CN113193993A - 航天以太网拓扑优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天通信领域，为提出航天以太网拓扑优化方法及软件实现。为此，本发明采取的技术方案是，航天以太网拓扑优化方法，首先，根据给定的时间触发TT(Time‑Triggered)业务和速率约束RC(Rate‑Constrained)业务设计能实现所有业务路由功能的任意拓扑及其路由方式，得到初始拓扑和初始路由表；然后，设计综合考虑架构成本和延迟性能的目标函数，将目标函数作为拓扑的量化评价标准，筛选出网络延迟尽可能低，架构尽可能更简单的拓扑方案。本发明主要应用于航天通信场合。

Description

航天以太网拓扑优化方法

技术领域

本发明属于航天通信领域，航天以太网领域，时间触发以太网领域，涉及航天以太网拓扑结构优化算法。

背景技术

随着航天科技的不断发展进步，航天技术已在民用领域广泛造福于全人类，尤其在空间探测、卫星导航、气象观测以及地外生命探索等领域达到了前所未有的高度。但同时也造成了航天器整体系统的日益复杂，虽经历了电子技术的多次更新换代，每一个单机设备的处理能力得到了巨大提升，但设备间的互联传输系统略显落后。

时间触发以太网的优势在于时间确定性、容错故障机制、高实时性和传统尽力而为业务相结合。具备对标准以太网的完全兼容性、访问控制的有效管理、有效的资源利用率、可扩展的容错机制及精确的系统诊断和良好的综合性等。

Ethernet技术发展30多年来，其带宽大、成本低、结构简单成为大家的共识，应用范围已渗透到了社会的各行各业：生产控制、船舶、机载、车载、办公场所、安全关键系统等，应用前景不可估量。但Ethernet应用于高实时性、安全关键系统无法解决实时性和确定性问题，对此Ethernet应用于这些场合必须解决这一关键问题。TTE(Time-TriggeredEthernet，时间触发以太网)技术的提出解决了Ethernet的实时性和确定性问题，同时支持多种(单或多通道)通信方案供用户选择，能够满足高实时要求、安全关键系统的需求，是极具发展前景的实时网络技术。

由于航天总线的设计和应用面临机载内部可利用空间狭小、架构复杂且成本高昂的问题，增加了设计和部署的难度，研究拓扑优化算法具有重要的实用价值。拓扑优化指的是调整交换机数目、交换机之间及交换机与终端之间物理链路的连接方式。在实际应用中，如果要将整个网络拓扑重新布局代价太大，一般是在现有路由策略和网络拓扑的基础上，通过尽可能少地调整当前设备及设备连接方式，从而优化网络拓扑。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出航天以太网拓扑优化方法及软件实现。为此，本发明采取的技术方案是，航天以太网拓扑优化方法，首先，根据给定的时间触发TT(Time-Triggered)业务和速率约束RC(Rate-Constrained)业务设计能实现所有业务路由功能的任意拓扑及其路由方式，得到初始拓扑和初始路由表；然后，设计综合考虑架构成本和延迟性能的目标函数，将目标函数作为拓扑的量化评价标准，筛选出网络延迟尽可能低，架构尽可能更简单的拓扑方案。

具体步骤如下：

(1)获取初始路由表和拓扑

(2)设计目标函数

对给定的拓扑方案，计算所有RC流量的延迟之和

将其与RC延迟上限RC_deadline比较，综合考虑架构成本和延迟性能，对于确定的拓扑γ，构造目标函数Object(γ)为：

式中，第一项用于评价架构成本，第二项用于评价延迟性能，并引入权重w权衡架构成本和延迟性能在目标函数中的重要程度；第二项中的μ₁和μ₂是延迟状态的控制参数，且均为正数，μ₁是惩罚因子，排除不能满足网络延迟要求的优化方案；μ₂是奖励因子；

将目标函数Object作为优化方案的评价标准，用于评价拓扑方案在架构成本和性能延迟上的综合表现，最终应使得目标函数尽可能小，在满足网络延迟要求的前提下，获得拓扑成本更低的集约型拓扑方案；

(3)目标交换机删除及拓扑恢复

首先，识别是主动优化还是被动优化，主动优化对交换机按照重要性进行排序，被动优化随机选择一个交换机作为目标交换机；其次，选中目标交换机后进行删除，随后调用三种恢复策略进行拓扑恢复，其中恢复策略一和恢复策略二是添加物理链路进行链路重构，恢复策略三是直接进行路由调整，但可能无法满足RC任务的需求；恢复策略一为前后节点优先选择最小跳数按照初始路径进行链路重构；恢复策略二为选择目标节点前后的“边缘节点”进行连接进而实现重构，“边缘节点”通过节点介数衡量；恢复策略三指基于局部广度优先遍历的路由调整；

(4)混合策略择优

混合策略择优指交换机删减后通过三种恢复策略进行拓扑恢复，并计算目标函数进行评价和择优；

(5)链路去冗余

首先，按照链路重要性进行排序，重要性通过边介数衡量，即每条物理链路上经过的路由的数量，然后，按照链路的重要性从低到高选择目标链路，进行去冗余删除；

(6)双冗余设计

对于节点p和节点q上有需要周期发送的TT消息，发送端在设计报文格式时，在以太网报文的数据区中加入报文的时间标签，然后分别通过初始通道和备用通道传输；对TT消息的物理通道采用双冗余备份传输，在初始通道和备用通道上发送相同的TT消息，以保证当某条通道出现故障时重要的TT消息不丢失；接收端接收数据包后，根据时间标签过滤冗余数据，进行去冗余处理；

(7)自动优化软件

自动优化软件界面包含3个功能，添加初始结构文件，调用所设计的拓扑优化算法和显示优化后拓扑；添加初始结构文件：点击“选取文件_初始路由”按钮，选择路由文件后，点击“拓扑显示_初始”按钮，软件将调用拓扑结构文件并显示拓扑图形；优化拓扑：点击“拓扑优化”按钮，选中当前的路由文件及拓扑文件并调用所设计的拓扑优化算法进行自动优化，算法执行完毕后生成优化后的拓扑结构文件；显示优化后的拓扑方案：点击“选取文件_优化后拓扑”选择优化后的拓扑文件，软件加载完毕后，点击“拓扑显示_优化后”按钮调用拓扑文件显示优化后的拓扑图形。

本发明的特点及有益效果是：

本发明设计了一个航天以太网拓扑优化方法及软件实现，针对现有的航天通信拓扑结构，在满足性能要求的前提下降低成本，优化结构。所设计的算法在优化过程中不会破环TT消息的实时性和可靠性，并能保证RC消息的延迟性能。最后设计自动优化软件方便工程人员设计和优化拓扑。

附图说明：

图1TTE拓扑优化流程。

图2交换机优化流程。

图3链路去冗余流程。

图4双冗余设计方案。

图5拓扑优化软件。

具体实施方式

本发明目的在于设计一种航天以太网拓扑优化方法，设计优化目标函数量化拓扑的性能表现和架构成本，按照贪心思想进行交换机优化和拓扑恢复，完成链路去冗余后根据量化表现筛选出最佳的优化方法，最后设计双冗余结构和自动优化软件。

本发明整体优化流程如图1所示。首先，根据给定的TT业务和RC业务设计能实现所有业务路由功能的任意拓扑及其路由方式，得到初始拓扑和初始路由表。然后，设计综合考虑架构成本和延迟性能的目标函数，将目标函数作为拓扑的量化评价标准，筛选出网络延迟尽可能低，架构尽可能更简单的拓扑方案。优化过程分为目标交换机删除及拓扑恢复、混合策略择优及链路去冗余三部分。最后，为了保证TT消息的可靠性，在优化后拓扑的基础上进行TT的双冗余备份，得到最终拓扑方案。

(1)获取初始路由表和拓扑

(2)设计目标函数

为保证优化后的拓扑方案能够满足业务传输的延迟要求，需要惩罚延迟高的优化方案。对给定的拓扑方案，计算所有RC流量的延迟之和

将其与RC延迟上限RC_deadline比较。综合考虑架构成本和延迟性能，对于确定的拓扑γ，构造目标函数Object(γ)为：

式中，第一项用于评价架构成本，第二项用于评价延迟性能，并引入权重w权衡架构成本和延迟性能在目标函数中的重要程度。第二项中的μ₁和μ₂是延迟状态的控制参数，且均为正数。μ₁是惩罚因子，当网络中的延迟较大，使

时，延迟状态这一项会变得很大，导致整个目标函数的值也变得很大(目标函数值越小，表现越好)，排除不能满足网络延迟要求的优化方案；μ₂是奖励因子，当

时，网络中的延迟较低，将此时第二项的延迟性能表现(负数)作为目标函数的奖励项。

本文将目标函数Object作为优化方案的评价标准，用于评价拓扑方案在架构成本和性能延迟上的综合表现。最终的设计方案应使得目标函数尽可能小，在满足网络延迟要求的前提下，获得拓扑成本更低的集约型拓扑方案。

(3)目标交换机删除及拓扑恢复

交换机优化流程如图2所示。首先，识别是主动优化还是被动优化。主动优化对交换机按照重要性进行排序，被动优化随机选择一个交换机作为目标交换机。其次，选中目标交换机后进行删除。随后调用三种恢复策略进行拓扑恢复，其中恢复策略一和恢复策略二是添加物理链路进行链路重构，恢复策略三是直接进行路由调整，但可能无法满足RC任务的需求。恢复策略一为前后节点优先选择最小跳数按照初始路径进行链路重构；恢复策略二为选择目标节点前后的“边缘节点”进行连接进而实现重构，“边缘节点”通过节点介数衡量；恢复策略三指基于局部广度优先遍历的路由调整。

(4)混合策略择优

混合策略择优指交换机删减后通过三种恢复策略进行拓扑恢复，并计算目标函数进行评价和择优。

(5)链路去冗余

链路去冗余流程如图3所示。首先，按照链路重要性进行排序，重要性通过边介数衡量，即每条物理链路上经过的路由的数量。然后，按照链路的重要性从低到高选择目标链路，进行去冗余删除。

(6)双冗余设计

双冗余方案如图4所示，节点p和节点q上有需要周期发送的TT消息。发送端在设计报文格式时，在以太网报文的数据区中加入报文的时间标签，然后分别通过初始通道和备用通道传输。对TT消息的物理通道采用双冗余备份传输，在初始通道和备用通道上发送相同的TT消息，可以保证当某条通道出现故障时重要的TT消息不丢失。接收端接收数据包后，根据时间标签过滤冗余数据，进行去冗余处理。通过上述的双冗余设计可以保证TT消息的可靠传输。

(7)自动优化软件

拓扑优化软件界面如图5所示，该界面包含3个功能，添加初始结构文件，调用所设计的拓扑优化算法和显示优化后拓扑。添加初始结构文件：点击“选取文件_初始路由”按钮，选择路由文件(txt)后，点击“拓扑显示_初始”按钮，软件将调用拓扑结构文件(Excel)并显示拓扑图形。优化拓扑：点击“拓扑优化”按钮，选中当前的路由文件及拓扑文件并调用所设计的拓扑优化算法进行自动优化，算法执行完毕后生成优化后的拓扑结构文件(Excel)。显示优化后的拓扑方案：点击“选取文件_优化后拓扑”选择优化后的拓扑文件(Excel)，软件加载完毕后，点击“拓扑显示_优化后”按钮调用拓扑文件显示优化后的拓扑图形。

Claims (2)

1.一种航天以太网拓扑优化方法，其特征是，首先，根据给定的时间触发TT(Time-Triggered)业务和速率约束RC(Rate-Constrained)业务设计能实现所有业务路由功能的任意拓扑及其路由方式，得到初始拓扑和初始路由表；然后，设计综合考虑架构成本和延迟性能的目标函数，将目标函数作为拓扑的量化评价标准，筛选出网络延迟尽可能低，架构尽可能更简单的拓扑方案。

2.如权利要求1所述的航天以太网拓扑优化方法，其特征是，具体步骤细化为：具体步骤如下：

(1)获取初始路由表和拓扑

(2)设计目标函数

对给定的拓扑方案，计算所有RC流量的延迟之和

将其与RC延迟上限RC_deadline比较，综合考虑架构成本和延迟性能，对于确定的拓扑γ，构造目标函数Object(γ)为：

式中，第一项用于评价架构成本，第二项用于评价延迟性能，并引入权重w权衡架构成本和延迟性能在目标函数中的重要程度；第二项中的μ₁和μ₂是延迟状态的控制参数，且均为正数，μ₁是惩罚因子，排除不能满足网络延迟要求的优化方案；μ₂是奖励因子；

将目标函数Object作为优化方案的评价标准，用于评价拓扑方案在架构成本和性能延迟上的综合表现，最终应使得目标函数尽可能小，在满足网络延迟要求的前提下，获得拓扑成本更低的集约型拓扑方案；

(3)目标交换机删除及拓扑恢复

首先，识别是主动优化还是被动优化，主动优化对交换机按照重要性进行排序，被动优化随机选择一个交换机作为目标交换机；其次，选中目标交换机后进行删除，随后调用三种恢复策略进行拓扑恢复，其中恢复策略一和恢复策略二是添加物理链路进行链路重构，恢复策略三是直接进行路由调整，但可能无法满足RC任务的需求；恢复策略一为前后节点优先选择最小跳数按照初始路径进行链路重构；恢复策略二为选择目标节点前后的“边缘节点”进行连接进而实现重构，“边缘节点”通过节点介数衡量；恢复策略三指基于局部广度优先遍历的路由调整；

(4)混合策略择优

混合策略择优指交换机删减后通过三种恢复策略进行拓扑恢复，并计算目标函数进行评价和择优；

(5)链路去冗余

首先，按照链路重要性进行排序，重要性通过边介数衡量，即每条物理链路上经过的路由的数量，然后，按照链路的重要性从低到高选择目标链路，进行去冗余删除；

(6)双冗余设计

对于节点p和节点q上有需要周期发送的TT消息，发送端在设计报文格式时，在以太网报文的数据区中加入报文的时间标签，然后分别通过初始通道和备用通道传输；对TT消息的物理通道采用双冗余备份传输，在初始通道和备用通道上发送相同的TT消息，以保证当某条通道出现故障时重要的TT消息不丢失；接收端接收数据包后，根据时间标签过滤冗余数据，进行去冗余处理；

(7)自动优化软件

自动优化软件界面包含3个功能，添加初始结构文件，调用所设计的拓扑优化算法和显示优化后拓扑；添加初始结构文件：点击“选取文件_初始路由”按钮，选择路由文件后，点击“拓扑显示_初始”按钮，软件将调用拓扑结构文件并显示拓扑图形；优化拓扑：点击“拓扑优化”按钮，选中当前的路由文件及拓扑文件并调用所设计的拓扑优化算法进行自动优化，算法执行完毕后生成优化后的拓扑结构文件；显示优化后的拓扑方案：点击“选取文件_优化后拓扑”选择优化后的拓扑文件，软件加载完毕后，点击“拓扑显示_优化后”按钮调用拓扑文件显示优化后的拓扑图形。

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