CN113840384A - 一种tt-fc网络中时间触发消息的变步长调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TT‑FC网络中时间触发消息的变步长调度方法，涉及时间触发消息调度技术领域，包括构建调度数组，存储时间触发消息；构建消息数组，存储时间触发消息，并读取调度数组中时间触发消息的周期，获得消息周期的最小公倍数；读取所有消息的发送和接收，获得消息在网络中的链路，并对所有的时间触发消息进行编号与调度数组中的元素对应；循环遍历调度数组中各元素对应的消息更新时隙，构建调度矩阵；通过所述调度矩阵完成对消息的调度。本发明通过变步长的方式循环遍历消息更新时隙，生成调度矩阵实现消息的调度，减少了消息调度的计算时长和消耗的资源。

Description

一种TT-FC网络中时间触发消息的变步长调度方法

技术领域

本发明涉及时间触发消息调度技术领域，特别涉及一种TT-FC网络中时间触发消息的变步长调度方法。

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。

将网络中的消息划分为时间触发（TT）消息（实时性消息）与非时间触发、即事件触发（ET）消息（非实时性消息）。时间触发消息在提前约定的时间发送，此时网络中预留专门的带宽资源，使得时间触发消息在发送、转发和接收时与其他消息没有冲突，保证消息的实时性。事件触发消息在时间触发消息发送的间隙发送，没有实时性的保障。

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。

基于上述问题提出了不少关于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。还有提出了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

为解决上述技术问题，本发明提供了一种TT-FC网络中时间触发消息的变步长调度方法，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，并以最小公倍数LCM作为一个矩阵周期，研究时间触发消息在一个矩阵周期内的排布问题；对所有时间触发消息进行优先级排序，优先排布优先级更高的消息，每次取消息数量为步长数值这么多的消息，为它们分配待验证的时隙，如果取出来的消息都调度成功，则按要求增加步长；如果取出来的消息调度失败，则按要求减小步长，以此实现排布中的“变步长”，直到得到所有待调度时间触发消息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，从而实现消息的变步长调度。

本发明提供了一种TT-FC网络中时间触发消息的变步长调度方法，具体步骤如下：

S1：构建调度数组，存储时间触发消息第一次发送的时隙；

S2：构建消息数组，存储时间触发消息，并读取所有待排布的所述时间触发消息的周期，获得时间触发消息周期的最小公倍数LCM；

S3：读取所有消息的发送和接收，获得消息在网络中的链路，并对所有的所述时间触发消息进行编号与所述调度数组中的元素对应；

S4：遍历所述调度数组，根据遍历结果对消息分配无冲突的发送时隙并通过循环遍历更新时隙，并根据更新的元素值及对应的消息，构建调度矩阵；

S5：根据最终得到的无冲突发送的所述调度数组构造调度矩阵，通过所述调度矩阵对每条时间触发消息按照时隙进行调度。

进一步的，步骤S1中，所述调度数组和所述消息数组的长度为待排布的时间触发消息的条数。

进一步的，步骤S2中，在读取多数调度数组前，将所述时间触发消息按照周期的大小进行排序，若时间周期相同，则将相同周期消息进行随机放置。

进一步的，步骤S3中，所述调度数组中的元素值为对应所述时间触发消息无冲突第一次发送的时隙，所述时隙初始值设为-1。

进一步的，步骤S4中，所述调度矩阵构建的具体过程如下：

S401：设置步长，并对步长进行初始化；设置指针指向所述消息数组中编号最大的当前已分配的时间触发消息，并对指针进行初始化；

S402：判断当前指针位置，若当前指针加上一个步长小于所述消息数组的长度，则从所述消息数组中提取出当前指针下一个位置至当前指针加上一个步长所在位置的消息；若当期指针小于所述消息数组长度且当前指针加上一个步长不小于所述消息数组的长度，则从所述消息数组中提取当前指针下一个位置至所述消息数组最后一个位置的消息；

S403：对提取出的消息分配待验证的发送时隙，并判断提取出的消息是否满足约束条件，若满足，则将当前指针加上一个步长更新当前指针位置，同时将步长加1更新当前的步长，返回步骤S402；若不满足，则截取当前步长一半向上取整更新步长，返回步骤S402；

S404：循环执行S402-S403直至指针指向所述消息数组最后一个位置，根据将当前得到的消息数组，以链路数和时隙数分别作为行和列构建所述调度矩阵。

进一步的，步骤S403中，提取处的消息需满足以下任一约束条件，所述约束条件包括无冲突约束、路径约束以及端到端约束，具体如下：

所述无冲突约束满足如下不等式关系：

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

其中，launchslot()表示某消息对应的时隙，i和j分别表示编号为i和j的不同消息，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]，LCM为所有消息周期的最小公倍数，period（i）表示编号为i的消息的周期，m表示消息i从发送端到接收端顺序下的某条链路，n表示消息j从发送端到接收端顺序下的某条链路；

所述路径约束为预先对消息设定好链路和时隙；

所述端到端约束为任意消息通过链路的时隙必定在最大时隙以内。

进一步的，所述步长的初始化值为所述调度数组长度与10比值向上取整的数值，所述指针的初始化值为0。

本发明的有益效果如下：

本发明通过变步长的方式生成调度矩阵，能够一次性排布出较多的时间触发消息，减少了迭代的次数和计算的时间，基于生成的调度矩阵对应输出调度表，调度表规定了所有时间触发消息在网络无冲突前提下的发送时间，通过调度表进行消息调度，实现资源的合理分配。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的通信系统结构示意图；

图3是本发明的链路时隙示意图。

具体实施方式

在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于TT消息是周期性的，我们取所有消息周期的最小公倍数LCM为一个集群周期，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。通过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，令一个集群周期中划分出时隙数与集群周期数值相等。如图3所示，假设有消息从端系统ES1经过交换机SW1发送到端系统ES2，且在某一个时隙经过ES1-SW1之间的链路，则一定会在下一个时隙经过SW1-ES2之间的链路，那么求解所有消息第一次发送的调度时隙launchslot即是解决调度的关键。具体通过如下实施例进行阐述。

实施例1

本发明的实施例1提供了一种TT-FC网络中时间触发消息的变步长调度方法，如图2所示，在本实施例中，以图2中所示的通信系统结构，包括A、B、C、D四个端系统和一个交换机的系统为例，本实施例中TT-FC消息分为两大类，所述TT-FC消息包括时间触发(Time-Triggered, TT)消息和事件触发(Event-Triggered, ET)消息，TT消息在特定时隙收发，有着严格的实时性要求；当FC网络通信系统中没有TT消息传送的时候可以发送ET消息，其中，TT消息的表示，例如第i条TT消息Ti可表示为：

Ti = {source(i), destination(i), period(i), length(i), launchslot(i)}，从左到右依次表示为第i条TT消息的发送端口、接收端口、周期、消息长度以及待求解的消息第一次发送的时隙；将所有待排布的时间触发消息（TT消息）存储为消息数组。

基于本实施例中的通信系统结构，假设A、B、C、D上行至SW的链路分别标为1、2、3、4，SW下行至A、B、C、D的链路分别标为5、6、7、8，且有6条待排布的时间触发消息，如下所示：

表1：通信系统结构

编号	发送端口	接收端口	周期	经过链路
					1	A	C	2	1，7
2	C	B	3	3，6
					3	C	D	3	3，8
4	B	A	6	2，5
					5	D	A	6	4，5
6	D	B	6	4，6

基于上述给定的时间触发消息的情况下，如图1所示，通过变步长调度方法实现TT消息的调度，所述方法具体过程如下：

S1：构建调度数组，存储时间触发消息，用于无冲突发送所有时间触发消息；

设置一个所有时间触发消息无冲突发送的调度数组launchslot，该数组长度为待排布的时间触发消息条数，记为ttNum。

S2：构建消息数组，存储时间触发消息，并读取所有待排布的所述时间触发消息的周期，获得时间触发消息周期的最小公倍数LCM；

读取每条待排布的时间触发消息的周期，将所有消息按照周期从小到大进行排序，若消息周期相同，则相同周期的消息进行随机放置，之后获的所有消息周期的最小公倍数记为LCM，本实施例中，排序结果如表1所示，最小公倍数LCM=6。

S3：读取所有消息的发送和接收，获得消息在网络中的链路，并对所有的所述时间触发消息进行编号与所述调度数组中的元素对应；

读取所有消息的发送端口和接收端口，获得在网络中顺序经过的链路，即表1中第五列所示，将所有时间触发消息按照步骤S2中排序的结果，从1开始进行编号，并将编号与所述调度数组launchslot中元素一一对应，所述调度数组launchslot中的元素值为对应消息无冲突第一次发送的时隙，时隙初始值设为-1，即当前的调度数组launchslot=[-1，-1，-1，-1，-1，-1]；

S4：遍历所述消息数组，根据遍历结果对消息分配无冲突的发送时隙并通过循环遍历更新时隙，并根据更新的元素值及对应的消息，构建调度矩阵；

所述调度矩阵构建的具体过程如下：

S401：设置步长stepsize，并对步长进行初始化，所述步长的初始化值为所述调度数组/消息数组长度与10比值向上取整的数值，即对ttNum/10向上取整；设置一个指针k指向所述消息数组中编号最大的当前已分配的时间触发消息，并对指针k进行初始化,所述指针k的初始化值为0。

S402：判断当前指针k位置，若当前指针加上一个步长小于所述消息数组的长度,则从所述消息数组中提取出当前指针下一个位置至当前指针加上一个步长所在位置的消息；若当期指针小于所述消息数组长度且当前指针加上一个步长不小于所述消息数组的长度，则从所述消息数组中提取当前指针下一个位置至所述调度数组最后一个位置的消息；

即若k+stepsize<ttNum，则取出编号为k+1到编号为k+stepsize的消息；若k<ttNum且k+stepsize>=ttNum，则取出编号为k+1到编号为ttNum的消息；

S403：对提取出的消息分配待验证的发送时隙，记编号为i的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(i)，其中launchslot.temp(i)为1到period(i)中的随机整数；

并判断提取出的消息是否满足约束条件，若满足，则将当前指针加上一个步长更新当前指针位置，同时将步长加1更新当前的步长，返回步骤S402；若不满足，则截取当前步长一半向上取整更新步长，返回步骤S402；

即若满足约束条件，更新k=k+stepsize，且stepsize=stepsize+1，写入launchslot(i)=launchslot.temp(i)，返回步骤S402；若不满足约束条件，更新stepsize=stepsize/2，其中对stepsize/2向上取整，返回步骤S402；

所述约束条件包括无冲突约束、路径约束以及端到端约束，具体如下：

所述无冲突约束满足如下不等式关系：

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

其中，launchslot()表示某消息对应的时隙，i和j分别表示编号为i和j的不同消息，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]，LCM为所有消息周期的最小公倍数，period（i）表示编号为i的消息的周期，m表示消息i从发送端到接收端顺序下的某条链路，n表示消息j从发送端到接收端顺序下的某条链路；

所述路径约束为预先对消息设定好链路和时隙；例如，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Sx通过链路L1，则必定在时隙Sx+1通过链路L2，其中Sx+1为Sx的下一时隙。

所述端到端约束为任意消息通过链路的时隙必定在最大时隙以内，即满足：launchslot(i)+period(i)×(LCM/period(i)-1)<LCM，且launchslot(i)为大于0的整数，其中，launchslot(i)表示编号为i的消息对应的时隙，period（i）表示编号为i的消息的周期，LCM为所有消息周期的最小公倍数。

S404：循环执行S402-S403直至指针指向所述消息数组最后一个位置，根据将当前得到的消息数组，以链路数和时隙数分别作为行和列构建所述调度矩阵。

本实施例中，基于上述表1中给定的消息，构建所述调度矩阵的S402-S404过程为：

由于k+stepsize<ttNum=10，取出编号为k+1到编号为k+stepsize的消息，即编号为1的消息；

为取出来的消息分配待验证的发送时隙，假设编号为1的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(1)=1；

判断当前指针位置，默认的初始条件下，显然指针满足条件，未指向数组最后位置，将launchslot.temp(1)=1代入约束条件无冲突，则launchslot(1)=launchslot.temp(1)=1，且k=k+stepsize=1，stepsize=stepsize+1=2，此时launchslot更新为[1,-1,-1,-1,-1,-1]；

判断指针位置，由于k+stepsize=3<ttNum=6，取出编号为k+1到编号为k+stepsize的消息，即编号为2、3的消息；

为取出来的编号为2、3的消息分配待验证的发送时隙，假设编号为2的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(2)=1，编号为3的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(3)=2；将launchslot.temp(2)=1，launchslot.temp(3)=2代入约束条件无冲突，则launchslot(2)=launchslot.temp(2)=1，launchslot(3)=launchslot.temp(3)=2，且k=k+stepsize=3，stepsize=stepsize+1=3，此时launchslot更新为[1,1,2,-1,-1,-1]；

判断指针位置，由于k<ttNum且k+stepsize=6=ttNum，故取出编号为4、5、6的消息；

为取出来的编号为4、5、6的消息分配待验证的发送时隙，假设编号为4的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(4)=4，编号为5的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(5)=3，编号为6的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(6)=3；将launchslot.temp(4)=4，launchslot.temp(5)=3，launchslot.temp(6)=3代入约束条件有冲突，则stepsize=stepsize/2=2，这里若stepsize/2为非整数，则对其进行向上取整；

判断指针位置，由于k+stepsize=5<ttNum=6，取出编号为k+1到编号为k+stepsize的消息，即编号为4、5的消息；

为取出来的编号为4、5的消息分配待验证的发送时隙，假设编号为4的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(4)=3，编号为5的消息分配到的待验证的发送时隙为launchslot.temp(5)=4；将launchslot.temp(4)=3，launchslot.temp(5)=4代入约束条件无冲突，则launchslot(4)=launchslot.temp(4)=3，launchslot(5)=launchslot.temp(5)=4，且k=k+stepsize=5，stepsize=stepsize+1=3，此时launchslot更新为[1,1,2,3,4,-1]；

判断指针位置，由于k<ttNum且k+stepsize>=ttNum，取出编号为k+1到编号为ttNum的消息，即编号为6的消息；

为取出来的编号为6的消息分配待验证的发送时隙，假设编号为6的消息分配到的待验证的发送时隙launchslot.temp(6)=3；将launchslot.temp(6)=3代入约束条件无冲突，则launchslot(6)=launchslot.temp(6)=3，且k=k+stepsize=7，stepsize=stepsize+1=3，此时launchslot更新为[1,1,2,3,4,3]；

判断指针位置，由于k>=ttNum，此时所有消息都已分配到无冲突的发送时隙，得到最终无冲突发送的调度数组launchslot=[1,1,2,3,4,3]；

S5：根据最终得到的无冲突发送的所述调度数组构造调度矩阵，所述调度矩阵以链路数和时隙数分别作为行和列，如下所示：

表2：调度矩阵表示

	S1	S2	S3	S4	S5	S6
							L1	1		1		1
L2			4
							L3	2	3		2	3
L4			6	5
							L5				4	5
L6		2		6	2
							L7		1		1		1
L8			3			3

TT-FC网络通过所述调度矩阵对每条时间触发消息按照调度时隙进行调度，矩阵中L行S列的元素为i表示编号为i的消息将在时隙S通过链路L。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种TT-FC网络中时间触发消息的变步长调度方法，其特征在于，包括：

S1：构建调度数组，存储时间触发消息第一次发送的时隙；

S2：构建消息数组，存储时间触发消息，并读取所有待排布的所述时间触发消息的周期，获得时间触发消息周期的最小公倍数LCM；

S3：读取所有消息的发送和接收，获得消息在网络中的链路，并对所有的所述时间触发消息进行编号与所述调度数组中的元素对应；

S4：遍历所述调度数组，根据遍历结果对消息分配无冲突的发送时隙并通过循环遍历更新时隙，并根据更新的元素值及对应的消息，构建调度矩阵；

S5：根据最终得到的无冲突发送的所述调度数组构造调度矩阵，通过所述调度矩阵对每条时间触发消息按照时隙进行调度。

2.根据权利要求1所述的变步长调度方法，其特征在于，步骤S1中，所述调度数组和所述消息数组的长度为待排布的时间触发消息的条数。

3.根据权利要求1所述的变步长调度方法，其特征在于，步骤S2中，读取所述时间触发消息的周期时，将所述时间触发消息按照周期的大小进行排序，若时间周期相同，则将相同周期消息进行随机放置。

4.根据权利要求1所述的变步长调度方法，其特征在于，步骤S3中，所述调度数组中的元素值为对应所述时间触发消息无冲突第一次发送的时隙，所述时隙的初始值设为-1。

5.根据权利要求1所述的变步长调度方法，其特征在于，步骤S4中，所述调度矩阵构建的具体过程如下：

S401：设置步长，并对步长进行初始化；设置指针指向所述消息数组中编号最大的当前已分配的时间触发消息，并对指针进行初始化；

S402：判断当前指针位置，若当前指针加上一个步长小于所述消息数组的长度，则从所述消息数组中提取出当前指针下一个位置至当前指针加上一个步长所在位置的消息；若当期指针小于所述消息数组的长度且当前指针加上一个步长不小于所述消息数组的长度，则从所述消息数组中提取当前指针下一个位置至所述消息数组最后一个位置的消息；

S403：对提取出的消息分配待验证的发送时隙，并判断提取出的消息是否满足约束条件，若满足，则将当前指针加上一个步长更新当前指针位置，同时将步长加1更新当前的步长，返回步骤S402；若不满足，则截取当前步长一半向上取整更新步长，返回步骤S402；

S404：循环执行S402-S403直至指针指向所述消息数组最后一个位置，根据将当前得到的消息数组，以链路数和时隙数分别作为行和列构建所述调度矩阵。

6.根据权利要求5所述的变步长调度方法，其特征在于，步骤S403中，提取处的消息需满足以下任一约束条件，所述约束条件包括无冲突约束、路径约束以及端到端约束，具体如下：

所述无冲突约束满足如下不等式关系：

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

其中，launchslot()表示某消息对应的时隙，i和j分别表示编号为i和j的不同消息，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]，LCM为所有消息周期的最小公倍数，period（i）表示编号为i的消息的周期，m表示消息i从发送端到接收端顺序下的某条链路，n表示消息j从发送端到接收端顺序下的某条链路；

所述路径约束为预先对消息设定好链路和时隙；

所述端到端约束为任意消息通过链路的时隙必定在最大时隙以内。

7.根据权利要求5所述的变步长调度方法，其特征在于，所述步长的初始化值为所述调度数组长度与10比值向上取整的数值，所述指针的初始化值为0。

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