CN112565107A - 基于自适应双冗余的tte调度通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天通信领域，为提高网络可用资源利用率，降低网络延迟，进一步保证时间触发以太网的实时性。本发明，基于自适应双冗余的TTE调度通信方法，采用冗余至节点的双以太网结构，每个节点配备了两个完全独立的网络接口，传输混合流量TT(time‑triggered)流，RC(rate‑constrained)流，BE(best‑effort)流，具体如下：TT流按照周期调度、左端紧缩原则生成TT流的周期调度表，RC、BE流按照混合调度原则；采用双冗余分散传输，在发送端对分类好的的报文按照混合调度的原则进行周期调度表设计，各节点通道按照各自的周期调度表进行发送。本发明主要应用于TTE调度通信场合。
Description
技术领域
本发明属于航天通信领域，时间触发以太网领域，具体涉及基于自适应双冗余的TTE调度通信方法。
背景技术
时间触发以太网(Time-triggered Ethernet，TTE)是一种高实时性业务与传统尽力业务相结合的高速、实时、容错以太网网络通信新技术，在航天领域的传输技术应用方面具有很高的价值。时间触发以太网利用同步控制器SM(synchronization master)，同步客户端SC (synchronization client)，压缩控制器CM(compression master)三种基础设施保障整个网络的时间同步。合理的时间规划以及时刻调度表的设计，使TTE网络中的不同信息流合理传输，减少延迟，避免链路争抢以及冲突下重要信息在时间窗的碰撞丢失。目前国内外的研究集中在 TTE(time-triggered Ethernet)网络的调度设计。
时间触发以太网对混合流量进行合理调度，实现不同任务流的无冲突复合，避免数据帧对链路的争抢，保证通信任务的实时性与准确性。该网络广泛应用于航天领域，提高航天以太网的信息准确性与实时性
当网络发生故障时，传统的冗余链路切换时间较长，开销大，难以满足航天领域应用要求。基于PRP协议，两个节点同时在两个链路上传输数据，虽然无链路切换时间和故障恢复时间，但是这种方法协议复杂，增加了网络报文数量，丢弃算法丢弃冗余报文，使用丢弃窗口也会带来网络延迟。
发明内容
为克服现有技术的不足，针对TTE(time-triggered Ethernet，TTE)网络对业务安全性与对业务实时性要求高的问题，本发明旨在提出新的调度规划方法，提高网络可用资源利用率，降低网络延迟，进一步保证时间触发以太网的实时性。为此，本发明采取的技术方案是，基于自适应双冗余的TTE调度通信方法，采用冗余至节点的双以太网结构，每个节点配备了两个完全独立的网络接口，传输混合流量TT(time-triggered)流，RC(rate-constrained) 流，BE(best-effort)流，具体如下：
TT流按照周期调度、左端紧缩原则生成TT流的周期调度表，RC、BE流按照混合调度原则，在每个基本周期TT流发送完的空闲区域发送，同时RC流具有比BE流更高的优先级，优先在空闲区域发送RC流，随后发送BE流；
终端对网络中的报文根据实时性、可靠性和响应时间需求的不同，将报文分成重要报文和次要报文，对于重要报文TT双冗余备份传输，次要报文RC、BE经过终端分类，采用双冗余分散传输，在发送端对分类好的的报文按照混合调度的原则进行周期调度表设计，各节点通道按照各自的周期调度表进行发送。
具体步骤如下：
(1)TTE流量混合调度原则
混合调度模式的TTE周期调度表设计：若干个基本周期BC(Basic Cycle)组成一个TT 的矩阵周期MC(Matrix Cycle)，基本周期是所有TT流周期的最大公约数，矩阵周期是所有 TT流周期的最小公倍数，周期调度表从纵向来看，是并列的n个基本周期，依次首尾相连， n个基本周期的总时间是矩阵周期的时间长度，从横向上看，每个基本周期都是由前半部分的TT帧与后半部分的RC+BE帧组成的；
根据发送任务表与接收端的接收先后条件，对所有TT任务进行复合表的生成，生成时间调度表需要满足如下几个原则：
①左端紧缩原则，尽量TT帧放在左边时间段，TT帧占用的越小，用于传输其他信息的空间就越大；
②周期为2mms相同的不同TT任务满足在周期调度表上按照2m-1-1纵向间隔排列；
③根据复合表分配各端口周期调度表，以保证TT流在交换机中无冲突复合；
(2)TT流离线周期调度表设计
用于分析调度表生成：两个发送终端A和B，对于两个TTE网络交换机S1和SS1，三个接收终端C、D和E；
发送端A，B的TT流发送任务表如表1，2所示，三个TT流，分别发往不同的目的终端。
表1发送端发送任务表
表2接收顺序约束表
在已知发送端的发送任务的前提下，还需要确定接收端C，D，E接收不同发送端TT流的先后顺序，接收顺序约束如表3所示：
表3接收顺序约束表
根据已知的A、B两个发送端的发送任务情况，接收端接收情况以及周期调度表的生成规则，对有两个集群的任务表生成无冲突复合表，根据发送任务表中TT帧的周期长度，得出基本周期BC，矩阵周期MC，按照不同的顺序排列，剩余的可用空间大小不同，对生成各种表格的剩余空闲区域进行比较，使用剩余空间最大的表即为最优周期调度表，在时钟同步的前提下按照复合表实现无冲突复合；
单级非双冗余网络有n个发送端，n个交换机，n个接收端，一个发送端在n个交换机中任选其中一个进行连接。每个发送端发送m个RC信息流。接收端可接收多个交换机的转发信息。由同一发送端发往任一交换机最多有m个RC流。在接收端，极限情况下，所有交换机转发的RC流目的端相同，则该终端接收到的RC流数量为n·m个。
在发送过程中，受到最大带宽分配间隔的限制。在一个基本周期中，发送完所有需发送 TT流后，再多发送一个RC流即造成堵塞，在这种情况下，一个基本周期内的延迟为：
l1＝lTT+SRC·max/C (1)
其中，lTT为一个基本周期内配置的TT流发送长度，C为链路物理速率，
表示每个RC流的最大帧长度，大小取[64,1518]字节。从而，在非自适应双冗余网络结构中，极限情况下源端的延迟上界为：
式中，任一RC流的到达曲线表示为
服务曲线可表示为
表示RC需要满足的最大带宽分配间隔。lBC为基本周期中TT所在占的时间长度。
极限情况下一节点的的延迟上界为：
单级自适应双冗余的网络拓扑中冗余网络交换机增加为2n个，同时发送端与接收端的端口连接线相应增加。
在自适应双冗余拓扑中，由于发送端双网发送RC流，则在两个通道中平分m个RC流，在极限情况下，同一接收端最多接收到的RC流数量mn/2。m个信息流经过双通道处理，分散进行发送，每个通道分别发送m/2或者(m+1)/2或者(m-1)/2，这取决于该数量m的奇偶性，这里以m为偶数作进一步的性能分析。
在自适应双冗余网络结构中，极限情况下源端的延迟上界为：
极限情况下一节点的的延迟上界为：
本发明的特点及有益效果是：
TTE自适应双冗余网络通过重要信息(TT)的时间标签，实现网络故障时，可以自适应的零故障恢复时间的信息传输，根据时间标签处理冗余报文，提高系统的实时性，无需网络故障冗余链路切换以及丢弃窗口对网络延迟造成的影响，同时，自适应的判断网络报文信息重要性并进行分类，针对不同报文采取不同的信息调度方式，次要报文在网络状态良好时在双网分散传输，有效降低了网络的通信负荷，提高网络带宽利用率。
附图说明：
图1冗余结构图。
图2TTE基本周期与矩阵周期示意图。
图3自适应双以太网冗余拓扑结构。
图4无冲突复合表。
图5TTE单级网络拓扑图。a非自适应双冗余，b自适应双冗余。
图6单级网络拓扑延迟比较。
图7TTE多级网络拓扑图。a非自适应双冗余，b自适应双冗余。
图8多级网络拓扑延迟比较。
图9延迟比较。
图10无冲突复合表。
图11发送端A调度表。
图12发送端B调度表。
图13本发明通信流程图。
具体实施方式
一、实现结构
本发明的实现结构如图1所示。
采用冗余至节点的双以太网结构，每个节点配备了两个完全独立的网络接口，构成了A、 B两个独立以太网物理通道。报文同时在A、B两个网络上发送，当一个通道出现故障时，发送节点仍能通过另一个通道及时发送报文，实现零故障恢复时间。
TTE网络采用混合流量传输模式，传输流量按照时间关键特性分为时间触发(time-triggered，TT)流量，速率受限(rate-constrained，RC)流量，尽力传(best-effort，BE)流量三种。TT流、RC流、BE流传输遵循的调度规则不同，优先级也不同。
二、理论依据
(1)TTE流量混合调度原则
混合调度模式的TTE周期调度表设计如图2所示，若干个基本周期BC(BasicCycle) 组成一个TT的矩阵周期MC(Matrix Cycle)。基本周期是所有TT流周期的最大公约数，矩阵周期是所有TT流周期的最小公倍数。周期调度表从纵向来看，是并列的n个基本周期，依次首尾相连，n个基本周期的总时间是矩阵周期的时间长度。从横向上看，每个基本周期都是由前半部分的TT帧与后半部分的RC+BE帧组成的。
根据发送任务表与接收端的接收先后条件，对所有TT任务进行复合表的生成。生成时间调度表需要满足如下几个原则：
①左端紧缩原则，尽量TT帧放在左边时间段，TT帧占用的越小，用于传输其他信息的空间就越大；
②周期为2mms相同的不同TT任务满足在周期调度表上按照2m-1-1纵向间隔排列；
③根据复合表分配各端口周期调度表，以保证TT流在交换机中无冲突复合。
(2)TT流离线周期调度表设计
用于分析调度表生成方法的网络拓扑如图3所示，两个发送终端A和B，两个个TTE网络交换机S1和SS1，三个接收终端C、D和E。
发送端A，B的TT流发送任务表如表1，2所示，三个TT流，分别发往不同的目的终端。
表1发送端发送任务表
表2接收顺序约束表
在已知发送端的发送任务的前提下，还需要确定接收端C，D，E接收不同发送端TT流的先后顺序。接收顺序约束如表3所示。
表3接收顺序约束表
根据已知的A、B两个发送端的发送任务情况，接收端接收情况以及周期调度表的生成规则，对有两个集群的任务表生成无冲突复合表，如图4所示。根据发送任务表中TT帧的周期长度，得出基本周期BC＝1ms，矩阵周期MC＝4ms。按照不同的顺序排列，剩余的可用空间大小不同，对生成各种表格的剩余空闲区域进行比较，使用剩余空间最大的表即为最优周期调度表。交换机S1与SS1所接收的TT流都将在时钟同步的前提下按照复合表无冲突复合。
根据无冲突复合表，提取相同的发送端的TT帧任务时间段，形成发送端的调度周期表。发送端A与发送端B的周期调度表分别如图5和图6所示。按照这样的发送端周期调度表，在保证TTE网络全局时钟同步的前提下，就能实现在交换机内无冲突复合，在预定时间段内处理信息，避免相同时间窗信息因碰撞而丢失。
一、TTE网络极限情况延迟界理论分析
网络延迟性能分析是分析网络实时性的重要工具，包括极限的延迟界分析、排队论模型以及实际网络拓扑仿真。
排队论模型是将排队服务理论应用在网络数据处理的过程中。在时间触发以太网中，源端和交换机节点处需要对数据进行排队服务处理，排队的等待时间即是某一信息流在该节点处的排队延迟，将节点处的排队延迟与传输延迟、技术延迟等固定延迟数据相加，即可得到系统延迟。
假设单级非双冗余网络有n个发送端，n个交换机，n个接收端，一个发送端在n个交换机中任选其中一个进行连接。每个发送端发送m个RC信息流。接收端可接收多个交换机的转发信息。由同一发送端发往任一交换机最多有m个RC流。在接收端，极限情况下，所有交换机转发的RC流目的端相同，则该终端接收到的RC流数量为n·m个。
在发送过程中，受到最大带宽分配间隔的限制。在一个基本周期中，发送完所有需发送 TT流后，再多发送一个RC流即造成堵塞，在这种情况下，一个基本周期内的延迟为：
l1＝lTT+SRC·max/C (1)
其中，lTT为一个基本周期内配置的TT流发送长度，C为链路物理速率，
表示每个RC流的最大帧长度，大小取[64,1518]字节。从而，在非自适应双冗余网络结构中，极限情况下源端的延迟上界为：
式中，任一RC流的到达曲线表示为
服务曲线可表示为
表示RC需要满足的最大带宽分配间隔。lBC为基本周期中TT所在占的时间长度。
极限情况下一节点的的延迟上界为：
单级自适应双冗余的网络拓扑中冗余网络交换机增加为2n个，同时发送端与接收端的端口连接线相应增加。
在自适应双冗余拓扑中，由于发送端双网发送RC流，则在两个通道中平分m个RC流，在极限情况下，同一接收端最多接收到的RC流数量mn/2。m个信息流经过双通道处理，分散进行发送，每个通道分别发送m/2或者(m+1)/2或者(m-1)/2，这取决于该数量m的奇偶性，这里以m为偶数作进一步的性能分析。
在自适应双冗余网络结构中，极限情况下源端的延迟上界为：
极限情况下一节点的的延迟上界为：
可以看出，采用自适应冗余方案，RC信息流的延迟界小于非自适应双冗余的延迟界。自适应双冗余方案下的调度方法可减小网络延迟。
二、仿真验证
仿真验证极限情况下得到的理论延迟界，分别在单级/多级，非冗余/冗余的网络拓扑中分析网络的延迟性能，并将其与排队论模型及实际网络仿真结果进行对比。
单级TTE网络拓扑如图7所示，(a)为非自适应双冗余结构，网络按照预先设定好的时间调度表进行TT流发送，实现实时转发，RC流在TT流发送完的空闲区域进行发送。(b)为自适应双冗余设计，将s1交换机变为s1与ss1两个交换机，同时信息在发送端进行冗余处理， TT在双通道上双备份，RC流利用双通道分散发送。
根据确定性网络延迟的计算方法，对两个网络的RC延迟进行计算与比较。比较结果如图 8所示，实线表示单级TTE网络非冗余与冗余拓扑下，在网络环境极限情况，链路负担全部发送的RC流，每个RC的延迟上界。虚线表示非极端情况，非冗余与自适应双冗余情况下的每个RC延迟上界情况比较。点实线表示使用排队论仿真下，非冗余与自适应双冗余情况下的每个RC延迟上界情况比较。
对单级网络以及自适应冗余网络进行进一步的扩展，推广到多级TTE网络，多级的TTE 网络如图9所示，增加交换机与交换机之间的信息转发，增加了信息发送与接收的复杂度，对该多级网络进行自适应双冗余设计，信息通道变为双通道。对该TTE网络中每个RC流进行延迟上界分析对比。
对比图如图10所示，实线曲线表示极限环境下延迟对比，虚线表示实际网络流发送情况延迟对比，点实线表示排队论仿真情况下延迟对比。
从单级到多级两种不同网络情况下的延迟仿真与对比可以发现，自适应双冗余结构可以减小网络延迟。此外，在多级网络中，RC经过的跳数越多，经过双通道分散发送后，延迟减小的更加明显。同时，RC流越多，网络链路负担越重，自适应双冗余结构对于网络RC流的延迟减小作用越明显。
TTE自适应双冗余网络通过重要信息(TT流信息)的时间标签，实现网络故障时，可以自适应的零故障恢复时间的信息传输，根据时间标签处理冗余报文，提高系统的实时性，无需网络故障冗余链路切换以及丢弃窗口对网络延迟造成的影响，同时，自适应的判断网络报文信息重要性并进行分类，针对不同报文采取不同的信息调度方式，次要报文在网络状态良好时在双网分散传输，有效降低了网络的通信负荷，提高网络带宽利用率。
(1)节点采用冗余至节点的双以太网结构，每个节点配备了两个完全独立的网络接口，构成了A、B两个独立以太网物理通道。报文同时在A、B两个网络上发送，对TT流，RC流，BE流进行流的分类。
(2)重要报文TT流采用冗余传输机制，同时从A,B两个端口同时发出，经过主要通道交换机以及冗余备份交换机发送到相同的目的节点。以保障一条链路出现故障时，重要的TT 流不丢失。
(3)次要报文RC流与BE流则经过冗余处理后，分散到A,B两个端口发送，不再占用冗余通道，同时利用双通道提高信息流的发送速率。
(4)根据无冲突复合表，提取相同的发送端的TT帧任务时间段，形成发送端的调度周期表。按照这样的发送端周期调度表就能实现在交换机内无冲突复合，在预定时间段内处理信息，避免相同时间窗信息因碰撞而丢失。
Claims (3)
1.一种基于自适应双冗余的TTE调度通信方法，其特征是，采用冗余至节点的双以太网结构，每个节点配备了两个完全独立的网络接口，传输混合流量TT(time-triggered)流，RC(rate-constrained)流，BE(best-effort)流，具体如下：
TT流按照周期调度、左端紧缩原则生成TT流的周期调度表，RC、BE流按照混合调度原则，在每个基本周期TT流发送完的空闲区域发送，同时RC流具有比BE流更高的优先级，优先在空闲区域发送RC流，随后发送BE流；
终端对网络中的报文根据实时性、可靠性和响应时间需求的不同，将报文分成重要报文和次要报文，对于重要报文TT双冗余备份传输，次要报文RC、BE经过终端分类，采用双冗余分散传输，在发送端对分类好的的报文按照混合调度的原则进行周期调度表设计，各节点通道按照各自的周期调度表进行发送。
2.如权利要求1所述的基于自适应双冗余的TTE调度通信方法，其特征是，具体步骤如下：
(1)TTE流量混合调度原则
混合调度模式的TTE周期调度表设计：若干个基本周期BC(Basic Cycle)组成一个TT的矩阵周期MC(Matrix Cycle)，基本周期是所有TT流周期的最大公约数，矩阵周期是所有TT流周期的最小公倍数，周期调度表从纵向来看，是并列的n个基本周期，依次首尾相连，n个基本周期的总时间是矩阵周期的时间长度，从横向上看，每个基本周期都是由前半部分的TT帧与后半部分的RC+BE帧组成的；
根据发送任务表与接收端的接收先后条件，对所有TT任务进行复合表的生成，生成时间调度表需要满足如下几个原则：
①左端紧缩原则，尽量TT帧放在左边时间段，TT帧占用的越小，用于传输其他信息的空间就越大；
②周期为2mms相同的不同TT任务满足在周期调度表上按照2m-1-1纵向间隔排列；
③根据复合表分配各端口周期调度表，以保证TT流在交换机中无冲突复合；
(2)TT流离线周期调度表设计
用于分析调度表生成：两个发送终端A和B，对于两个TTE网络交换机S1和SS1，三个接收终端C、D和E；
发送端A，B的TT流发送任务表如表1，2所示，三个TT流，分别发往不同的目的终端；
表1 发送端发送任务表
表2 接收顺序约束表
在已知发送端的发送任务的前提下，还需要确定接收端C，D，E接收不同发送端TT流的先后顺序，接收顺序约束如表3所示：
表3 接收顺序约束表
根据已知的A、B两个发送端的发送任务情况，接收端接收情况以及周期调度表的生成规则，对有两个集群的任务表生成无冲突复合表，根据发送任务表中TT帧的周期长度，得出基本周期BC，矩阵周期MC，按照不同的顺序排列，剩余的可用空间大小不同，对生成各种表格的剩余空闲区域进行比较，使用剩余空间最大的表即为最优周期调度表，在时钟同步的前提下按照复合表实现无冲突复合；
单级非双冗余网络有n个发送端，n个交换机，n个接收端，一个发送端在n个交换机中任选其中一个进行连接。每个发送端发送m个RC信息流。接收端可接收多个交换机的转发信息。由同一发送端发往任一交换机最多有m个RC流。在接收端，极限情况下，所有交换机转发的RC流目的端相同，则该终端接收到的RC流数量为n·m个；
在发送过程中，受到最大带宽分配间隔的限制，在一个基本周期中，发送完所有需发送TT流后，再多发送一个RC流即造成堵塞，在这种情况下，一个基本周期内的延迟为：
l1＝lTT+SRC·max/C (1)
其中，lTT为一个基本周期内配置的TT流发送长度，C为链路物理速率，
表示每个RC流的最大帧长度，大小取[64,1518]字节。从而，在非自适应双冗余网络结构中，极限情况下源端的延迟上界为：
式中，任一RC流的到达曲线表示为
服务曲线可表示为
表示RC需要满足的最大带宽分配间隔，lBC为基本周期中TT所在占的时间长度；
极限情况下一节点的的延迟上界为：
单级自适应双冗余的网络拓扑中冗余网络交换机增加为2n个，同时发送端与接收端的端口连接线相应增加。
3.如权利要求1所述的基于自适应双冗余的TTE调度通信方法，其特征是，在自适应双冗余拓扑中，由于发送端双网发送RC流，则在两个通道中平分m个RC流，在极限情况下，同一接收端最多接收到的RC流数量mn/2，m个信息流经过双通道处理，分散进行发送，每个通道分别发送m/2或者(m+1)/2或者(m-1)/2，这取决于该数量m的奇偶性，这里以m为偶数作进一步的性能分析；
在自适应双冗余网络结构中，极限情况下源端的延迟上界为：
极限情况下一节点的的延迟上界为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210326 |