CN110601744B

CN110601744B - 一种afdx网络的发送虚拟链路调度方法

Info

Publication number: CN110601744B
Application number: CN201910879693.9A
Authority: CN
Inventors: 解军; 蔡沅成; 王琳; 邱昆
Original assignee: Chengdu Uestc Optical Communication Co ltd
Current assignee: Chengdu Uestc Optical Communication Co ltd
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2039-09-18
Also published as: CN110601744A

Abstract

本发明公开了一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，包括以下步骤：(1)建立二维调度时间表格：根据虚拟链路的带宽分配间隙的取值范围建立一个128行128列的二维调度时间表格，该表格的每一行或每一列表示1ms的时间刻度；(2)将AFDX终端所有用于发送数据帧的发送虚拟链路配置到二维调度时间表格中，不同带宽分配间隙的发送虚拟链路在周期内发送的次数P＝128/带宽分配间隙。本发明采用了一种新的二维调度时间表的方式，在同一个物理链路上，满足各虚拟链路固定带宽固定间隙周期发送的情况下，避免了各虚拟链路之间出现冲突而产生时延抖动，并且能以最大化程度充分利用物理链路的带宽，同时可以提供终端的发送虚拟链路配置方案是否合理的检测能力。

Description

一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法

技术领域

本发明涉及航空电子系统领域，尤其涉及一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法。

背景技术

现代航空电子系统的综合化程度在不断提高，从20世纪70年代的分立式航空电子系统，到联合式航空电子系统，到综合式航空电子，再到现在的先进综合式航空电子系统，原来单节点的通信正逐步被多节点的复杂通信所代替，原来单一的通信链路正逐步被统一的通信网络所代替。航空电子网络跟一般商用存储区域网络的不同在于它主要运行在航空航天等极端恶劣的环境下，针对其工作环境的特殊性，在设备和网络的设计时需要采用较高的可靠性和稳定性。AFDX(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet，航空电子全双工交换式以太网)是在工业标准以太网经过适应性改进形成的，具有更高的可靠性、抗恶劣环境适应性和确定的实时性，因此，AFDX网络在现代的航空电子系统中具有广泛的应用，如新一代民用飞机(A380，波音787)和大型运输机(A400M)。

AFDX是一种以交换机为中心的星形结构网络，包括终端和交换机两大部分，每台交换机大约能连接20个左右终端。终端通过100Mb/s全双工链接链路与交换机相连，而交换机提供终端之间的数据交换、调度和监控功能。AFDX网络采用双冗余、双击备份的配置模式，A、B两个网络互不影响，共同担负相同的责任，从而提供了比单一网络具有更高的可靠性。AFDX网络的确定性是由虚拟链路技术来实现的，包括两方面，一是带宽确定性，即把一条物理链路划分为多条逻辑上的虚拟链路(Virtual Link，VL)，给每条虚拟链路分配固定带宽构建一个特定的、点对点的网络。每个VL通道建立起了一个终端到一个或多个终端之间的一条单向的逻辑路径，它可以用来定义和隔离数据流，以确保传输速率和故障隔离。因此，通过VL发送消息能够保证带宽确定性。另一方面是时延的确定性，在每个终端上存在多个发送VL，这些VL需要分时复用同一条物理链路，如何调度才能避免不同VL之间发生业务冲突从而降低各VL的时延抖动(Jitter)，这是一个影响整个网络性能的关键问题。

发明内容

为了解决上述由于AFDX终端发送调用而引起的时延抖动问题，本发明提出一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，该调度方法基于合理的发送虚拟链路配置方案和优秀的时间分配算法，可实现物理链路带宽最大化使用的目的，具体的，该调度方法包括以下步骤：

S1.建立二维调度时间表格：AFDX网络中各个虚拟链路的带宽分配间隙为2^Nms，其中N＝0,1,...,7，根据所述带宽分配间隙的取值范围即1～128ms，建立一个128行128列的二维调度时间表格，所述二维调度时间表格的每一行或每一列的128个单元格总共表示1ms的时间刻度，即每个单元格表示7.8125us，整个二维表格表征128ms的时间刻度；

S2.将AFDX终端所有用于发送数据帧的发送虚拟链路配置到二维调度时间表格中：将最大带宽分配间隙即128ms作为一个数据帧发送的大周期，并将各个发送虚拟链路的带宽分配间隙作为该发送虚拟链路上数据帧发送的小周期，不同带宽分配间隙的发送虚拟链路在大周期内发送的次数P＝128/BAG，其中BAG为发送虚拟链路的带宽分配间隙；

所述步骤S2包括以下子步骤：

S21.配置发送虚拟链路顺序：带宽分配间隙不同时，带宽分配间隙较小的发送虚拟链路优先配置；带宽分配间隙相同时，最大帧长L_max较大的发送虚拟链路优先配置；

S22.选择行偏移：由于发送虚拟链路上数据帧发送的小周期为其带宽分配间隙即2^Nms，故每次从二维调度时间表格的2^N行中选出当前已占用单元格最少的那一行来配置该发送虚拟链路，然后保持每隔2^N行重复配置该发送虚拟链路；

S23.记录每个发送虚拟链路的起始和结束时间：记录配置该发送虚拟链路的起始单元格和结束单元格，在这一段单元格对应的时间内，物理链路由该发送虚拟链路支配，其他发送虚拟链路不会占用。

进一步的，所述步骤S21中，若带宽分配间隙越小，则数据帧的发送周期越短，即发送频率越快，配置该发送虚拟链路到二维调度时间表格中占用的行数就越多；若最大帧长L_max越大，则配置该发送虚拟链路到二维调度时间表格中占用每一行的单元格越多。

进一步的，所述步骤S21中，带宽分配间隙相同时，帧长为L_max的发送虚拟链路占用每行的单元格数目

(向上取整)，其中V_S为发送虚拟链路带宽。

进一步的，所述步骤S22中，如果二维调度时间表格中出现几行当前已占用单元格相同的情况，优先选择行序号较小的那一行来配置该发送虚拟链路。

进一步的，所述发送虚拟链路调度方法还包括以下步骤：

S23.判断发送虚拟链路配置方案是否合理：若二维调度时间表格中所有单元全部被占满且仍有发送虚拟链路待写入表格时，或任意一行出现当前已占用单元格超过列最大值即128时，则视当前的发送虚拟链路配置方案不合理。

本发明的有益效果在于：此方法采用了一种新的二维调度时间表的方式，在同一个物理链路上，满足各虚拟链路固定带宽固定间隙周期发送的情况下，避免了各虚拟链路之间出现冲突而产生时延抖动，并且能以最大化程度充分利用物理链路的带宽，同时可以提供终端的发送虚拟链路配置方案是否合理的检测能力。

附图说明

图1是终端1发送虚拟链路示意图；

图2是各虚拟链路通道上数据帧时序图；

图3是调度产生时延抖动示意图；

图4是128行*128列二维调度时间表格。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

AFDX(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet，航空电子全双工交换式以太网)中，每个终端(End System，ES)上定义发送的虚拟链路(Virtual Link，VL)数量一般达到几十甚至上百，每个VL建立起了一个终端到一个或多个终端之间的一条单向的逻辑路径，如图1所示。虚拟链路具有如下特性：

1)每一条VL在源端和目的端之间建立了一条单向通道，该通道源节点只能是单一节点，而目的节点则可以是一个，也可以是多个；

2)每条VL都会分配固定的最大带宽BW_max，最大带宽由该VL支持的最大帧长(L_max，取值范围为[64,1518]字节)和带宽分配间隙(BAG，Bandwidth Allocation Gap)确定，即BW_max＝L_max/BAG；

3)各VL的BAG取值范围为2^Nms(N＝0～7)，最小1ms，最大128ms；

4)所有VL通道的帧都以周期方式发送，周期取该VL的BAG值，允许一定的时延抖动(最大不超过40us)；

5)各终端所有发送VL的总带宽不能超过物理链路带宽的限制，否则认为这是一个不合理的VL配置方案。

AFDX终端在发送数据帧的时候，可能会产生时延抖动(Jitter)，Jitter定义了指定VL中一个BAG时隙的开始和该时隙内数据帧的第一个比特发送时刻的时间间隔，Jitter对数据传输的影响如图2所示。Jitter的产生主要有两种原因，第一种是源端系统同时发送多条VL的数据帧时，这些VL的数据帧需要分时复用同一条物理链路，因此需要对这些VL的数据帧进行发送调度，比如两条VL在某一时刻都有数据帧要发送，那么根据调度法则就会推迟其中一个数据帧的发送时间，这个时间就是Jitter，调度产生Jitter如图3所示。第二种是由于内部阻塞等原因导致数据帧从交换机输出引入时延抖动。

本实施例主要解决第一种由于终端发送调用而引起的时延抖动问题，下面具体介绍本实施例提供的发送虚拟链路调度方法。

由于终端各发送VL的周期BAG只能取固定的几个值，即1\2\4\8\16\32\64\128ms，最小为1ms，最大为128ms。本实施例建立了一个128行128列的二维调度时间表格，如图4所示。该表格每行128个单元格总共代表1ms的时间刻度(每个单元格代表7.8125us)，整个二维表格表征了128ms的时间刻度。接下来，需要把AFDX终端所有发送VL配置到该二维调度时间表格中，在配置过程中，只要保证各VL在该二维调度时间表格中没有发生重叠，则对该AFDX终端而言，在发送各VL的数据帧时就不会因为冲突而产生Jitter。可以把128ms看做一个数据帧发送的大周期，而把各个VL的BAG看做该VL上数据帧发送的小周期。以最小周期BAG＝1ms的VL为例，如果该VL队列中有数据需要发送，则该VL的数据在每一行都要发送一次，在128ms的大周期内总共发送128次，即实现发送间隔时间为1ms的目的。对于最大周期BAG＝128ms的VL，则在整个128大周期内只发送一次，因此，不同BAG值的VL在128ms大周期内发送的次数等于128/BAG，发送周期则严格按BAG值执行。

为了最大化利用物理链路带宽(AFDX网络主流采用100Mbps速率)，在把AFDX终端所有发送VL配置到上述二维调度时间表格的过程中，采用如下策略：

1)配置VL顺序

BAG值不同时，BAG小的VL优先配置。把所有VL按BAG值进行分类，BAG值越小，说明发送周期越小，也就是发送频率越快，配置该VL到上述二维调度时间表格中占用的行数也就越多。BAG＝1ms的VL每行都会占用，BAG＝2ms则隔行占用，依此类推。

BAG值相同时，L_max大的VL优先配置。对于BAG值相同的VL，按最大允许发送的帧长L_max值进行排序，L_max值越大则表示在二维调度时间表中占用每一行的单元格越多。帧长为L_max的VL占用每行的单元格数目为

(向上取整),以物理链路带宽V_s＝100Mbps为例，最小L_max＝64字节只占用1个单元格，而最大L_max＝1518字节需占用16个单元格。

2)选择行偏移

前面提到，在一个128ms的大周期内，VL的发送次数P＝128/BAG，换句话说，在二维调度时间表中，每隔BAG时间就需要调度该VL一次，在整个大周期内共调度P次，然后以大周期继续重复上述操作。以BAG＝4ms为例，该VL在128ms大周期内每4ms需调度一次，总共调度32次，具体在配置二维调度时间表时，该VL需每4行出现一次，实际上该VL可以配置到前4行中任意一行，然后每4行重复一次，即可实现周期间隙为4ms均匀无突发的发送。但为了最大化填充表格，即最大化物理带宽利用率，每次从4行中选当前已占用单元格最少的那一行来配置该VL，如果出现几行当前已占用单元格相同的情况，优先选择行序号小的那一行，然后保持每隔4行重复出现即可。

3)记录每个VL的起始和结束时间

前面提到，按照最小BAG和最大L_max优先的方式把各VL填充到二维调度时间表中，通过L_max计算占用单元格数(向上取整)，选定行偏移后，记录配置该VL的起始单元格和结束单元格，在这一段单元格对应的时间内，物理链路由该VL支配，其他VL不会占用，这样就可以实现保证各VL周期调度的同时无冲突产生。

4)发送VL配置方案不合理判断依据

当出现以下几种情况的任意一种都可视为当前是一个不合理的VL配置方案：

a)二维调度时间表所有单元格(128*128)全部被占满，仍有发送VL待写入表格；

b)任意一行出现当前已占用单元格加VL占用单元格超过列最大值(128)。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

1、终端发送VL配置表

为了简单演示配置二维调度时间表的过程，定义某终端发送VL配置如下表所示，总共定义了10个发送VL通道，BAG值分别为1、1、2、2、4、4、8、8、16、16，列表中已按BAG值由小到大排序，且相同BAG值的VL已按允许发送的最大帧长L_max由大到小排序。下面给出这10个发送VL的详细配置步骤。

表1

2、配置步骤

为了简单示意，下面只给出16行16列二维调度时间表写入过程。

第一步，按BAG小的VL优先配置原则，先配置BAG＝1ms的两个VL，VL1和VL2，依据相同BAG值L_max大的VL优先配置原则，先配置L_max为200字节VL1：

11)每一行都需要占用3个格子，128行全部使用；

12)之前没有配置其他VL，每一行已占用格子数都为零，因此从第1行第1列开始写入，每一行写一次，如下表数字1区域所示。

然后再配置L_max为100字节的VL2：

13)每一行都需要占用2个格子，128行全部使用；

14)之前有配置其他VL，每一行已占用格子数都为3，因此从第1行第4列开始写入，每一行写一次，如下表数字2区域所示。

第二步，配置BAG为2ms的两个VL，VL3和VL4，依据相同BAG值L_max大的VL优先配置原则，先配置L_max为300字节VL3：

21)每2行出现一次，每次需要占用该行4个格子，一个大周期内共出现64次；

22)之前有配置其他VL，前2行中每一行已占用格子数都为5，因此从第1行第6列开始写入，每2行写一次，如下表数字3区域所示。

然后再配置L_max为80字节的VL4：

23)每2行出现一次，每次需要占用该行1个格子，一个大周期内共出现64次；

24)之前有配置其他VL，前2行中第1行已占用格子数为9，第2行已占用格子数为5，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第2行第6列开始写入，每2行写一次，如下表数字4区域所示。

第三步，配置BAG为4ms的两个VL，VL5和VL6，依据相同BAG值L_max大的VL优先配置原则，先配置L_max为500字节VL5：

31)每4行出现一次，每次需要占用该行6个格子，一个大周期内共出现32次；

32)之前有配置其他VL，前4行中第1、3行已占用格子数为9，第2、4行已占用格子数为6，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第2行第7列开始写入，每4行写一次，如下表数字5区域所示。

然后再配置L_max为400字节的VL6：

33)每4行出现一次，每次需要占用该行5个格子，一个大周期内共出现32次；

34)之前有配置其他VL，前4行中第1、3行已占用格子数为9，第2行已占用格子数为12，第4行已占用格子为6，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第4行第7列开始写入，每4行写一次，如下表数字6区域所示。

第四步，配置BAG为8ms的两个VL，VL7和VL8，依据相同BAG值L_max大的VL优先配置原则，先配置L_max为600字节VL7：

41)每8行出现一次，每次需要占用该行7个格子，一个大周期内共出现16次；

42)之前有配置其他VL，前8行中第1、3、5、7行已占用格子数都为9，第2、6行已占用格子数都为12，第4、8行已占用格子都为11，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第1行第10列开始写入，每8行写一次，如下表数字7区域所示。

然后再配置L_max为400字节的VL8：

43)每8行出现一次，每次需要占用该行5个格子，一个大周期内共出现16次；

44)之前有配置其他VL，前8行中第1行已占用格子数为16，第2、6行已占用格子数都为12，第3、5、7行已占用格子数都为9，第4、8行已占用格子为11，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第3行第10列开始写入，每8行写一次，如下表数字8区域所示。

第五步，配置BAG为16ms的两个VL，VL9和VL10，依据相同BAG值L_max大的VL优先配置原则，先配置L_max为500字节VL9：

51)每16行出现一次，每次需要占用该行6个格子，一个大周期内共出现8次；

52)之前有配置其他VL，前16行中第1、9行已占用格子数为16，第2、6、10、14行已占用格子数都为12，第3、11行已占用格子都为14，第4、8、12、16行已占用格子都为11，第5、7、13、15行已占用格子都为9，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第5行第10列开始写入，每16行写一次，如下表数字9区域所示。

然后再配置L_max为300字节的VL10：

53)每16行出现一次，每次需要占用该行4个格子，一个大周期内共出现8次；

54)之前有配置其他VL，前16行中第1、9行已占用格子数为16，第2、6、10、14行已占用格子数都为12，第3、11行已占用格子都为14，第4、8、12、16行已占用格子都为11，第5行已占用格子数为15，第7、13、15行已占用格子都为9，根据选当前已占用格子最少的那一行来配置该VL的原则，因此从第7行第10列开始写入，每16行写一次，如下表数字10区域所示。

第六步，如果需要继续配置BAG值更大的VL，从第13行第10列开始写入。这里为该终端定义的10个发送VL配置表已全部写入二维调度时间表，因此在设备启动数据通信后，终端在硬件逻辑中按照上述调度时间表，依次发送各VL上的数据帧。由于在二维调度时间表中，各发送VL之间没有时间冲突，因此在保证了各VL的周期发送间隙BAG正常工作(也就是为每个VL提供了独立固定带宽)的同时，没有引入发送调度时延抖动。这为带宽和时延具有确定性的AFDX网络提供了一个强有力的支撑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2.将AFDX终端所有用于发送数据帧的发送虚拟链路配置到二维调度时间表格中：将最大带宽分配间隙即128ms作为一个数据帧发送的大周期，并将各个发送虚拟链路的带宽分配间隙作为该发送虚拟链路上数据帧发送的小周期，不同带宽分配间隙的发送虚拟链路在大周期内发送的次数P＝128/BAG，其中BAG为发送虚拟链路的带宽分配间隙；在配置过程中，保证各虚拟链路在该二维调度时间表格中没有发生重叠，则对该AFDX终端而言，在发送各虚拟链路的数据帧时就不会因为冲突而产生时延抖动；

所述步骤S2包括以下子步骤：

2.根据权利要求1所述的一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，其特征在于，所述步骤S21中，若带宽分配间隙越小，则数据帧的发送周期越短，即发送频率越快，配置该发送虚拟链路到二维调度时间表格中占用的行数就越多；若最大帧长L_max越大，则配置该发送虚拟链路到二维调度时间表格中占用每一行的单元格越多。

3.根据权利要求1所述的一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，其特征在于，所述步骤S21中，带宽分配间隙相同时，帧长为L_max的发送虚拟链路占用每行的单元格数目

向上取整，其中V_S为发送虚拟链路带宽。

4.根据权利要求1所述的一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，其特征在于，所述步骤S22中，如果二维调度时间表格中出现几行当前已占用单元格相同的情况，优先选择行序号较小的那一行来配置该发送虚拟链路。

5.根据权利要求1所述的一种AFDX网络的发送虚拟链路调度方法，其特征在于，所述发送虚拟链路调度方法还包括以下步骤：

S24.判断发送虚拟链路配置方案是否合理：若二维调度时间表格中所有单元全部被占满且仍有发送虚拟链路待写入表格时，或任意一行出现当前已占用单元格超过列最大值即128时，则视当前的发送虚拟链路配置方案不合理。