CN111049667A - 一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法 - Google Patents

一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111049667A
CN111049667A CN201911006763.6A CN201911006763A CN111049667A CN 111049667 A CN111049667 A CN 111049667A CN 201911006763 A CN201911006763 A CN 201911006763A CN 111049667 A CN111049667 A CN 111049667A
Authority
CN
China
Prior art keywords
time
data frame
scheduling
matrix
link
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911006763.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111049667B (zh
Inventor
杨佳利
朱纪洪
刘兆沛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201911006763.6A priority Critical patent/CN111049667B/zh
Publication of CN111049667A publication Critical patent/CN111049667A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111049667B publication Critical patent/CN111049667B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/08—Configuration management of networks or network elements
    • H04L41/0803—Configuration setting
    • H04L41/0823—Configuration setting characterised by the purposes of a change of settings, e.g. optimising configuration for enhancing reliability
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/50—Network services
    • H04L67/60—Scheduling or organising the servicing of application requests, e.g. requests for application data transmissions using the analysis and optimisation of the required network resources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

Abstract

本发明提供了一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，属于机载网络通信技术领域。时间触发通信任务离线调度问题是一个资源受限的调度优化问题，涉及了链路资源冲突、时序性要求、传输延迟等条件约束。本发明结合时间触发以太网通信过程的特点，将通信任务调度问题转化为链路资源和时间组成的二维空间下数据帧组合排列问题，将数据帧传输过程固定，对待求解变量进行离散化表示，简化了传输时延约束、时序约束以及链路冲突约束等限制，有利于降低优化问题的求解难度。该发明可以显著减小交换式时间触发以太网通信任务调度优化的复杂性，有利于节省问题的求解时间，提高效率。

Description

一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法
技术领域
本发明属于机载网络通信技术领域，涉及一种通信任务离线调度优化方法。
背景技术
由时间触发以太网通信原理可知，在全局统一时间基准下，根据预先设定的通信任务调度表进行有序通信和数据传输。因此，通信任务调度优化算法性能也是影响时间触发以太网通信性能的重要因素。时间触发以太网采用的是交换网结构，网络节点的拓扑关系不像总线式网络一样简单、固定，时间触发以太网的通信任务调度需要同时考虑时间和链路的使用情况，变成一个多维优化问题。除了解决资源冲突外，还要注意通信路径和资源利用率等问题，给通信任务调度问题的建模和求解增大了复杂性和难度。网络通信任务调度问题属于资源受限的项目调度优化问题，本身就是一类难以求解的优化问题，其中还涉及很多约束条件，如链路传输延迟的影响以及并发通信任务的资源冲突等，求解难度更大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，以解决交换式时间触发以太网通信任务离线调度问题。
一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.初始化设置：根据网络拓扑结构、数据帧信息(帧长度、通信周期、链路传输过程和时序约束条件等)和调度时间单位τ，确定通信任务的集群周期C，物理传输链路数量nL，然后完成以下初始化操作：
生成行数为2×nL，列数为C/τ，初值为0的二维矩阵，称为资源调度矩阵，所述资源调度矩阵每一行对应一个物理传输链路的一个传输方向，所述资源调度矩阵每一列按照先后顺序依次对应集群周期内按照调度时间单位划分的时间片段；
将第i个数据帧(1≤i≤nD，nD为数据帧个数)表征为行数为2×nL，列数为
Figure BDA0002243008300000021
初值为0的二维矩阵，称为消息矩阵，其中，Ti为第i个数据帧的发送周期，
Figure BDA0002243008300000022
为第i个数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数；在一个集群周期内，将第i个数据帧的起始发送时刻对应至所述消息矩阵第1列，按照相对时间不变的原则，依次将第i个数据帧传输过程中所占用的链路传输方向和时刻对应的所述消息矩阵元素值置为1；
S2.建立优化目标：假设第i个数据帧(1≤i≤nD，nD为数据帧个数)的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为φi，其取值范围为
Figure BDA0002243008300000023
区间内的整数，判断以下约束条件是否满足：
根据数据帧起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量，判断存在时序约束关系的数据帧是否满足时序约束条件；
根据数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量和所述消息矩阵，依次将数据帧的所述消息矩阵累加至所述资源调度矩阵，具体方法如下：对于第i个数据帧(1≤i≤nD)，将第i个数据帧对应的所述消息矩阵，累加至所述资源调度矩阵的第φi列至第
Figure BDA0002243008300000024
列；以此类推，将所有数据帧的所述消息矩阵累加至所述资源调度矩阵；计算完成后，判断所述资源调度矩阵每个元素的数值是否大于1，若存在元素值大于1的情况表示数据帧传输过程中存在链路冲突，不满足链路冲突约束条件；
S3.离线调度优化问题求解：以数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为待求解变量，以数据帧时序约束和链路冲突约束为优化目标，选取合适的优化方法求解时间触发以太网通信任务离线调度问题。
可选的，所述步骤S1中所述的数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数的具体计算方法如下：认为数据帧的物理链路传输过程在时间上是连续的，没有物理链路等待时间，数据帧自起始发送节点发送后，到达对应交换节点后可直接进行转发，直到数据帧最后到达目的节点，将数据帧传输过程中每个物理链路传输所占用的调度时间单位个数相加结果作为所述的数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数。
本发明采用以上技术方案即可求解交换式时间触发以太网的通信任务离线调度优化问题，提出了将交换式网络通信任务离线调度问题转化为时间-链路二维空间下的数据帧组合排列问题的求解思路，以数据帧起始节点的发送时间偏移量为待求解变量，将数据帧的时间和链路传输过程固定，简化系统中发送时间、链路冲突、传输时序等约束条件，降低了问题的求解复杂程度和难度。本发明所提出的时间触发以太网通信任务离线调度优化方法具有简化问题求解难度、易于实现、提高效率等优点。
附图说明
图1：本发明的原理示意图。
图2：时间触发以太网系统示例。
图3：调度结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。
为便于理解时间触发以太网通信任务调度优化问题，此处以图2所示时间触发以太网原型系统为例，介绍一下时间触发消息的通信任务需求及优化问题。
S1.初始化设置：假设系统中存在如表1所示的时间触发通信数据帧，其通信周期、起始节点、目的节点、通信链路、帧长、实时性要求均已给出。根据网络拓扑结构、数据帧信息(帧长度、通信周期、链路传输过程和时序约束条件等)，确定调度任务的集群周期C＝20ms，物理传输链路数量nL＝7和调度时间单位τ＝0.1ms。
表1通信任务列表
Figure BDA0002243008300000031
Figure BDA0002243008300000041
生成初始值为零，行数为14，列数为200的资源调度矩阵；
生成消息矩阵，下面分别以数据帧m1、m4、m11为例介绍消息矩阵实现过程中的注意细节：首先，对于数据帧m1，由其起始节点和目的节点可知
Figure BDA0002243008300000042
则其消息矩阵行数为14，列数为153，则其可由式(1)表示(仅列出了元素值非0的行和列)；对于数据帧m4，由于其数据帧长度较大，一个物理传输链路需要占用2个调度时间单位，一共有3个物理传输链路，因此总的传输过程需要6个调度时间单位，为此，
Figure BDA0002243008300000043
则其消息矩阵行数为14，列数为6，可由(2)表示(仅列出了元素值非0的行)；对于数据帧m11，其是一个多播数据帧，在消息矩阵表征时可由式(3)表示(仅列出了元素值非0的行和列)；
Figure BDA0002243008300000044
Figure BDA0002243008300000045
Figure BDA0002243008300000046
S2.建立优化目标：数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量是待求解变量，由优化算法给出，其初始值可以随机给定或人为设定，假设初值已确定，则判断以下约束条件是否满足：
根据数据帧起始发送时刻，判断存在时序约束关系的数据帧是否满足时序约束条件；
根据数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量和所述消息矩阵，依次将数据帧的消息矩阵累加至资源调度矩阵，以数据帧m1为例，其起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量φ1的取值范围为[0,46]范围内的整数，不失一般性地假设φ1＝5，则将消息m1的消息矩阵加至资源调度矩阵的第5列至157列；以此类推，将所有数据帧的消息矩阵累加至资源调度矩阵；计算完成后，判断资源调度矩阵每个元素的数值是否大于1，若存在元素值大于1的情况表示数据帧传输过程中存在链路冲突，不满足链路冲突约束条件；
S3.离线调度优化问题求解：以数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为待求解变量，以数据帧时序约束和链路冲突约束为优化目标，选取合适的优化方法求解时间触发以太网通信任务离线调度问题。
此处选取对组合优化问题求解能力较强的和声搜索算法进行求解，和声搜索算法属于智能随机搜索算法，对于组合优化问题具有求解能力强、收敛速度快、优化精度高等优势。针对时间触发以太网通信任务调度优化问题，将每个消息的偏移量组成的向量设置为和声的组合参数，每个维度的搜索空间由其对应的消息发送时间约束范围决定。将链路资源约束和通信任务时序约束的判断结果按照惩罚函数的形式作为优化目标。利用上述方法即可实现交换式时间触发以太网的通信任务离线调度优化，图3是一种调度结果的示意，图3中矩阵内数字表示数据帧的数字序号。

Claims (2)

1.一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.初始化设置：根据网络拓扑结构、数据帧信息(帧长度、通信周期、链路传输过程和时序约束条件等)和调度时间单位τ，确定通信任务的集群周期C，物理传输链路数量nL，然后完成以下初始化操作：
生成行数为2×nL，列数为C/τ，初值为0的二维矩阵，称为资源调度矩阵，所述资源调度矩阵每一行对应一个物理传输链路的一个传输方向，所述资源调度矩阵每一列按照先后顺序依次对应集群周期内按照调度时间单位划分的时间片段；
将第i个数据帧(1≤i≤nD，nD为数据帧个数)表征为行数为2×nL，列数为
Figure FDA0002243008290000011
初值为0的二维矩阵，称为消息矩阵，其中，Ti为第i个数据帧的发送周期，
Figure FDA0002243008290000012
为第i个数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数；在一个集群周期内，将第i个数据帧的起始发送时刻对应至所述消息矩阵第1列，按照相对时间不变的原则，依次将第i个数据帧传输过程中所占用的链路传输方向和时刻对应的所述消息矩阵元素值置为1；
S2.建立优化目标：假设第i个数据帧(1≤i≤nD，nD为数据帧个数)的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为φi，其取值范围为
Figure FDA0002243008290000013
区间内的整数，判断以下约束条件是否满足：
根据数据帧起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量，判断存在时序约束关系的数据帧是否满足时序约束条件；
根据数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量和所述消息矩阵，依次将数据帧的所述消息矩阵累加至所述资源调度矩阵，具体方法如下：对于第i个数据帧(1≤i≤nD)，将第i个数据帧对应的所述消息矩阵，累加至所述资源调度矩阵的第φi列至第
Figure FDA0002243008290000014
列；以此类推，将所有数据帧的所述消息矩阵累加至所述资源调度矩阵；计算完成后，判断所述资源调度矩阵每个元素的数值是否大于1，若存在元素值大于1的情况表示数据帧传输过程中存在链路冲突，不满足链路冲突约束条件；
S3.离线调度优化问题求解：以数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为待求解变量，以数据帧时序约束和链路冲突约束为优化目标，选取合适的优化方法求解时间触发以太网通信任务离线调度问题。
2.根据权利要求1中所述的时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数的具体计算方法如下：认为数据帧的物理链路传输过程在时间上是连续的，没有物理链路等待时间，数据帧自起始发送节点发送后，到达对应交换节点后可直接进行转发，直到数据帧最后到达目的节点，将数据帧传输过程中每个物理链路传输所占用的调度时间单位个数相加结果作为所述的数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数。
CN201911006763.6A 2019-10-22 2019-10-22 一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法 Active CN111049667B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911006763.6A CN111049667B (zh) 2019-10-22 2019-10-22 一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911006763.6A CN111049667B (zh) 2019-10-22 2019-10-22 一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111049667A true CN111049667A (zh) 2020-04-21
CN111049667B CN111049667B (zh) 2021-03-16

Family

ID=70232543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911006763.6A Active CN111049667B (zh) 2019-10-22 2019-10-22 一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111049667B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113806027A (zh) * 2020-06-15 2021-12-17 广州虎牙信息科技有限公司 任务编排方法、装置、电子设备和计算机可读存储介质
CN114531444A (zh) * 2022-01-28 2022-05-24 西安电子科技大学 一种冲突程度递减的增量化调度表生成方法
US11451492B2 (en) 2020-12-22 2022-09-20 Honeywell International Inc. Methods, systems, and apparatuses for enhanced parallelism of time-triggered ethernet traffic using interference-cognizant network scheduling
US11526787B1 (en) 2021-06-18 2022-12-13 Shanghai Jiao Tong University Knowledge inference engine system and method of implementation

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2258082A1 (de) * 2008-04-03 2010-12-08 FTS Computertechnik Gmbh Verfahren zur sicheren dynamischen bandbreitenallokation in tt-ethernet
CN108768865A (zh) * 2018-05-24 2018-11-06 西安电子科技大学 支持多播业务的时间触发业务调度表生成方法
CN108848146A (zh) * 2018-05-25 2018-11-20 西安云维智联科技有限公司 一种基于时间触发通信业务的调度优化方法
CN109743144A (zh) * 2018-12-14 2019-05-10 西安电子科技大学 基于时间触发以太网的静态调度表生成方法、航电系统
CN109818876A (zh) * 2019-03-11 2019-05-28 西安电子科技大学 全局最优化时间触发业务调度表的生成方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2258082A1 (de) * 2008-04-03 2010-12-08 FTS Computertechnik Gmbh Verfahren zur sicheren dynamischen bandbreitenallokation in tt-ethernet
CN108768865A (zh) * 2018-05-24 2018-11-06 西安电子科技大学 支持多播业务的时间触发业务调度表生成方法
CN108848146A (zh) * 2018-05-25 2018-11-20 西安云维智联科技有限公司 一种基于时间触发通信业务的调度优化方法
CN109743144A (zh) * 2018-12-14 2019-05-10 西安电子科技大学 基于时间触发以太网的静态调度表生成方法、航电系统
CN109818876A (zh) * 2019-03-11 2019-05-28 西安电子科技大学 全局最优化时间触发业务调度表的生成方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MARYAM PAHIEVAN等: "Genetic algorithm for scheduling time-triggered traffic in time-sensitive networks", 《2018 IEEE 23RD INTERNATIONAL CONFERENCE ON EMERGING TECHNOLOGIES AND FACTORY AUTOMATION》 *
YULONG ZHAN: "A more scalable scheduling algorithm for FPGA-based time-triggered network", 《2018 IEEE 37TH INTERNATIONAL PERFORMANCE COMPUTING AND COMMUNICATIONS COFERENCE》 *
芦伟等: "时间触发以太网确定性调度设计与研究", 《计算机测量与控制》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113806027A (zh) * 2020-06-15 2021-12-17 广州虎牙信息科技有限公司 任务编排方法、装置、电子设备和计算机可读存储介质
CN113806027B (zh) * 2020-06-15 2023-12-12 广州虎牙信息科技有限公司 任务编排方法、装置、电子设备和计算机可读存储介质
US11451492B2 (en) 2020-12-22 2022-09-20 Honeywell International Inc. Methods, systems, and apparatuses for enhanced parallelism of time-triggered ethernet traffic using interference-cognizant network scheduling
US11526787B1 (en) 2021-06-18 2022-12-13 Shanghai Jiao Tong University Knowledge inference engine system and method of implementation
CN114531444A (zh) * 2022-01-28 2022-05-24 西安电子科技大学 一种冲突程度递减的增量化调度表生成方法
CN114531444B (zh) * 2022-01-28 2023-03-10 西安电子科技大学 一种冲突程度递减的增量化调度表生成方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111049667B (zh) 2021-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111049667B (zh) 一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法
US10476697B2 (en) Network-on-chip, data transmission method, and first switching node
CN109818792B (zh) 一种基于二阶线性系统时变耦合复杂动态网络模型的控制器
CN110990140B (zh) 一种光电交换网络中分布式机器学习流的调度方法
JP2002259352A (ja) マルチプロセッサシステム装置
Zhan et al. Pipe-torch: Pipeline-based distributed deep learning in a gpu cluster with heterogeneous networking
CN106162680A (zh) 扩容参数确定方法及装置
CN114422448A (zh) 一种时间敏感网络流量整形方法
CN102546417A (zh) 基于网络信息的片上网络路由器调度方法
CN111193971A (zh) 一种面向机器学习的分布式计算互连网络系统及通信方法
CN111245730B (zh) 一种片上网络的路由系统及通信方法
CN114465945A (zh) 一种基于sdn的标识解析网络构建方法
CN113268841B (zh) 一种知识推理引擎系统及实现方法
Mozumdar et al. An Efficient Data Aggregation Algorithm for Cluster-based Sensor Network.
CN107872385B (zh) 一种sdn网络路由计算与控制方法
US7542464B2 (en) Switching network
WO2023109445A1 (zh) 一种基于时间触发以太网的业务调度方法
CN113098765B (zh) 一种车载智能网关及其轮询调度方法
Tian et al. A virtual channels scheduling algorithm with broad applicability based on movable boundary
CN103986633B (zh) 基于1394b多子网传输结构的子网划分方法
CN110719183B (zh) 实时软件定义工业网络传输优先级动态调整方法与系统
JP6039592B2 (ja) 動的帯域割当を行うネットワークで用いられるスケジューラ及びプログラム
Li et al. A Time Synchronization Method Based on Clustering Algorithm for Industrial Time-Sensitive Networks
Zhu et al. Communication scheduling design of multi-agent system based on improved Greedy algorithm
Xia et al. A routing protocol for congestion control in RFID wireless sensor networks based on stackelberg game with sleep mechanism

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant