CN113794654B

CN113794654B - 一种tt-fc网络中时间触发消息的分组调度方法

Info

Publication number: CN113794654B
Application number: CN202111081970.5A
Authority: CN
Inventors: 郭进; 许渤; 邱昆
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-09-15
Also published as: CN113794654A

Abstract

本发明公开了一种TT‑FC网络中时间触发消息的分组调度方法，通过读取每条待调度的时间触发消息，提取出每条时间触发消息的周期、发送端口、接收端口以及经过的链路，再计算所有时间触发消息的周期的最小公倍数LCM和最大公约数GCD，并以最小公倍数LCM作为一个矩阵周期，以最大公约数GCD作为区间长度，将矩阵周期划分为多个左开右闭的时隙区间，然后为所有的时隙区间设置优先级，按照优先级顺序依次遍历每个时隙区间中每条消息，并按照设定的约束条件进行验证，当所有消息验证完成后获得无冲突发送的调度数组，最后根据调度数组生成对应的调度矩阵，从而实现消息的分组调度。

Description

一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法

技术领域

本发明属于航空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法。

背景技术

随着航空电子系统综合化程度的提高，航电网络吞吐量越来越大、扩展性越来越强，对实时性的要求越来越高。传统航电数据总线传输速率较低、吞吐量较小，无法满足目前的需求。光纤通道(Fibre Channel,FC)具有高速率、高带宽和低延迟的优点，是比较好的航电网络解决方案。但FC的调度算法仍然存在不确定性，无法保证网络中消息实时性的要求。时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet,TTE)在普通以太网基础上加入了时间触发的机制，能让网络中的实时性消息在预定的时间发送、转发和接收，避免消息间的冲突。因此在FC中加入时间触发机制，把实时性消息和非实时性消息隔离开，优先保证实时性消息的发送和接收。在时间触发光纤通道TT-FC(TimeTriggered-Fibre Channel)中实时性消息的发送和接收依靠消息调度表。随着实时性消息数量增加和网络规模扩大，求解消息调度表所需要的计算时间呈指数型增长，消耗的资源也越来越多。

国内有研究者提出了不少关于TTE调度表的生成算法，比如时间触发单调速率调度(TT-RMS)算法、启发式算法如粒子群(PSO)算法等。TT-RMS算法先把时间触发消息按照优先级进行排序，优先排布容易冲突的消息；粒子群算法的每个粒子都代表问题的一个可能解，通过粒子内部信息交互和粒子位置的改变慢慢靠向可行解，但粒子群算法随着消息数量增多，计算时间呈指数增长，且容易陷入局部最优，不一定能得到可行解。国外的学者也提出了TTE中的调度表生成算法，比如一种基于可满足性模型理论(SMT)求解器的调度表生成算法，将要求解的线性规划问题输入SMT求解器进行解答，但当消息数量增多时，SMT求解器的计算时间呈指数增长，无法应用于大规模网络。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法，在给定时间触发(Time-Triggered,TT)消息的情况下，求出所有消息满足约束条件下第一次无冲突发送的调度数组，最后再根据调度数组生成对应的调度矩阵，从而实现消息的分组调度。

为实现上述发明目的，本发明一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置所有时间触发消息无冲突发送的调度数组launchslot，其长度为时间触发消息条数；将所有时间触发消息从1开始随机编号，并将编号按序排放在launchslot中，launchslot中的元素值为每条消息的调度时隙，其初始值全部为-1；

(2)、读取每条待调度的时间触发消息，提取出每条时间触发消息的周期、发送端口、接收端口以及经过的链路；

(3)、计算所有时间触发消息的周期的最小公倍数LCM和最大公约数GCD；

(4)、以最小公倍数LCM作为一个矩阵周期，以最大公约数GCD作为区间长度，将矩阵周期划分为多个左开右闭的时隙区间；

(5)、为所有的时隙区间设置优先级：按照时隙区间右端点数值从小到大进行排序，右端点数值越小其对应的时隙区间的优先级越高；

(6)、按照优先级顺序依次遍历每个时隙区间，先取优先级最高的时隙区间，记录该时隙区间内所有的时间触发消息并从1开始随机编号，记最后一条时间触发消息的编号为ttNum；

(7)、定义一个消息未调度的数组，记为ttUnset；将编号后的时间触发消息按序存储在数组ttUnset中；

(8)、对数组ttUnset中的每条时间触发消息生成待验证的发送时隙，记为launchslot.temp；其中，第i条时间触发消息对应的launchslot.temp(i)为[1,period(i)]中的随机整数，period(i)为第i条时间触发消息的周期；

(9)、遍历数组ttUnset，对第i条时间触发消息对应的launchslot.temp(i)进行验证，如果满足调度约束条件，则将launchslot中对应消息的元素的值由-1设置为launchslot.temp(i)，同时将第i条时间触发消息从ttUnset数组中移除；如果不满足调度约束条件，则继续遍历下一条时间触发消息；

(10)、判断数组ttUnset是否为空，如果为空，则表示该时隙区间内所有消息都分配成功，然后继续判断所有时隙区间是否均操作完成，如果完成，则获得无冲突发送的调度数组launchslot，进入步骤(11)；否则，返回步骤(6)继续下一个时隙区间的操作；如果不为空，则返回步骤(8)；

(11)、根据调度数组launchslot构造一个行数为链路数、列数为时隙数的调度矩阵A，其中，若第L行第S列的元素为i，代表调度数组launchslot中编号为i的消息在时隙S通过链路L；

(12)、TT-FC网络按照调度矩阵对每条时间触发消息按照调度时隙进行调度。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法，通过读取每条待调度的时间触发消息，提取出每条时间触发消息的周期、发送端口、接收端口以及经过的链路，再计算所有时间触发消息的周期的最小公倍数LCM和最大公约数GCD，并以最小公倍数LCM作为一个矩阵周期，以最大公约数GCD作为区间长度，将矩阵周期划分为多个左开右闭的时隙区间，然后为所有的时隙区间设置优先级，按照优先级顺序依次遍历每个时隙区间中每条消息，并按照设定的约束条件进行验证，当所有消息验证完成后获得无冲突发送的调度数组，最后根据调度数组生成对应的调度矩阵，从而实现消息的分组调度。

同时，本发明一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法还具有以下有益效果：

(1)、将消息进行优先级划分，与采用粒子群算法等未区分优先级的方法相比，优先排布优先级更高的消息，使得时隙分配更为合理，链路中时隙利用率更高，算法在后期收敛速度更快；

(2)、将所有时间触发消息分组，弥补了传统单调速率算法中对消息一条一条排布计算量大，传统SMT求解器或粒子群算法中对所有消息整体排布时间长、且不容易得到可行结果的缺点，这种优势在消息数量较大时体现；

(3)、与传统方法的结果相比，采用该分组筛选方法进行调度，ET消息的平均延迟和最大延迟都更低，对于TT消息和ET消息共存的网络适用性更强；

(4)、与传统方法的结果相比，采用该分组筛选生成方法得到的调度矩阵可以更加直观地看到消息、时隙和链路的关系，转化为调度表更加方便、快捷。

附图说明

图1是本发明一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法流程图；

图2是调度时隙示意图；

图3是包含四个端系统和一个交换机的一种具体实施方式网络结构图；

图4是包含90个端系统和2个交换机的一种具体实施方式网络结构图；

图5是链路最大时隙占用率随消息数量变化的曲线；

图6是链路平均时隙占用率随消息数量变化的曲线；

图7是ET消息的最大延迟曲线；

图8是ET消息的平均延迟曲线；

图9是采用和不采用消息分组方式下10000条消息随迭代次数的收敛曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法，包括以下步骤：

S1、设置消息无冲突发送的调度数组launchslot；

在本实施例中，TT-FC中的消息可以分为两大类，分别是时间触发(Time-Triggered,TT)消息和事件触发(Event-Triggered,ET)消息。TT消息在特定时刻收发，有着严格的实时性要求；当系统中没有TT消息传送的时候可以发送ET消息。本方法仅研究TT消息的调度。第i条TT消息T_i可表示为：

T_i＝{source(i),destination(i),period(i),length(i),launchslot(i)}

从左到右依次为第i条TT消息的发送端口、接收端口、周期、消息长度，待求解的消息第一次发送的时隙。

设置所有时间触发消息无冲突发送的调度数组launchslot，其长度为时间触发消息条数；将所有时间触发消息从1开始随机编号，并将编号按序排放在launchslot中，launchslot中的元素值为每条消息的调度时隙，其初始值全部为-1；

S2、提取时间触发消息参数

读取每条待调度的时间触发消息，提取出每条时间触发消息的周期，并根据提取出的发送端口、接收端口得到消息在网络中经过的链路；

S3、计算所有时间触发消息的周期的最小公倍数LCM和最大公约数GCD；

S4、以最小公倍数LCM作为一个矩阵周期，以最大公约数GCD作为区间长度，将矩阵周期划分为多个左开右闭的时隙区间；

在本实施例中，TT消息是周期性的，我们取所有消息周期的最小公倍数(LeastCommon Multiple,LCM)为一个集群周期(Cluster Circle,CC)，集群周期又称矩阵周期，只需要研究消息在一个矩阵周期内的排布问题即可。将矩阵周期划分成若干个等长时隙，时隙的长度可以保证最长TT帧在链路上的一跳，即至少包含发送端延迟、链路延迟、接收端处理延迟等，故消息的长度length部分可以不予考虑。同时在模型中，对集群周期和时隙数作归一化，令一个CC中划分出时隙数S与CC数值相等。如图2，假设有消息从ES1经过SW1发送到ES2，且在某一个时隙经过ES1-SW1链路，则一定会在下一个时隙经过SW1-ES2链路。求解所有消息第一次发送的调度时隙即是解决调度的关键。

S5、为所有的时隙区间设置优先级：按照时隙区间右端点数值从小到大进行排序，右端点数值越小其对应的时隙区间的优先级越高；

S6、按照优先级顺序依次遍历每个时隙区间，先取优先级最高的时隙区间，记录该时隙区间内所有的时间触发消息并从1开始随机编号，记最后一条时间触发消息的编号为ttNum；

S7、定义一个消息未调度的数组，记为ttUnset；将编号后的时间触发消息按序存储在数组ttUnset中；

S8、对数组ttUnset中的每条时间触发消息生成待验证的发送时隙，记为launchslot.temp；其中，第i条时间触发消息对应的launchslot.temp(i)为[1,period(i)]中的随机整数，period(i)为第i条时间触发消息的周期；

S9、遍历数组ttUnset，对第i条时间触发消息对应的launchslot.temp(i)进行验证，如果满足调度约束条件，则将launchslot中对应消息的元素的值由-1设置为launchslot.temp(i)，同时将第i条时间触发消息从ttUnset数组中移除；如果不满足调度约束条件，则继续遍历下一条时间触发消息；

在本实施例中，调度约束条件满足以下条件：

1)、无冲突约束：在同一个时隙中同一条链路最多只能被一条消息占据，若有经过同一条链路L的不同消息i和j，且链路L为消息i从发送端到接收端顺序下的第m条链路，为消息j从发送端到接收端顺序下的第n条链路，则有以下不等式成立：

launchslot(i)+(m-1)+period(i)×p≠launchslot(j)+(n-1)+period(i)×q

其中，p和q表示在一个矩阵周期内控制消息i和j重复发送的参数，且p∈[0,LCM/period(i)-1]，q∈[0,LCM/period(j)-1]；

2)、路径约束：若编号为i的消息需要连续通过链路L₁和链路L₂且在时隙S_x通过链路L₁，则必定在时隙S_x+1通过链路L₂；

3)、端到端约束：任意消息i通过链路的时隙必定在最大时隙数以内，即满足：launchslot(i)+period(i)×(LCM/period(i)-1)<LCM，且launchslot(i)为大于0的整数。

S10、判断数组ttUnset是否为空，如果为空，则表示该时隙区间内所有消息都分配成功，然后继续判断所有时隙区间是否均操作完成，如果完成，则获得无冲突发送的调度数组launchslot，进入步骤S11；否则，返回步骤S6继续下一个时隙区间的操作；如果不为空，则返回步骤S8；

S11、根据调度数组launchslot构造一个行数为链路数、列数为时隙数的调度矩阵A，其中，若第L行第S列的元素为i，代表调度数组launchslot中编号为i的消息在时隙S通过链路L；

下面我们对调度矩阵A的构造方法进行说明，具体为：

遍历调度数组launchslot，若调度数组launchslot中编号为i的消息的元素值为launchslot(i)，其对应周期为period(i)，顺序通过链路L₁、L₂、……、L_n，则记调度矩阵A中对应位置(L₁，launchslot(i)+p×period(i))、(L₂，launchslot(i)+1+p×period(i))、……、(L_n，launchslot(i)+(n-1)+p×period(i))的元素值记为i，其中，n表示消息i顺序通过链路的条数，p表示在一个矩阵周期内控制消息i重复发送的参数，且p∈[0,LCM/period(i)-1]。

假设如图3所示网络，有ABCD四个端系统和一个交换机SW，另有两条消息编号分别为1和2，且周期period(1)＝2,period(2)＝3；消息1从A发往C，消息2从D发往B；假设ABCD上行至SW的链路分别标为1、2、3、4，SW下行至ABCD的链路分别标为5、6、7、8，且按照上述步骤可以得到launchslot(1)＝1，launchslot(2)＝2；那么调度矩阵构造如下：

总链路数为8，时隙数为LCM＝6，故初始化调度矩阵为8行6列的零矩阵；

对编号为1的消息，p为0时消息1第一次发送，由launchslot可知，在时隙1通过链路1，时隙2通过链路7，故调度矩阵中(1,1),(7,2)的元素为1；p为1时消息1第二次发送，由于周期为2，在时隙3通过链路1，时隙4通过链路7，故调度矩阵中(1,3),(7,4)的元素为1；p为2时消息第三次发送，由于周期为2，在时隙5通过链路1，时隙6通过链路7，故调度矩阵中(1,5),(7,6)的元素为1。

对编号为2的消息，p为0时消息2第一次发送，由launchslot可知，在时隙2通过链路4，时隙3通过链路6，故调度矩阵中(4,2),(6,3)的元素为2；p为1时消息2第二次发送，由于周期为3，在时隙5通过链路4，时隙6通过链路6，故调度矩阵中(4,5),(6,6)的元素为1。

最后得到的调度矩阵如表1所示；

表1

S12、TT-FC网络按照调度矩阵对每条时间触发消息按照调度时隙进行调度。

下面通过本发明对以下两个指标进行验证：

在本实施例中，对比仿真时采用的网络模型如图4，包含90个端系统和2个经过光电转换后的电交换机，所有链路为全双工链路，为了方便描述给链路进行编号，从ES1～ES90上行至交换机的链路分别标识为Link1～Link90，从交换机至ES1～ES90的下行链路分别标识为Link91～Link180，SW1到SW2以及反向链路标识为Link181和Link182。依据网络模型和时隙模型，可得S＝CC，L＝182；

链路最大时隙占用率(Links’Maximum Timeslot Occupancy Rate,LMTOR)：指当网络中最大的链路时隙占有率，当LMTOR越大，说明影响消息排布的原因越来越倾向于消息本身，即算法的效果越好；当LMTOR越小，说明排布失败时各条链路的占用率都不高，此时算法的效果不好。另一个指标是链路平均时隙占用率(Links’Average Timeslot OccupancyRate,LATOR)，体现了整个网络负载的高低程度。控制通过中间链路的消息比例，记为p。其中SW1和SW2之间的Link181和Link182比较容易发生冲突，需要格外关注。

当P＝1％时，LMTOR和LATOR随消息数变化曲线，分别如图5和6所示，可以看到随着消息数增加到40000条，提出的分组筛选排序法和常用的顺序排序法几乎同时失效，此时链路最大时隙占用率在98.9％左右，链路平均时隙占用率也有93.9％。从而可以看到两者性能相近。

ET消息延迟：网络中除了TT消息还有很多ET消息，TT消息的排布对ET消息的传输影响很大。仿真以时隙为单位分析了在10000条TT消息(周期比200:500:1000数量比1:3:6)已经成功排布的情况下若干ET消息的最大延迟如图7所示，平均延迟如图8所示。

在本实施例中，将消息进行优先级划分，与采用粒子群算法等未区分优先级的方法相比，10000条消息随迭代次数的收敛曲线如图9所示，优先排布优先级更高的消息，使得时隙分配更为合理，链路中时隙利用率更高，算法在后期收敛速度更快；

可以看到随着一个CC内随机产生的ET消息数量增加，常用方法顺序排序的最大延迟和平均延迟增加的速度较为剧烈，而分组筛选排序法在消息数量上没有这么敏感。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种TT-FC网络中时间触发消息的分组调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、设置所有时间触发消息无冲突发送的调度数组launchslot，其长度为时间触发消息条数；将所有时间触发消息从1开始随机编号，并将编号按序排放在launchslot中，launchslot中的元素值为每条消息的调度时隙，其初始值全部为-1；

（2）、读取每条待调度的时间触发消息，提取出每条时间触发消息的周期，并根据提取出的发送端口、接收端口得到消息在网络中经过的链路；

（3）、计算所有时间触发消息的周期的最小公倍数LCM和最大公约数GCD；

（4）、以最小公倍数LCM作为一个矩阵周期，以最大公约数GCD作为区间长度，将矩阵周期划分为多个左开右闭的时隙区间；

（5）、为所有的时隙区间设置优先级：按照时隙区间右端点数值从小到大进行排序，右端点数值越小其对应的时隙区间的优先级越高；

（6）、按照优先级顺序依次遍历每个时隙区间，先取优先级最高的时隙区间，记录该时隙区间内所有的时间触发消息并从1开始随机编号，记最后一条时间触发消息的编号为ttNum；

（7）、定义一个消息未调度的数组，记为ttUnset；将编号后的时间触发消息按序存储在数组ttUnset中；

（8）、对数组ttUnset中的每条时间触发消息生成待验证的发送时隙，记为launchslot.temp；其中，第i条时间触发消息对应的launchslot.temp(i)为[1,period(i)]中的随机整数，period(i)为第i条时间触发消息的周期；

（9）、遍历数组ttUnset，对第i条时间触发消息对应的launchslot.temp(i)进行验证，如果满足调度约束条件，则将launchslot中对应消息的元素的值由-1设置为launchslot.temp(i)，同时将第i条时间触发消息从ttUnset数组中移除；如果不满足调度约束条件，则继续遍历下一条时间触发消息；

（10）、判断数组ttUnset是否为空，如果为空，则表示该时隙区间内所有消息都分配成功，然后继续判断所有时隙区间是否均操作完成，如果完成，则获得无冲突发送的调度数组launchslot，进入步骤（11）；否则，返回步骤（6）继续下一个时隙区间的操作；如果不为空，则返回步骤（8）；

（11）、根据调度数组launchslot构造一个行数为链路数、列数为时隙数的调度矩阵A，其中，若第L行第S列的元素为i，代表调度数组launchslot中编号为i的消息在时隙S通过链路L；

（12）、TT-FC网络按照调度矩阵对每条时间触发消息按照调度时隙进行调度；

其中，所述的调度约束条件为：

2.1）、无冲突约束：在同一个时隙中同一条链路最多只能被一条消息占据，若有经过同一条链路L的不同消息i和j，且链路L为消息i从发送端到接收端顺序下的第m条链路，为消息j从发送端到接收端顺序下的第n条链路，则有以下不等式成立：

launchslot(i)+(m-1)+period(i)×p≠launchslot(j)+(n-1)+period(i)×q

2.2）、路径约束：若编号为i的消息需要连续通过链路L₁和链路L₂且在时隙S_x通过链路L₁，则必定在时隙S_x+1通过链路L₂，其中S_x+1为S_x的下一时隙；

2.3）、端到端约束：任意消息i通过链路的时隙必定在最大时隙数以内，即满足：launchslot(i) + period(i) ×(LCM/period(i)-1) < LCM，且launchslot(i)为大于0的整数；

其中，所述调度矩阵A的构造方法为：

遍历调度数组launchslot，若调度数组launchslot中编号为i的消息的元素值为launchslot(i)，其对应周期为period(i)，顺序通过链路L₁、L₂、……、L_n，则记调度矩阵A中对应位置(L₁，launchslot(i)+p×period(i)）、(L₂，launchslot(i)+1+p×period(i))、……、（L_n，launchslot(i)+(n-1)+p×period(i)）的元素值记为i，其中，n 表示消息i顺序通过链路的条数，p表示在一个矩阵周期内控制消息i重复发送的参数，且p∈[0,LCM/period(i)-1]。