发信息；若有则等待当前帧的发送时间窗口到达后，再读取转发信息缓存队列，得到下一帧的转发信息；
步骤5：输出端口根据获取的共享缓存区存放首地址和尾地址，在分配的时间片上从共享缓存区读取完整的数据帧，并根据不同频段MAC层和PHY层接口的数据发送要求进行位宽转换和帧头添加，存入输出端口的待发送缓存队列中；
步骤6：待转发帧的发送时间窗口到达并且输出端口的MAC接口空闲后，从输出端口的待发送缓存队列中读出的数据帧并按照设定的传输频率转发至物理链路。
依据上述特征，所述步骤2包含以下步骤：
步骤2.1：输入端口记录交换结构接收到数据帧的接收时刻点rev_piti；
步骤2.2：输入端口判断数据帧的接收时刻点是否在该数据帧对应的接收时间窗口的范围内，若是，则进入步骤2.3，否则将数据帧丢弃；
步骤2.3：输入端口对数据帧进行帧信息校验，包括：帧长检测、CRC校验、流量号校验，以及帧类型判断，若帧信息校验通过进入步骤3，反之将该帧丢弃，并清空记录的接收时刻点。
依据上述特征，数据帧对应的接收时间窗口由静态路由地址列表负责管理，
输入端口通过查找静态路由地址列表获得接收时间窗口。
依据上述特征，发送时间窗口的起始时刻点TW_starti和发送时间窗口的结束时刻点TW_endi为：
TW_starti＝RW_endi+wait_delay；
TW_endi＝RW_endi+wait_delay+(RW_endi-RW_starti)
＝2*RW_endi+wait_delay-RW_starti
RW_starti为接收时间窗口的起始时刻点，RW_endi为接收时间窗口的结束时刻点，wait_delay为交换结构中的转发等待时延。
依据上述特征，
Figure BDA0002140211270000041
且M≥N；
N为输入端口和输出端口的数量总和。
本发明的有益效果在于：
本发明能够能够在保证数据流进行线速传输的同时，支持跨频段的TT帧交换转发，包括高频段到低频段、低频段到高频段以及同频段之间，并且不会有断帧情况出现；
通过静态配置交换结构的转发等待时间，利用存储转发的方式，将TT帧严格按照调度时间表实时转发，在不会引入竞争冲突的前提下，增强TT流传输的时间确定性，避免时延抖动的跨级传播。
附图说明
图1为基于跨频段时间触发通信的交换方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
步骤1：设定交换结构各输入端口输出端口对应的传输频率、在交换结构中的转发等待时延wait_delay，以及为输入端口、输出端口分配访问共享缓存区的时间片数量mj。wait_delay根据网络系统通信需要进行静态配置，其需要满足wait_delay≥logic_delaymin，logic_delaymin为数据帧第一个字节进入交换结构到该数据帧的第一个字节离开交换结构逻辑处理所需的最短时间；每条时间触发TT流量具有其确定的时间特性和输出端口。其中时间特性包括调度周期、在输入端口相对于调度周期的接收时间窗口的起始时刻点和结束时刻点。由交换结构的静态路由地址列表管理每条TT流量的时间特性和端口特性。
由于输入端口将数据帧写入共享缓存区以及输出端口将数据帧读出共享缓存区均采用时分复用的方式，所以需要对各输入端口和输出端口的时间片数量mj的进行分配，不妨假设交换结构共有N个端口，包括输入端口和输出端口，各端口对应的传输频率分别为fj，j为端口号；共享缓存区的读写频率为FS，其数据线的有效位宽为k bit，各端口对应的时间片为slotj。为了能够满足各输入端口、输出端口的收发频率，各输入端口、输出端口读或写的频率至少为fj/(FS×k)，可以得到共享缓存区的频率需要满足：
Figure BDA0002140211270000051
可以根据实际应用情况确定共享缓存区的读写频率FS，确定总循环读写时间片数量M，具体计算方式为：
Figure BDA0002140211270000052
且
M≥N
不同频段的端口分配的得到的时间片与各自频段成正比，通常最高频段端口占用总循环时间片中的一片，不同端口的时间片穿插排列，各端口的时间片数量mj计算方式为：
Figure BDA0002140211270000061
步骤2：输入端口按照设定的传输频率在数据帧对应的接收时间窗口内接收数据帧。具体包含以下步骤：
步骤2.1：记录交换结构接收到数据帧的接收时刻点rev_piti，其中i为对应的时间触发TT流量号。通过查找表的方式由TT流量号得到对应数据流的时间特性和输出端口。根据接收时间窗口的起始时刻点RW_starti和结束时刻点RW_endi以及在交换结构中的转发等待时延wait_delay，计算得到交换结构中相对于调度周期的发送时间窗口的起始时刻点TW_starti和结束时刻点TW_endi，其中交换结构中的计时是基于全局时钟同步，具体计算方式如下:
TW_starti＝RW_endi+wait_delay；
TW_endi＝RW_endi+wait_delay+(RW_endi-RW_starti)。
＝2*RW_endi+wait_delay-RW_starti
步骤2.2：判断数据帧的接收时刻点rev_piti是否在接收时间窗的范围内，即RW_starti≤rev_piti≤RW_endi；若是，则进入步骤2.3对数据帧进行帧信息校验，否则将数据帧丢弃。
步骤2.3：对数据帧进行帧信息校验包括：帧长检测、CRC校验、流量号校验(数据帧流量号是否与输入端口匹配)以及帧类型判断。若帧信息校验通过则进入步骤3，反之将该帧丢弃，并清空记录的接收时刻点。
步骤3：输入端口在分配的时间片上将数据帧写入共享缓存区，根据接收数据帧对应的输出端口，将接收的数据帧的转发信息写入对应输出端口中的转发信息缓存队列。其中，转发信息包括：流量号、帧类型、发送时间窗口起始时刻点和结束时刻点，以及共享缓存区对应的存放首地址和尾地址。若存在多播或者广播情况，则转发信息会写入所有输出端口的转发信息缓存队列中。
步骤4：判断输出端口当前是否有帧正在等待发送时间窗口到达，若没有则读取转发信息缓存队列，获得待转发帧的流量号、帧类型、发送时间窗口起始时刻点和结束时刻点，以及共享缓存区对应的存放首地址和尾地址；若有则等待当前帧的发送时间窗口到达后，再读取转发信息缓存队列，得到下一帧的转发信息。
步骤5：输出端口根据获取的共享缓存区存放首地址和尾地址，在分配的共享缓存区读时间片上读取完整的数据帧，并根据不同频段MAC层和PHY层接口的数据发送要求进行位宽转换和帧头添加，存入输出端口的待发送缓存队列中。
步骤6：待转发帧的发送时间窗口到达并且输出端口的MAC接口空闲后，从输出端口的待发送缓存队列中读出的数据帧并转发至物理链路，从而完成交换结构从接收到转发的完整功能。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，包含以下步骤：
步骤1：设定交换结构各输入端口、输出端口对应的传输频率fj、以及为各输入端口、输出端口分别分配访问共享缓存区的时间片数量mj；
其中，
Figure FDA0002140211260000011
j为端口号，FS共享缓存区的读写频率，k为数据线的有效位宽，M为总循环读写时间片数量；
步骤2：输入端口按照设定的传输频率在数据帧对应的接收时间窗口内接收数据帧；
步骤3：输入端口在分配的时间片上将数据帧写入共享缓存区，根据接收数据帧对应的输出端口，将接收的数据帧的转发信息写入对应输出端口中的转发信息缓存队列；其中，转发信息包含数据帧在共享缓存区存放的首地址和尾地址；
步骤4：输出端口判断当前是否有数据帧正在等待发送时间窗口到达，若没有则读取转发信息缓存队列，获得待转发帧的转发信息；若有则等待当前帧的发送时间窗口到达后，再读取转发信息缓存队列，得到下一帧的转发信息；
步骤5：输出端口根据获取的共享缓存区存放首地址和尾地址，在分配的时间片上从共享缓存区读取完整的数据帧，并根据不同频段MAC层和PHY层接口的数据发送要求进行位宽转换和帧头添加，存入输出端口的待发送缓存队列中；
步骤6：待转发帧的发送时间窗口到达并且输出端口的MAC接口空闲后，从输出的待发送缓存队列中读出的数据帧并按照设定的传输频率转发至物理链路。
2.根据权利要求1所述的一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，其特征在于所述步骤2包含以下步骤：
步骤2.1：输入端口记录交换结构接收到数据帧的接收时刻点rev_piti，i为对应的时间触发TT流量号；
步骤2.2：输入端口判断数据帧的接收时刻点是否在该数据帧对应的接收时间窗口的范围内，若是，则进入步骤2.3，否则将数据帧丢弃；
步骤2.3：输入端口对数据帧进行帧信息校验，包括：帧长检测、CRC校验、流量号校验，以及帧类型判断，若帧信息校验通过进入步骤3，反之将该帧丢弃，并清空记录的接收时刻点。
3.根据权利要求1所述的一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，其特征在于：数据帧对应的接收时间窗口由静态路由地址列表负责管理，输入端口通过查找静态路由地址列表获得接收时间窗口。
4.根据权利要求1所述的一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，其特征在于：发送时间窗口的起始时刻点TW_starti和发送时间窗口的结束时刻点TW_endi为：
TW_starti＝RW_endi+wait_delay；
TW_endi＝RW_endi+wait_delay+(RW_endi-RW_starti)
＝2*RW_endi+wait_delay-RW_starti
i为对应的时间触发TT流量号，RW_starti为接收时间窗口的起始时刻点，RW_endi为接收时间窗口的结束时刻点，wait_delay为交换结构中的转发等待时延。
5.根据权利要求1所述的一种基于跨频段时间触发通信的交换方法，其特征在于：
Figure FDA0002140211260000021
且M≥N；
N为输入端口和输出端口的数量总和。
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