CN112087356B - 一种兼容通用TTE的uTTE网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其中uTTE端系统上包含协议组包和解包模块、时间感知调度功能模块：协议组包和解包模块将应用产生的数据按照约定的配置进行UDP/IP/MAC三层协议打包以及对接收到的数据进行解包处理，打包好的数据帧按照不同虚通道先完成先进入方式进入到TT帧核心调度缓存等待调度；时间感知调度功能模块在计时器计时到达虚通道对应的TDMA周期中的发送时隙的开始时刻，从TT帧核心调度缓存取出一帧数据帧发送。本发明使每个端系统产生的、通过不同的虚通道传输的应用数据按照周期性的串行调度方式接入到交换机中，实现交换具备在无配置、无自学习模式下的确定性交换转发。

Description

一种兼容通用TTE的uTTE网络系统
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，涉及一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，以实现时间触发通信架构下以太网的高实时性和高确定性的通信。
背景技术
时间触发以太网(TTE)属于时间触发架构下的新一代航空机载总线，在引入了时钟同步机制的基础上建立了全局的网络同步时钟，通过确定性的时间触发通信机制保证无竞争的TT帧通信，极大提高了网络通信的时间确定性和实时性；同时支持事件触发通信帧的传输，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。
由于飞机电子系统中(航电、机电、飞控)各功能域内部的数据通信特性不同、各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，如RS422、232、A429、825、717、ARINC825、1553B、TTP、1394、AFDX等，通信种类多样导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高，电磁环境复杂。为了解决上述问题，需要通过采用统一协议体制在充分满足当前航电、机电、飞控等各功能域内部的数据通信需求基础上，实现各系统进一步综合需求以及无缝互联，简化系统架构设计。
同时上述提起的几种主流的航空机载总线网络，由于采用基于事件触发通信机制，网络的端系统随时接入通信，有消息即可发送，不可避免的造成传输竞争，给端到端数据流传输带来不可控的延时和抖动，无法满足新型的航空电子系统对不同时间关键性和安全性相关的分布式通信应用的需求。
一种兼容通用TTE的新型网络系统uTTE(简易时间触发以太网)可与标准的TTE网络架构协同同步，并与标准TTE架构形成两层网络架构，为航电延伸领域或者为航电和机电结合架构统一协议网络提供分层同协议的架构设计，分层架构之间可以通过规划实现基于统一时钟上的统一时间触发架构通信。
兼容通用TTE网络的uTTE网络系统为uTTE网络系统提供交换端口连接应用设备实现各设备间的通信，同时提供端口可以级联到实现航电系统通信的标准TTE网络中，实现跨功能域的统一协议设计。
发明内容
针对飞机电子系统各功能域内部采用不同的通信架构和通信协议进行传输，导致连接器种类多样、连线复杂、线缆重量大和成本高、互联互通设计复杂度高的问题，本发明的发明目的在于提供一种兼容通用TTE网络的uTTE网络系统，采用系统级的网络架构设计约束，设计每个uTTE端系统产生的、通过不同的虚通道传输的应用数据按照周期性的串行调度方式接入uTTE到交换机中，实现交换具备在无配置(标准TTE转发需要大量配置)、无自学习模式(以太网自学习交换路由)下的确定性交换转发，该机载总线可以胜任飞控和机电等实时性要求和安全性要求苛刻的控制分系统的应用场合，同时能过与采用通用TTE网络协议通信的航电网络进行无缝的互联对接。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，包括uTTE端系统和uTTE交换机，uTTE交换机的其中一个端口连接TTE网络的交换机，uTTE端系统连接在uTTE交换机的端口上，在uTTE端系统上包含协议组包和解包模块、时间感知调度功能模块、TT帧核心调度缓存用于uTTE端系统的应用数据发送；其中：
协议组包和解包模块将应用产生的数据按照约定的配置进行UDP/IP/MAC三层协议打包以及对接收到的数据进行解包处理，打包好的数据帧按照不同虚通道先完成先进入方式进入到TT帧核心调度缓存等待调度，存在不同虚通道的数据帧包同时完成时，则根据虚通道的先后排列顺序安排优先级高的先进入到TT帧核心调度缓存；其中，MAC层的地址字段采用虚通道ID组成，UDP端口、IP地址以及基于虚通道ID的组成MAC地址由通信端口映射获得；
时间感知调度功能模块在计时器计时到达虚通道对应的TDMA周期中的发送时隙S_slot的开始时刻，从TT帧核心调度缓存取出一帧数据帧发送。
优选地，时间感知调度功能模块在uTTE系统同步时钟基础上创建一个周期性的用于发送时隙感知的计时器，计时器计时到达TDMA周期中的发送时隙的开始时刻，启动调度使能，其他时刻调度器被禁能。
优选地，uTTE网络系统中每条虚通道将对应不同的TDMA周期，在对应TDMA分配一个独立的时间片，所有虚通道的TDMA周期的公倍数构成一个uTTE网络系统的系统调度周期，不同虚通道的数据按照串行顺序进行基于时隙感知的发送。
优选地，TDMA周期按两种方式来生成：1)、在接入到uTTE交换机上的uTTE端系统的个数基础上，按照带宽均分的方式来定义各设备的时隙的时间宽度，再由各设备端的时隙集装为一个整体的TDMA周期；2)、在接入到uTTE交换机上的uTTE端系统的个数基础上，各设备的时隙的时间宽度按等长设计，同时根据各设备实际负载情况来定义设备在TDMA周期内的时隙个数，再由各设备端的时隙集装为一个整体的TDMA周期。
优选地，uTTE交换机包含时间触发通信配置模块、交换模块、调度缓冲区用于交换机交换调度；其中：
时间触发通信配置模块为每条交换转发的数据流配置接收时隙、转发时隙以及输入输出端口映射的路由信息，并存储在本地供交换模块查询；
交换模块维护一个全局的基于同步时基的计时模块，在各接收端口对应的接收门隙打开门控，使接收端口上的数据有效通过，其它非接收时隙范围内数据视为时间特性异常的数据被丢弃；通过接收时隙的数据帧根据时间触发通信配置模块中的配置信息存入到对应的转发输出端口的调度缓冲区中；各转发端口在对应的转发门隙打开门控，从对应的调度缓冲区调度数据帧转发输出。
优选地，调度缓冲区采用单帧缓冲，即有效的转发数据帧按照新数据覆盖旧数据的采样存储模式实现调度缓冲区存放最新数据，最新数据到达时刻满足系统规划时间门控范围，从而实现数据帧进行调度转发进程。
优选地，uTTE端系统还包含端系统接收模块用于数据接收；
端系统接收模块采用二级过滤机制，在第一级过滤机制中，判断到达的数据帧是否在端系统对应的TDMA周期上的接收时隙，是则通过，否则视为无效时间特性的数据帧；在第二级过滤机制中，检查数据的虚通道是否符合本端系接收的虚通道范围，符合范围数据帧送入协议组包和解包模块进行协议解包。
优选地uTTE端系统上还包含端系统时钟源捕获模块、端系统SF同步授时处理模块，uTTE交换机还包含交换机时钟源捕获模块、交换机SF同步授时处理模块用于网络同步，uTTE网络系统采用二种同步模式：
模式1、uTTE交换机在与标准TTE架构集联情况下采用被动同步模式，uTTE交机作为uTTE网络中的主时钟设备，uTTE端系统作为uTTE网络中的从时钟设备；
交换机时钟源捕获模块在收到协议控制帧IN PCF后，将约定的标准的TTE交换机发送IN PCF帧的同步时刻偏移值加上IN PCF所帧携带的透明时钟值后的时钟值来设定本身的同步起始时间，交换机时钟源捕获模块将按照固定的同步周期实施统一步骤进行同步；uTTE交换机在进入同步状态下，在每个同步周期计时器的零时刻点向所有交换端口发送同步帧；
连接在uTTE交换机的所有交换端口上的uTTE端系统接收到SF同步帧后，该SF同步帧进入uTTE端系统的端系统SF同步授时处理模块完成同步授时；
端系统SF同步授时处理模块在接收到SF同步帧时，捕获SF同步帧信号上升沿时刻点到完成SF同步帧处理之间第一时延值，以及预先评估的uTTE交换机零时刻点到SF同步帧上升沿信号到链路的第二时延值，将第一时延值和第二时延值累加后的值设定为从时钟设备的当前同步周期计时开始时刻点。
模式2、当uTTE端系统在连续两个同步周期内都未接收到uTTE交换机发送的SF同步帧时，uTTE网络系统中预先定义好的uTTE端系统作为主时钟设备发起主动同步模式，其它uTTE端系统和uTTE交换机作为从时钟设备；
端系统时钟源捕获模块根据本地工作状态启动周期性的同步计时，在每个同步周期计时器的零时刻点向所有交换端口发送同步帧；
交换机时钟源捕获模块对连接在主时钟设备的端口上接收的数据帧进行分类识别，识别出SF同步帧，该同步帧进入交换机SF同步授时处理模块完成同步授时；
交换机SF同步授时处理模块和其他从时钟设备的端系统SF同步授时处理模块在接收到SF同步帧后的处理过程与被动同步模式下“端系统SF同步授时处理模块”设计一致。
本发明提供的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，采用系统级的网络架构设计约束，设计每个uTTE端系统产生的应用数据通过不同的虚通道传输并按照周期性的串行调度方式接入到uTTE交换机中，实现交换具备在无配置(标准AFDX网络交换转发需要大量配置)、无自学习模式(以太网自学习交换路由)下的确定性交换转发，可在一定程度上提高数据通信的时间确定性、实时性、可靠性和安全性满足实时性要求等级高的应用场合。该设计方法极大的丰富了用户对于基于时间触发架构下的航空机载总线选型、推动航空总线一体化的手段环节的方法。同时该专利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。
附图说明
图1为一种兼容通用TTE的uTTE网络系统的硬件结构示意图；
图2为通用TTE与uTTE网络系统的级联示意图。
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。
一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，参见图1、图2所示，包括uTTE端系统(DSP\ARM\FPGA等载体都可以承载)和uTTE交换机(由FPGA电路承载)，以及外围的存储器硬件和通信物理层接口硬件。uTTE交换机的其中一个端口连接TTE网络的交换机，uTTE端系统连接在uTTE交换机的端口上。
uTTE端系统上包含端系统时钟源捕获模块、端系统SF同步授时处理模块、协议组包和解包模块、时间感知调度功能模块、端系统接收模块、TT帧核心调度缓存等。
uTTE交换机包含交换机时钟源捕获模块、交换机SF同步授时处理模块、时间触发通信配置模块、交换模块、调度缓冲区等。
(一)同步功能环节
1、uTTE交换机在与标准TTE架构集联情况下采用被动同步模式，uTTE交机作为uTTE网络中的主时钟设备，uTTE端系统作为uTTE网络中的从时钟设备。
uTTE交换机捕获来自通用的TTE网络的同步时钟，并将该同步时钟作为uTTE系统内部的主时钟，通过uTTE交换机将该同步时钟进行广播授时给uTTE端系统，具体为：将uTTE交换机连接到标准的TTE交换机的任意同速率的端口，该uTTE交换机作为同步客户端设备监听来自标准的TTE交换机的协议控制帧IN PCF，在收到协议控制帧IN PCF后，交换机时钟源捕获模块将约定的标准的TTE交换机发送IN PCF帧的同步时刻偏移值加上IN PCF所帧携带的透明时钟值后的时钟值来设定本身的同步起始时间，交换机时钟源捕获模块将按照固定的同步周期实施统一步骤进行同步。uTTE交换机在进入同步状态下，在每个同步周期计时器的零时刻点向所有交换端口发送同步帧Sync Frame(SF)，SF同步帧按协议规定最短帧形式组帧保证最小的带宽消耗。
连接在uTTE交换机的所有交换端口上的uTTE端系统接收到SF同步帧后，该SF同步帧进入uTTE端系统的端系统SF同步授时处理模块完成同步授时。
端系统SF同步授时处理模块在接收到SF同步帧时，捕获SF同步帧信号上升沿时刻点到完成SF同步帧处理之间第一时延值，以及预先评估的uTTE交换机零时刻点到SF同步帧上升沿信号到链路的第二时延值，将第一时延值和第二时延值累加后的值设定为从时钟设备的当前同步周期计时开始时刻点。
2、当uTTE端系统在连续两个同步周期内都未接收到uTTE交换机发送的SF同步帧时，uTTE网络系统中预先定义好的uTTE端系统作为主时钟设备发起主动同步模式，其它uTTE端系统和uTTE交换机作为从时钟设备。
端系统时钟源捕获模块根据本地工作状态启动周期性的同步计时，在每个同步周期计时器的零时刻点向所有交换端口发送同步帧Sync Frame(SF)，SF的定义与“交换机时钟源捕获模块”设计一致。
交换机时钟源捕获模块对连接在主时钟设备的端口上接收的数据帧进行分类识别，识别出SF同步帧，该同步帧进入交换机SF同步授时处理模块完成同步授时。
交换机SF同步授时处理模块和其他从时钟设备的端系统SF同步授时处理模块在接收到SF同步帧后的处理过程与被动同步模式下“端系统SF同步授时处理模块”设计一致。uTTE网络系统为主动同步功能进行备份容错设计，定义uTTE网络系统的另一个uTTE端系统为“备份主时钟源设备”,当系统“主时钟源设备”失效，则切换到“备份主时钟源设备”发起主动同步功能。
(二)uTTE端系统的数据发送环节
协议组包和解包模块完成应用产生的数据按照约定的配置进行UDP/IP/MAC三层协议打包以及对接收到的数据进行解包处理，打包好的数据帧按照不同虚通道先完成先进入方式进入到TT帧核心调度缓存等待调度，存在不同虚通道的数据帧包同时完成时，则根据虚通道的先后排列顺序安排优先级高的先进入到TT帧核心调度缓存。
其中，UDP传输层协议、IP网络层协议以及MAC层协议采用以太网兼容的方式，剪裁了IP层的切片和组片的功能，MAC协议头的字节长度和组成方式与以太网保持一致，MAC层的地址字段采用虚通道ID组成。UDP端口、IP地址以及基于虚通道ID的组成MAC地址由通信端口映射获得。
时间感知调度功能模块在计时器计时到达虚通道对应的TDMA周期中的发送时隙S_slot的开始时刻，从TT帧核心调度缓存取出一帧数据帧发送。
时间感知调度功能模块在uTTE系统同步时钟基础上创建一个周期性的用于发送时隙感知的计时器。计时器对应计时周期为TDMA周期，需要感知的发送时隙为S_slot。计时器计时到达TDMA周期中的S_slot开始时刻，启动调度使能，其他时刻调度器被禁能。
不同于传统TTE，uTTE网络系统中每条虚通道将对应不同的TDMA周期，在对应TDMA分配一个独立的时间片。每个虚通道可定义不同的TDMA周期，所有虚通道的TDMA周期的公倍数构成一个uTTE网络系统的系统调度周期，在系统调度周期中一个端系统可在多条虚通道发送多个数据。不同虚通道的数据按照串行顺序进行基于时隙感知的发送，在每个系统调度周期(TDMA周期)中分配的唯一发送时隙使能一帧数据帧发送。
TDMA周期按两种方式来生成：
1、在接入到uTTE交换机上的uTTE端系统的个数基础上，按照带宽均分的方式来定义各设备的时隙的时间宽度，再由各设备端的时隙集装为一个整体的TDMA周期：即
TDMA周期＝交换端口数×最大帧长×8/通信速率bps。
考虑uTTE交换机的交换端口数采用通常主流的TTE交换机端口24个；
最大帧长参考当前主流机电和飞控控制领域常用的主流网络TTP和fleray帧长256字节；
标准的TTE可实现工作10/100/1000Mbps兼容模式，本发明举例采用TTE主流工作速率100Mbps来说明理念，根据需求该机制可灵活应用于10Mbps或者1Gbps工作速率模式。按上述模式取值初步的周期值得出24×256×8/100M＝491.52us，完全按照该值不适合定时调度，在提供一定的带宽资源余量基础上，考虑能被交换端口整除的情况下，将工作100Mbps速率并支持24端口交换的网络架构下的调度周期取值528us；同理工作在10Mbps和1Gbps下的取值分别5.28ms和52.8us。
2、在接入到uTTE交换机上的uTTE端系统的个数基础上，各设备的时隙的时间宽度按等长设计，同时根据各设备实际负载情况来定义设备在TDMA周期内的时隙个数，再由各设备端的时隙集装为一个整体的TDMA周期。
(三)uTTE交换机上的数据调度转发环节
时间触发通信配置模块为每条交换转发的数据流配置接收时隙、转发时隙以及输入输出端口映射的路由信息，并存储在本地供交换模块查询。
交换模块维护一个全局的基于同步时基的计时模块，在各接收端口对应的接收门隙打开门控，使接收端口上的数据有效通过，其它非接收时隙范围内数据视为时间特性异常的数据被丢弃；通过接收时隙的数据帧根据时间触发通信配置模块中的配置信息存入到对应的转发输出端口的调度缓冲区中；各转发端口在对应的转发门隙打开门控，从对应的调度缓冲区调度数据帧转发输出。其中，调度缓冲区采用单帧缓冲，即有效的转发数据帧按照新数据覆盖旧数据的采样存储模式实现调度缓冲区存放最新数据，最新数据到达时刻满足系统规划时间门控范围，从而实现数据帧进行调度转发进程。
(四)uTTE端系统的数据接收环节
端系统接收模块采用二级过滤机制，在第一级过滤机制中，判断到达的数据帧是否在端系统对应的TDMA周期上的接收时隙，是则通过，否则视为无效时间特性的数据帧；在第二级过滤机制中，检查数据的虚通道是否符合本端系接收的虚通道范围，符合范围数据帧送入协议组包和解包模块进行协议解包，协议中的余度处理按照的模式识别。
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 (8)

1.一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，uTTE为简易时间触发以太网，包括uTTE端系统和uTTE交换机，uTTE交换机的其中一个端口连接TTE网络的交换机，uTTE端系统连接在uTTE交换机的端口上，其特征在于在uTTE端系统上包含协议组包和解包模块、时间感知调度功能模块、TT帧核心调度缓存；
协议组包和解包模块将应用产生的数据按照约定的配置进行UDP/IP/MAC三层协议打包以及对接收到的数据进行解包处理，打包好的数据帧按照不同虚通道先完成先进入方式进入到TT帧核心调度缓存等待调度，存在不同虚通道的数据帧包同时完成时，则根据虚通道的先后排列顺序安排优先级高的先进入到TT帧核心调度缓存；其中，MAC层的地址字段采用虚通道ID组成，UDP端口、IP地址以及基于虚通道ID的组成MAC地址由通信端口映射获得；
时间感知调度功能模块在计时器计时到达虚通道对应的TDMA周期中的发送时隙的开始时刻，从TT帧核心调度缓存取出一帧数据帧发送。
2.根据权利要求1所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于时间感知调度功能模块在uTTE系统同步时钟基础上创建一个周期性的用于发送时隙感知的计时器，计时器计时到达TDMA周期中的发送时隙的开始时刻，启动调度使能，其他时刻调度器被禁能。
3.根据权利要求1所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于：uTTE网络系统中每条虚通道将对应不同的TDMA周期，在对应TDMA分配一个独立的时间片，所有虚通道的TDMA周期的公倍数构成一个uTTE网络系统的系统调度周期，不同虚通道的数据按照串行顺序进行基于时隙感知的发送。
4.根据权利要求1所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于：TDMA周期按两种方式来生成：1)、在接入到uTTE交换机上的uTTE端系统的个数基础上，按照带宽均分的方式来定义各设备的时隙的时间宽度，再由各设备端的时隙集装为一个整体的TDMA周期；2)、在接入到uTTE交换机上的uTTE端系统的个数基础上，各设备的时隙的时间宽度按等长设计，同时根据各设备实际负载情况来定义设备在TDMA周期内的时隙个数，再由各设备端的时隙集装为一个整体的TDMA周期。
5.根据权利要求1所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于uTTE交换机包含时间触发通信配置模块、交换模块、调度缓冲区；
时间触发通信配置模块为每条交换转发的数据流配置接收时隙、转发时隙以及输入输出端口映射的路由信息，并存储在本地供交换模块查询；
交换模块维护一个全局的基于同步时基的计时模块，在各接收端口对应的接收门隙打开门控，使接收端口上的数据有效通过，其它非接收时隙范围内数据视为时间特性异常的数据被丢弃；通过接收时隙的数据帧根据时间触发通信配置模块中的配置信息存入到对应的转发输出端口的调度缓冲区中；各转发端口在对应的转发门隙打开门控，从对应的调度缓冲区调度数据帧转发输出。
6.根据权利要求5所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于调度缓冲区采用单帧缓冲，即有效的转发数据帧按照新数据覆盖旧数据的采样存储模式实现调度缓冲区存放最新数据，最新数据到达时刻满足系统规划时间门控范围，从而实现数据帧进行调度转发进程。
7.根据权利要求1所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于uTTE端系统还包含端系统接收模块；
端系统接收模块采用二级过滤机制，在第一级过滤机制中，判断到达的数据帧是否在端系统对应的TDMA周期上的接收时隙，是则通过，否则视为无效时间特性的数据帧；在第二级过滤机制中，检查数据的虚通道是否符合本端系接收的虚通道范围，符合范围数据帧送入协议组包和解包模块进行协议解包。
8.根据权利要求1所述的一种兼容通用TTE的uTTE网络系统，其特征在于uTTE端系统上还包含端系统时钟源捕获模块、端系统SF同步授时处理模块，uTTE交换机还包含交换机时钟源捕获模块、交换机SF同步授时处理模块；uTTE网络系统采用二种同步模式：
模式1、uTTE交换机在与标准TTE架构集联情况下采用被动同步模式，uTTE交换 机作为uTTE网络中的主时钟设备，uTTE端系统作为uTTE网络中的从时钟设备；
交换机时钟源捕获模块在收到协议控制帧IN PCF后，将约定的标准的TTE交换机发送IN PCF帧的同步时刻偏移值加上IN PCF所帧携带的透明时钟值后的时钟值来设定本身的同步起始时间，交换机时钟源捕获模块将按照固定的同步周期实施统一步骤进行同步；uTTE交换机在进入同步状态下，在每个同步周期计时器的零时刻点向所有交换端口发送同步帧；
连接在uTTE交换机的所有交换端口上的uTTE端系统接收到SF同步帧后，该SF同步帧进入uTTE端系统的端系统SF同步授时处理模块完成同步授时；
端系统SF同步授时处理模块在接收到SF同步帧时，捕获SF同步帧信号上升沿时刻点到完成SF同步帧处理之间第一时延值，以及预先评估的uTTE交换机零时刻点到SF同步帧上升沿信号到链路的第二时延值，将第一时延值和第二时延值累加后的值设定为从时钟设备的当前同步周期计时开始时刻点；
模式2、当uTTE端系统在连续两个同步周期内都未接收到uTTE交换机发送的SF同步帧时，uTTE网络系统中预先定义好的uTTE端系统作为主时钟设备发起主动同步模式，其它uTTE端系统和uTTE交换机作为从时钟设备；
端系统时钟源捕获模块根据本地工作状态启动周期性的同步计时，在每个同步周期计时器的零时刻点向所有交换端口发送同步帧；
交换机时钟源捕获模块对连接在主时钟设备的端口上接收的数据帧进行分类识别，识别出SF同步帧，该同步帧进入交换机SF同步授时处理模块完成同步授时；
交换机SF同步授时处理模块和其他从时钟设备的端系统SF同步授时处理模块在接收到SF同步帧后的处理过程与被动同步模式下“端系统SF同步授时处理模块”设计一致。
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