CN112953803B - 机载冗余网络数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种机载冗余网络数据传输方法，解决了机载统一网络中强实时突发数据传输与普通业务数据传输的矛盾。本发明通过下述技术方案实现：根据航空电子系统配置冗余网络传输模式，将冗余网络配置为分流传输、数据备份传输或网络备份传输模式，在分流传输模式下，发送节点的处理器及其应用单元通过处理器接口，将不同特性类型的数据包分流到不同的冗余传输网络进行传输；当配置为数据备份传输模式时，通过冗余传输网络传输相同数据包，发送节点的传输管理单元将数据复制为多份，通过多个冗余网络进行传输；在网络备份模式下，冗余传输网络中仅部分网络处于传输状态，当工作的网络出现故障时，通过网络备份启用备用网络。

Description

机载冗余网络数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种机载冗余网络数据传输方法，特别是支持异构传输方式、可兼顾强实时突发数据和普通业务数据传输的方法。

背景技术

航空电子系统经历了分离式、联合式、综合化的发展历程，正朝着高度综合化的方向发展，总线网络是决定机载电子系统性能的一个关键因素，随着综合化程度的提高，机载电子系统对总线网络的传输速率、实时性、可靠性等都提出了较高要求。采用统一机载高速网络不但可以满足高速互连传输的要求，还可以简化系统设计，便于系统集成、维护和管理，进一步提升航空电子系统的综合化程度，采用统一的机载网络实现整个航空电子系统的高速互连是当前的一个发展趋势。然而机载网络中需传输的数据类型各异，且对传输时延的要求也不相同，这就要求机载统一网络能支持混合型的数据传输，并能兼顾不同传输时延的要求。此外，在工程应用环境中，网络中传输的数据可能会丢失或者产生错误，为了防止因接收溢出、或者网络故障而出现数据丢失或者错误，并提高数据传输的效率，数据包的传输需要得到合理的管理和控制，在必要的时候可以采用重传机制，或者通过网络上层协议来确保网络数据传输的可靠性。

常用的机载网络传输方式包括：时间触发和事件触发两种，两种方法各有特点，适用于不同的应用场景。事件触发传输是指节点根据需求随机在网络上传输数据的机制，采用事件触发传输可能存在链路冲突或者网络拥塞的问题(特别是当网络负荷较重时，问题更为突出)，导致数据传输时延不可控。所以，事件触发传输具有传输时延不确定、不可预知的特点，存在确定性差的问题。事件触发传输方式常用于对传输时延要求不高的场景，而对于时延要求较苛刻的场景，常使用点对点的事件触发传输方式，以复杂度的增加来换取性能指标的提升。

时间触发传输的本质是时分复用，其特点是独占时隙，而信道资源共享，通过全局时钟精确同步，使节点按预先分配时隙进行通信，周期性的数据传输构成一个时分多址周期。该方法将信道传输的时间划分成若干时隙，并将这些时隙分配给各个节点使用，各节点在分配的时隙内独占信道进行数据传输，从而避免争用物理链路，保证通信延迟的确定性。但时间触发传输方式也存在着一定的局限性：各节点仅在分配的时隙内传输数据，其它时间则不能通过网络传输数据，待发送的数据包若错过当前传输时隙，则必须等待下一个总线周期的传输时隙(总线周期可根据应用场景进行配置，通常为毫秒级)，这种传输方法的最大传输延迟是可以预计的，可以满足对最大传输时延要求不高、或周期性的业务数据传输场景，但却无法满足某些对于实时性要求较苛刻的机载传感器控制类信息的传输场景，这类控制信息的数据量通常较低，但对数据传输时延的要求非常高。

冗余设计是提高系统可靠性最常用的方法，利用冗余设计，可以在单个组件或设备发生失效时不影响系统的整体可靠性，确保系统的正常运行。冗余设计虽然会增加系统设计的难度，但换来了系统可用性和可靠性的提升，提高了系统的平均无故障时间，缩短了平均故障修复时间。冗余设计可以分为多种类型，按冗余架构原理可分为：同构冗余、异构冗余、暂时冗余；按照冗余架构运行方式可以分为：主动冗余、被动冗余、热被动冗余、冷被动冗余。机载统一网络多采用同构冗余设计方式，系统使用多个相同设计的网络(常用的有双冗余和三冗余网络)，冗余网络采用相同的总线类型和协议，当一个网络出现故障时，可以用另一个网络进行代替，提高了数据传输的可靠性及系统任务的可靠度。例如：节点A向节点B传输消息，节点A对数据进行组包封装后，可将消息复制为多份，并分别通过不同冗余网络路径向节点B传输，其中一个冗余网络故障后不会影响系统的正常运行。常用的FC、AFDX等机载网络都采用了冗余网络设计。

由于机载统一网络对传输速率、确定性等都提出了较高要求，且不同的传输业务对数据传输时延的要求也各不相同。考虑到事件触发传输存在确定性差的问题，业界提出了时间触发传输方法，虽然可以解决机载网络数据传输的确定性问题，但是时间触发传输仅允许各个节点在分配的时隙内传输数据，其它时间内不能通过网络传输数据，节点的待发送数据若刚好错过传输时隙，则必须等待下一个总线周期的传输时隙，即数据传输最大的等待时延为一个总线周期，虽然传输的最大时延可估计(最大传输时延确定)，但无法满足机载应用中的某些强实时突发应用场景，通常这类强实时突发数据传输需要采用独立的点对点设计来实现，在一定程度上增加了系统的复杂度，给机载统一网络的设计与实施造成困难。所以，在机载统一高速网络中，采用单纯的时间触发或事件触发传输方式，无法同时满足强实时突发数据和普通业务数据的传输需求。

发明内容

本发明的目的是针对高度综合化的航电系统对机载统一高速网络的需求，同时支持强实时突发数据和普通业务数据的传输，以及现有技术存在的不足之处，提供一种具有通用性、兼顾可靠传输和实时传输的机载冗余网络数据传输方法，以解决机载统一网络中强实时突发数据传输与普通业务数据传输之间的矛盾。

本发明上述目的可以通过以下措施来达到，一种机载冗余网络数据传输方法，其特性在于包括如下步骤：根据航空电子系统的需求配置冗余网络传输模式，将冗余网络静态或动态配置为分流传输、数据备份传输或正常情况下处于备用状态的网络备份传输模式，在三种不同传输模式下，节点的各网络端口均支持时间触发和事件触发两种可配置的传输方式；在分流传输模式下，发送节点的处理器及其应用单元通过处理器接口，将不同特性类型的数据包分流到不同的冗余传输网络进行传输，数据包送入传输管理单元后，根据分流传输的配置，按照不同特性分类将数据包送给各个传输调度单元，各个传输调度单元根据传输管理单元送来的传输控制信号，从不同的网络将数据包分发出去，而接收节点收到数据包时，则将接收到的数据包经过缓存后送给传输管理单元，传输管理单元将所有分流网络接收到的数据包通过处理器接口送给处理器及其应用单元进行处理；

当配置为数据备份传输模式时，通过冗余传输网络传输相同数据包，发送节点的传输管理单元将数据复制为多份，打上相同的数据标记，并通过多个冗余网络发送出去，接收节点的传输管理单元接收到数据包后，对相同标记的数据包则只取最先正确收到的上传给处理器及其应用单元，而其它相同标记的数据包则丢弃；

在网络备份模式下，正常工作时，冗余传输网络中仅部分网络处于传输状态，且每一路网络端口的传输方式可以独立配置，当工作的网络出现故障时，通过网络备份启用备用网络。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

具备多种可配置的异构传输组合方式。本发明针对总线网络无法同时满足强实时突发数据和普通业务数据传输需求的问题，在多冗余的机载统一传输网络中，将冗余网络静态或动态配置为分流传输、数据备份传输、以及正常情况下处于备用状态的网络备份传输三种可选的传输模式，这种将冗余网络静态或动态配置为以上三种不同传输模式的方法，提供了可配置的异构冗余网络传输模式，充分发挥了冗余网络的优势，通过有效的冗余传输方式，提高了系统的任务可靠性，并解决了机载统一网络中强实时突发数据传输与普通业务数据传输之间的矛盾。同时，各个网络端口可独立配置为时间触发或事件触发传输方式，三种传输模式和两种传输方式可以任意组合，可以适应不同的传输应用场景。

可以兼顾强实时突发数据与普通业务数据传输。本发明在分流传输模式下，处理器及其应用单元通过处理器接口，将不同特性的数据包通过不同的冗余网络进行传输，数据送入传输管理单元后，根据分流传输的配置，按照不同特性分类的数据包从不同的网络分发出去，将强实时突发数据和普通业务数据进行分流传输，接收节点的传输管理单元则将所有分流网络接收到的数据包通过处理器接口送给处理器及其应用单元进行处理。由于强实时突发数据具有数据包短，且发送频率较低的特点，高带宽的交换式高速网络中仅传输数据量少、数据包长度较小的信息时，数据不存在拥塞情况，网络可以认为是近似实时的传输。该方法克服了现有技术单纯的采用时间触发或者事件触发传输方式时，无法同时满足强实时突发数据和普通业务数据传输需求的问题。通过对不同特性的数据进行网络分流传输，解决了机载统一网络中强实时突发数据传输与普通业务数据传输之间的矛盾，兼顾可靠传输和实时传输的优点，并充分发挥了冗余网络的优势。

本发明在数据备份传输模式下，数据包送入传输管理单元后，传输管理单元将数据包复制为多份，打上相同的数据标记，并通过多个冗余网络发送到目的节点，接收节点的传输管理单元接收到数据包后，相同标记的数据包则只取最先正确收到的上传给应用，而其它相同标记的数据包则丢弃。通过配置可独立控制每一路网络接口为时间触发或事件触发传输方式。在该模式下可以确保数据传输的可靠性。

本发明针对网络的低功耗/应急工作需求，可配置为网络备份传输模式，网络正常工作时其中一路或者多路网络作为备份网络，正常工作情况下冗余传输网络中仅部分网络处于传输状态，而当工作的网络出现故障时，才启用备份网络进行传输，该方式通过网络备份提高可靠性。备份网络的传输方式(时间触发或事件触发)可根据应用场景需求进行灵活配置，提供了一种降级、应急、或者低功耗备份工作方式。

具有通用性。本发明采用支持可配置的三种传输模式：网络分流传输、数据备份传输(通过冗余网络传输相同数据)、网络备份传输(工作中的网络故障时，备份的冗余网络才开启传输，正常情况下处于备用状态)。这种在分流传输模式下对数据特性进行分类，为不同特性的数据分配不同的传输网络，数据备份传输模式通过冗余网络传输相同数据，网络备份传输模式则在冗余网络的其它网络故障时开启传输，且各冗余网络节点的各端口根据应用场景还可独立配置为时间触发或事件触发传输方式，提供了灵活的异构网络冗余传输模式。本发明仅对冗余传输进行管控，不改变网络上层协议，与网络所使用的传输协议无关，支持采用冗余网络传输的各种总线，如可以支持常用的光纤通道、以太网等。可支持强实时突发数据和普通业务数据分流传输，支持冗余网络数据备份传输，支持基于网络备份的低功耗/应急传输，具有通用性，可满足机载统一网络混合传输应用需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明机载冗余网络节点传输架构示意图。

图2是本发明分流传输模式下的分流实时传输示意图。

图3是本发明数据备份传输模式下的数据备份传输示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，按航空电子系统的需求配置冗余网络传输模式，将冗余网络静态或动态配置为分流传输、数据备份传输或正常情况下处于备用状态的网络备份传输模式，在三种不同传输模式下，节点的各网络端口均支持时间触发和事件触发两种可配置的传输方式；

在分流传输模式下，发送节点的处理器及其应用单元通过处理器接口，将不同特性类型的数据包分流到不同的冗余传输网络进行传输，数据包送入传输管理单元后，根据分流传输的配置，按照不同特性分类将数据包送给各个传输调度单元，各个传输调度单元根据传输管理单元送来的传输控制信号，从不同的网络将数据包分发出去，而接收节点收到数据包时，则将接收到的数据包经过缓存后送给传输管理单元，传输管理单元将所有分流网络接收到的数据包通过处理器接口送给处理器及其应用单元进行处理；

当配置为数据备份传输模式时，通过冗余传输网络传输相同数据包，发送节点的传输管理单元将数据复制为多份，打上相同的数据标记，并通过多个冗余网络发送出去，接收节点的传输管理单元接收到数据包后，对相同标记的数据包则只取最先正确收到的上传给处理器及其应用单元，而其它相同标记的数据包则丢弃；

在网络备份模式下，正常工作时，冗余传输网络中仅部分网络处于传输状态，且每一路网络端口的传输方式可以独立配置，当工作的网络出现故障时，通过网络备份启用备用网络。

机载冗余网络节点传输架构包括：通过处理器接口连接处理器及其应用单元、传输管理单元，与传输管理单元进行双向通信的收发缓存单元1、…、收发缓存单元N，对应上述收发缓存单元1、…、收发缓存单元N进行双向通信的传输调度单元1、…、传输调度单元N，以及对应上述传输调度单元的N路链路收发传输单元，其中，N为大于等于2的自然数。传输管理单元支持分流传输、数据备份传输、网络备份传输；传输调度单元1、…、传输调度单元N支持时间触发和事件触发传输方式，通过N路链路收发传输单元对应的N路网络端口收发数据。

当处理器及其应用单元有数据需要发送时，首先将待发送的数据通过处理器接口送到传输管理单元中，传输管理单元根据冗余网络节点的传输模式将数据包送到收发缓存单元1、…、收发缓存单元N中，各个收发缓存单元中的数据包根据各自对应的传输调度单元，按照配置的传输方式将数据送到对应的N个链路收发传输单元和N个网络端口，并发送出去，其中N个传输调度单元具备时间触发、事件触发两种可选的传输方式。在时间触发传输方式时，传输调度单元在传输管理单元的控制下，根据节点分配的时隙将数据发送出去；而在事件触发传输方式时，传输调度单元则直接将缓存中的数据经链路收发传输单元和网络端口发送出去。当网络端口接收到数据包时，通过相应的链路收发传输单元、传输调度单元、收发缓存单元后送到传输管理单元，传输管理单元根据节点的配置模式决定数据的接收或者丢弃：若配置为分流模式，则来自各个网络端口的数据均通过处理器接口送给处理器及其应用单元；而若配置为数据备份传输模式则仅上传最先正确接收到的数据包，其它冗余的数据包则丢弃。

传输管理单元包括：配置管理单元、时间同步单元、链路状态监测单元和冗余路由单元，配置管理单元根据机载电子系统的冗余网络传输模式，配置管理分流传输数据、备份传输数据和网络备份传输数据，时间同步单元对网络进行时间同步，链路状态监测单元监测链路状态，冗余路由单元根据网络的传输模式对数据进行分流、复制分发等处理。

参阅图2。在分流传输模式下，各个网络分别传输不同特性类型的数据，各网络传输数据的类型可预先进行规划。这里为方便说明，按照强实时突发数据、普通业务数据的分类进行说明(也可以按其它方式进行分类)，网络节点应用程序需要对待发送的数据特性进行识别和标记。网络上所有强实时突发数据通过配置的一个或多个网络进行传输，而普通业务数则通过另外的网络进行传输。通过数据分流的方式，可以使强实时突发数据和普通的业务数据通过不同的网络进行传输(达到多个网络分别传输不同类型数据的效果)，针对不同数据的特性，还可以选择时间触发或事件触发两种不同的传输方式，从而满足机载网络对不同传输应用的需求。考虑到强实时突发数据具有数据包短、数据量少的特点，传输强实时突发数据包的网络1采用了事件触发传输方式，可以很好的满足低时延、实时传输需求，而网络N则采用了时间触发传输方式(如图所示，网络N的数据包集中在了分配的传输时隙进行传输)，使普通业务数据的传输具备时间确定性。

在分流传输模式下，根据预先规划的各网络传输数据的类型，按照强实时突发数据、普通业务数据进行分类，各网络根据预先规划分别传输不同特性类型的数据。网络节点的传输管理单元通过数据分流的方式，分别将数据通过网络1、…、网络N进行传输(N≥2的自然数)，网络节点A和网络节点B之间通过网络1、…、网络N进行数据传输。针对强实时突发数据具有数据包短、数据量少的特点，传输强实时突发数据包的网络1采用事件触发传输方式，以满足低时延、实时传输需求，网络N采用时间触发传输方式，使普通业务数据的传输具备时间确定性，并且网络节点A发送的强实时突发数据1、5、7采用事件触发传输方式，经传输网络1传输到网络节点B，而网络节点A发送的普通业务数据2、3、4、6、8按时间触发传输方式，通过网络N传输到网络节点B。其中t₀为某一个时间参考点，t表示时间。

参阅图3。在数据备份传输模式下，各个网络可根据需要设置时间触发或事件触发传输方式，对于网络节点A和网络节点B，传输管理单元使用多个网络同时收发数据，相同的数据包经过多个网络路径，将数据从网络节点A发送到网络节点B。根据实际需要将各端口配置为不同或相同的传输方式(图中示例分别采用事件触发和时间触发传输方式)，将网络节点A的传输数据1、2、3、4复制后分别送入到传输网络1、…、传输网络N(N为大于等于2的自然数)，其中网络1和网络N分别采用了事件触发和时间触发传输方式(如图所示，网络N的数据包集中在了分配的传输时隙进行传输)，网络节点B取最先正确接收到的数据包，其它的冗余数据包则丢弃。其中t₀为某一个时间参考点，t表示时间。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种机载冗余网络数据传输方法，其特性在于包括如下步骤：根据航空电子系统的需求配置冗余网络传输模式，在多冗余的机载统一传输网络中，将冗余网络静态或动态配置为分流传输、数据备份传输或正常情况下处于备用状态的网络备份三种可选的传输模式，在三种不同传输模式下，节点的各网络端口均支持时间触发和事件触发两种可配置的传输方式；在分流传输模式下对数据特性进行分类，为不同特性的数据分配不同的传输网络，数据备份传输模式通过冗余网络传输相同数据，网络备份传输模式则在冗余网络的其它网络故障时开启传输，且各冗余网络节点的各端口根据应用场景独立配置为时间触发或事件触发传输方式，同时，在分流传输模式下，发送节点的处理器及其应用单元通过处理器接口，将不同特性类型的数据包分流到不同的冗余传输网络进行传输，数据包送入传输管理单元后，配置管理单元根据机载电子系统的冗余网络传输模式，配置管理分流传输数据、备份传输数据和网络备份传输数据，时间同步单元对网络进行时间同步，链路状态监测单元监测链路状态，冗余路由单元根据网络的传输模式对数据进行分流、复制分发、冗余接收处理，根据预先规划的各网络传输数据的类型，按照强实时突发数据、普通业务数据进行分类或自定义分类，各网络根据预先规划分别传输不同特性类型的数据，网络节点的传输管理单元通过数据分流的方式，分别将数据通过网络1、…、网络N进行传输；针对强实时突发数据具有数据包短、数据量少的特点，传输强实时突发数据包的网络可采用事件触发传输方式，以满足低时延、实时传输需求，传输普通业务数据的网络可采用时间触发传输方式，数据包按照分配的传输时隙进行传输，使普通业务数据的传输具备时间确定性，再根据分流传输的配置，按照不同特性分类将数据包送给各个传输调度单元，各个传输调度单元根据传输管理单元送来的传输控制信号，从不同的网络将数据包分发出去，而接收节点收到数据包时，则将接收到的数据包经过缓存后送给传输管理单元，传输管理单元将所有分流网络接收到的数据包通过处理器接口送给处理器及其应用单元进行处理，传输管理单元包括：配置管理单元、时间同步单元、链路状态监测单元和冗余路由单元；

当配置为数据备份传输模式时，通过冗余传输网络传输相同数据包，发送节点的传输管理单元将数据复制为多份，打上相同的数据标记，并通过多个冗余网络发送出去，接收节点的传输管理单元接收到数据包后，对相同标记的数据包则只取最先正确收到的上传给处理器及其应用单元，而其它相同标记的数据包则丢弃；

在网络备份模式下，正常工作时，冗余传输网络中仅部分网络处于传输状态，且每一路网络端口的传输方式可以独立配置，当工作的网络出现故障时，通过网络备份启用备用网络。

2.如权利要求1所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：机载冗余网络节点传输架构包括：通过处理器接口连接处理器及其应用单元、传输管理单元，与传输管理单元进行双向通信的收发缓存单元1、…、收发缓存单元N，对应上述收发缓存单元1、…、收发缓存单元N进行双向通信的传输调度单元1、…、传输调度单元N，以及对应上述传输调度单元的N路链路收发传输单元，其中，N≥2。

3.如权利要求2所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：传输管理单元支持分流传输、数据备份传输、网络备份传输；传输调度单元1、…、传输调度单元N支持时间触发和事件触发传输方式，通过N路链路收发传输单元对应的N路网络端口收发数据。

4.如权利要求1所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：当处理器及其应用单元有数据需要发送时，首先将待发送的数据通过处理器接口送到传输管理单元中，传输管理单元根据冗余网络节点的传输模式将数据包送到收发缓存单元1、…、收发缓存单元N中；各个收发缓存单元中的数据包根据各自对应的传输调度单元，按照配置的传输方式将数据送到对应的N个链路收发传输单元和N个网络端口，并发送出去，其中N个传输调度单元具备时间触发、事件触发两种可选的传输方式。

5.如权利要求3所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：在时间触发传输方式时，传输调度单元在传输管理单元的控制下，根据节点分配的时隙将数据发送出去；而在事件触发传输方式时，传输调度单元则直接将缓存中的数据经链路收发传输单元和网络端口发送出去。

6.如权利要求4所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：当网络端口接收到数据包时，通过相应的链路收发传输单元、传输调度单元、收发缓存单元后送到传输管理单元，传输管理单元根据节点的配置模式决定数据的接收或者丢弃：若配置为分流模式，则来自各个网络端口的数据均通过处理器接口送给处理器及其应用单元；而若配置为数据备份传输模式则仅上传最先正确接收到的数据包，其它冗余的数据包则丢弃。

7.如权利要求1所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：在分流传输模式下，各个网络分别传输不同特性类型的数据，各网络传输数据的类型预先进行规划；网络节点应用程序对待发送的数据特性进行识别和标记，网络上所有强实时突发数据配置一个或多个网络进行传输，普通业务数则通过另外的网络进行传输；通过数据分流的方式将强实时突发数据和普通的业务数据通过不同的网络进行传输，针对不同数据的特性，可选择时间触发或事件触发两种不同的传输方式。

8.如权利要求7所述的机载冗余网络数据传输方法，其特性在于：在数据备份传输模式下，对于网络节点A和网络节点B，传输管理单元使用多个网络收发数据，相同的数据包经过多个网络路径，将数据从网络节点A发送到网络节点B，各个网络可根据需要配置为时间触发或事件触发传输方式，并将网络节点对应的各端口配置为相应的传输方式，将网络节点A的传输数据复制后分别送入到传输网络1、…、传输网络N进行传输，网络节点B取最先正确接收到的数据包，其它的冗余数据包则丢弃。

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