CN110809069B - 在共享式以太网中实现高确定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，预先设置某个设备作为调度管理器，并将网络系统设备的个数和系统调度周期配置到调度管理器；调度管理器通过ARP协议收集设备的MAC地址，收集完成后采用静态路由的模式进行通信；将各设备的MAC地址映射成设备ID，调度管理器根据系统集成的设备个数以及各设备数据流个数在系统调度周期上进行进行时隙划分，并将对应的时隙ID号和设备ID号进行绑定，和同步信息合并到同步时隙数据报文后广播到其他设备；各个设备在全局同步情况下按照分配到本设备的时隙ID对应的时间片进行接入通信，实现了数据流在总线型的共享以太网中基于时间触发高确定性的传输服务。

Description

在共享式以太网中实现高确定性的方法
技术领域
本发明属于航空电子系统中的机载总线通信技术领域，特别涉及飞行控制、发动机控制以及机电控制领域对数据传输的确定性和安全性要求极高的通信领域下的共享式以太网的实现方法。
背景技术
过去的几十年中，以太网作为一种开放性和标准化的网络在世界范围内取得了最广泛、最成功的应用，其经历了共享式到交换式的网络构型演变。当前主流的交换式以太网已从100Mbps发展100Gbps的速率。由于其开放式特性，容易受到各种攻击，安全性等级满足不了航空机载这种高安全性的应用领域；同时以太网采用的尽力传输的方式，并未过多考虑网络实时性和确定性的服务特性，即在现有的通信机制下很难保证用户数据的点到点传输时延的确定性。为了促使以太网能够安全可靠地应用于时间关键性和安全关键性的航空电子通信领域，首当其冲是改进该网络MAC接入机制，提高传输的确定性和可靠性。
SAE AS6802标准提出了一种高传输确定性的交换式以太网：时间触发以太网TimeTrigger Ethernet(TTE)。该网络已经在部分航空航天领域成功应用，如作为NASA新一代宇宙飞船的骨干网，并作为分布式综合模块化航空电子DIMA的互联系统应用于S-97攻击型直升机以及SB-1型旋翼机。TTE网络在以太网标准的基础上，引入分布式高容错的时钟同步机制，并预先为网络中通信的各条数据流划分通信时隙。各设备在全局时钟计时基础上，按照分配的时隙触发数据传输和接收数据。TTE支持三种不同QoS级别的数据流传输服务，满足集成航空电子系统的不同时间关键性等级的通信应用需求。但针对机电控制、飞行控制和发动机控制等机载控制系统等低带宽应用场合的互联通信，TTE存如下的局限性：
·成本较高，交换式的网络设备处理大带宽，对设备需求的硬件资源需求较高，提升了资源成本的投入；同时系统开发复杂度高，提高了设计成本；
·带宽资源相对过剩，利用率过低，相对而言，确定性的共享式总线网络更适用为这些控制领域提供传输服务。
时间触发协议TTP总线作为一种高确定性的机载传输总线，在航空航天领域的应用日益广泛，如洛马公司F-16及意大利马基公司(Aermacchi)M-346上的全权限数字发动机控制系统、A-380的客舱压力控制系统、B-787"梦想"客机的环境控制系统以及庞巴迪飞机的飞控系统；同时TTP在铁路工业系统等商业开发领域的存在广阔的应用场景。TTP作为一种相对封闭的总线技术，其研究范围和技术推进不像以太网技术那么广泛和持续，其物理层的技术几乎无新的更新迭代导致传输带宽可扩展性差；同时由于航空电子全双工交换式以太网AFDX、时间触发以太网TTE以及光纤以太网等基于802.3标准的骨干网在航电系统中大量的应用，设计一种高确定性的、低成本、带宽适用的兼容以太网的网络替换TTP应用于航空分布式控制系统是极具潜力的。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，通过划分时隙，设计高确定性的接入通信方式，极大的提高共享以太网的传输确定性和可靠性。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，包含以下步骤：
在共享式以太网中选定一个网络系统设备作为调度管理器；
整个共享式以太网上电后，调度管理器加载预先设定的网络系统设备个数和系统调度周期配置参数；
在初始化初期，调度管理器通过ARP协议建立和收集接入到共享式以太网中的其它网络系统设备的MAC地址并构建静态路由；
当调度管理器收集到的网络系统设备的MAC地址个数与预先设定的网络系统设备个数一致时或者静态路由构建超时时，发送广播信息告诉共享式以太网中的其他网络系统设备将关闭ARP协议，采用已构建的静态路由进行通信；
调度管理器将各网络系统设备的MAC地址转换成唯一的设备ID；
调度管理器根据设定的网络系统设备个数在预先定义的系统调度周期划分出等长的时隙，并将对应时隙ID号与设备ID号绑定；
在系统调度周期起始时刻，调度管理器发送同步时隙数据报文给当前接入共享式以太网中的其他网络系统设备；同步时隙数据报文包含了时钟同步的授时信息和各设备ID以及对应的时隙信息；
共享式以太网中的其他网络系统设备从接收的同步时隙数据报文中提取与设备ID绑字的时隙ID，通过该同步时隙数据报文携带的授时信息与调度管理器的时钟进行同步；
共享式以太网中的各网络系统设备识别每个时隙ID，根据该时隙ID来匹配调度管理器下发给本网络系统设备的时隙ID，在时隙的起始时刻点，将调度对应到该时隙的用户数据无冲突的发送共享以太网总线链路上进行传输，从而实现共享式时间触发以太网通信传输。
其中，调度管理器设备上电就开启ARP协议通信，其他网络系统设备接入共享式以太网后先监听2个系统调度周期后，才启动ARP协议。
对于运行中间复位重启设备或者调度管理器关闭ARP协议后上电的设备，接入共享式以太网后先监听2个系统调度周期后，监控到共享式以太网有同步时隙数据报文传输，直接同步到共享式以太网中进行通信，并检测同步时隙数据报文携带未绑定网络系统设备的时隙，采用未绑定的时隙进行发送路由建立报文，调度管理器以及线上其他网络系统设备接收到路由建立报文后更新本地路由，同时调度管理器将上线设备的MAC地址进行映射分配对应的时隙，并在下一个周期发送同步时隙数据报文给新设备安排对应时隙。
附图说明
图1为实施例所示的一种在共享式以太网中实现高确定性的方法的示意图。
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。
在航空电子通信领域，尤其飞行控制、发动机控制以及机电控制领域对数据传输的确定性和安全性要求极高，传统以太网由于其不具备确定性无法应用到该环境中，现主流应用的TTP或者CAN由于其带宽扩展能力以及发展趋势不如以太网，本实施例提出了一种在共享式以太网中实现高确定性的方法可适用于航空电子通信领域，尤其是对高确定性的控制系统是具有极大的市场潜力的。
参见图1所示，本实施例所示的一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，可以应用于航空机载的飞行控制、发动机控制以及机电控制通信领域，包括采用初始化动态组建路由的ARP技术并构建完毕或者超时时间后禁用ARP协议切换到静态路由寻址方式，将以太网端口48位MAC地址映射8位设备ID号，并根据共享式以太网中各网络系统设备需求的通信流划分时隙，将时隙ID与8位设备ID号进行绑定，通过调度管理器在预定的系统调度周期起始时刻发送同步时隙数据报文，通过该报文携带的同步时间信息进行一次同步授时实现共享以太网的同步，各设备从接收的同步时隙数据报文中提取分配到本设备的时隙ID信息与系统调度周期的时隙相对应，时隙分配在设备端为互斥编排，不存在多个设备共享一个时隙。各设备的同步时钟在系统调度周期计时，计时到达对应的时隙的起始时刻点，将调度对应到该时隙的用户数据无冲突的发送共享以太网总线链路上进行传输，该共享式以太网中实现高确定性的方法的具体步骤如下：
·用户根据当前通信需求设定网络系统设备个数和系统调度周期。
●设定共享式以太网中某个网络系统设备作为调度管理器。
·整个共享式以太网上电后，调度管理器设备将加载预先设定的网络系统设备个数和系统调度周期配置参数。
·共享式以太网上电初始化初期，调度管理器通过ARP协议建立和收集接入到共享式以太网中的其它设备的MAC地址并构建静态路由。调度管理器设备上电就开启ARP协议通信，其他设备接入系统后先监听2个系统调度周期后，才启动ARP协议。
·调度管理器设备收集到设备MAC地址个数与预先配置的网络系统设备个数一致时或者静态路由构建超时后，调度管理器禁用ARP协议并切换到静态路由寻址方式，并且发送广播信息告诉其他设备将关闭ARP协议采用已构建的静态路由进行通信。
·调度管理器设备将收集的设备端口的48位MAC地址通过8位CRC计算出新的8位设备ID信息(在面向机载飞行控制、发动机控制以及机电控制领域，8位设备ID最多可集成28-1的255个设备远远大于现有的集成需求)，其它网络系统设备将本地48位MAC地址通过8位CRC计算得到8位设备ID值。
·调度管理器根据设定的网络系统设备个数或者所有网络系统设备的数据流个数在预先定义的系统调度周期划分出等长的时隙，并将对应时隙ID号与设备ID号绑定。
·调度管理器在系统调度周期起始时刻，发送同步时隙数据报文广播到当前接入共享式以太网的其他网络系统设备，其中，同步时隙数据报文包含了时钟同步的授时信息、各网络系统设备的8位设备ID对应的时隙ID；共享式以太网中其它网络系统设备通过该同步时隙数据报文携带的授时信息与调度管理器的时钟进行同步。
●对于运行中间复位重启设备或者调度管理器关闭ARP协议后上电的网络系统设备，接入系统后先监听2个系统调度周期后，监控到系统有同步时隙数据报文传输，直接同步到系统中进行通信，并检测同步时隙数据报文携带未绑定固定设备的时隙，采用未使用的时隙进行发送路由建立报文，调度管理器以及线上其他设备接收到路由建立报文，则更新本地路由，同时调度管理器将上线设备的MAC地址进行映射分配对应的时隙，并在下一个周期发送同步时隙数据报文给新设备安排对应通信时隙。
●共享式以太网中其它网络系统设备从接收的同步时隙数据报文中提取与本网络系统设备计算的8位CRC的ID值匹配一致的8位设备ID，并提取该设备ID号携带的时隙ID作为分配到本设备的时隙与本地同步时钟下系统调度周期的时隙相对应。
●共享式以太网中各网络系统设备在建立的全局同步时间一致性的情况下识别每个时隙和边界，在系统调度周期内部累计时隙ID，在某个绝对时间的时隙ID与调度管理器下发给本设备的时隙ID相同时发送调度。
●共享式以太网中其它网络系统设备的同步时钟在系统调度周期计时，计时到达对应的时隙的起始时刻点，将调度对应到该时隙的用户数据无冲突的发送共享以太网总线链路上进行传输，从而实现共享式时间触发以太网通信传输。
本实施例通过深入研究传统共享以太网网络通信特性以及航空电子通信领域的通信系统的需求特性，通过划分时隙，设计高确定性的接入通信方式，并实现数据流的冗余传输，极大的提高共享以太网的传输确定性和可靠性。同时航空电子全双工交换式以太网AFDX、时间触发以太网TTE以及光纤以太网等骨干网在航电系统中应用逐渐广泛，采用本实施例中高确定性共享以太网为机载控制系统提供通信服务，在实现同一个飞机系统中控制网络和航电骨干网络对接上，将极大提高通信效率，减少了协议转化的难度，降低开发成本。该方法极大的丰富了用户对于航空电子系统的机载总线时钟同步设计选型等环节的方法；同时该方法的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。

Claims (3)

1.一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，包含以下步骤：
在共享式以太网中选定一个网络系统设备作为调度管理器；
整个共享式以太网上电后，调度管理器加载预先设定的网络系统设备个数和系统调度周期配置参数；
在初始化初期，调度管理器通过ARP协议建立和收集接入到共享式以太网中的其它网络系统设备的MAC地址并构建静态路由；
当调度管理器收集到的网络系统设备的MAC地址个数与预先设定的网络系统设备个数一致时或者静态路由构建超时时，发送广播信息告诉共享式以太网中的其他网络系统设备将关闭ARP协议，采用已构建的静态路由进行通信；
调度管理器将各网络系统设备的MAC地址转换成唯一的设备ID；
调度管理器根据设定的网络系统设备个数在预先定义的系统调度周期划分出等长的时隙，并将对应时隙ID号与设备ID号绑定；
在系统调度周期起始时刻，调度管理器发送同步时隙数据报文给当前接入共享式以太网中的其他网络系统设备；同步时隙数据报文包含了时钟同步的授时信息和各设备ID以及对应的时隙信息；
共享式以太网中的其他网络系统设备从接收的同步时隙数据报文中提取与设备ID绑字的时隙ID，通过该同步时隙数据报文携带的授时信息与调度管理器的时钟进行同步；
共享式以太网中的各网络系统设备识别每个时隙ID，根据该时隙ID来匹配调度管理器下发给本网络系统设备的时隙ID，在时隙的起始时刻点，将调度对应到该时隙的用户数据无冲突的发送共享以太网总线链路上进行传输，从而实现共享式时间触发以太网通信传输。
2.根据权利要求1所述的一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，其特征在于调度管理器设备上电就开启ARP协议通信，其他网络系统设备接入共享式以太网后先监听2个系统调度周期后，才启动ARP协议。
3.根据权利要求1所述的一种在共享式以太网中实现高确定性的方法，其特征在于对于运行中间复位重启设备或者调度管理器关闭ARP协议后上电的设备，接入共享式以太网后先监听2个系统调度周期后，监控到共享式以太网有同步时隙数据报文传输，直接同步到共享式以太网中进行通信，并检测同步时隙数据报文携带未绑定网络系统设备的时隙，采用未绑定的时隙进行发送路由建立报文，调度管理器以及线上其他网络系统设备接收到路由建立报文后更新本地路由，同时调度管理器将上线设备的MAC地址进行映射分配对应的时隙，并在下一个周期发送同步时隙数据报文给新设备安排对应时隙。
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