CN113992512A - 一种tte系统高可靠配置切换控制协议及重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TTE系统高可靠配置切换控制协议及重构方法，该协议预先定义配置切换控制帧和配置切换控制寄存器；然后在TTE系统的TT业务中通过配置切换控制业务规划方法规划配置切换控制帧：该重构方法将TTE系统中的其中一个端系统作为主控节点，主控节点发出配置切换的指令，采用配置切换控制协议进行配置切换，整个TTE系统在发出指令所在集群周期的下一个集群周期开始进行配置切换，从这个集群周期开始以新的配置运行，实现TTE系统的配置重构。本发明的配置重构方法支持TTE网络运行过程中的任意时刻动态切换配置，提高TTE网络使用的灵活性；支持用户不同场景下业务数据流的无缝切换，并且切换速度快。

Description

一种TTE系统高可靠配置切换控制协议及重构方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及时间触发以太网，具体涉及一种TTE系统高可靠配置切换控制协议及重构方法。

背景技术

近年来，实时网络传输需求给实时网络带来了新的需求和挑战，成为各国工业界研究的热点问题。在激烈竞争中，时间触发以太网(TTEthernet，Time TriggeredEthernet，简称TTE)脱颖而出，其将时间触发技术的确定性、容错机制和实时性能同普通以太网的灵活性、动态性能以及“尽力而为”相结合，为同步的、高度可靠嵌入式计算与网络、容错设计提供支持。TTE相对于传统以太网而言增加了时钟同步功能，能传输传统以太网上没有的时间确定性数据(TT帧)，并且对IEEE802.3完全兼容。

面向未来云作战体系和“马赛克战”的需求，国防装备正向着灵活组网、快速组合、智能化控制的体系化作战方向发展，要求兼具海量算力、超高带宽和容量，控制与信息融合传输、任务协同调度等能力。这一需求要求新型装备网络必须是兼具高可靠、强实时、确定性、高带宽、大容量、控制与信息融合的柔性开放式网络架构。那么，时间触发以太网技术恰好可以满足这个需求，TTE技术已率先应用于航天运载平台、卫星控制和深空探测器等领域。

TTEthernet在单一网络中可以同时满足不同实时和安全等级的应用需要，支持三种不同的消息类型，时间触发(TT)、速率约束(RC)和尽力而为(BE)。TT消息应用时间触发机制，所有的TT消息在网络中按特定的时间发送，优先级高于其他所有类型消息。RC消息相对于TT消息，适用于实时性要求不那么严格的系统。RC消息保证系统中对应的每个虚链路的消息带宽是确定的，时间延迟不超过预期的限制范围。BE消息采用众所周知的普通以太网方式，传输过程中无法保证是否或何时成功发送了消息。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种TTE系统高可靠配置切换控制协议及重构方法，解决现有技术中的TTE网络配置固定的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种配置切换控制协议，该协议用于TTE系统，所述的TTE系统至少包括一个交换机和与交换机相连的至少两个端系统，所述的两个端系统分别为端系统1和端系统2，其中端系统1为主控节点，交换机与端系统中分别对应预设有至少两个配置，所述的两个配置分别为配置1和配置2；

该协议预先定义配置切换控制帧和配置切换控制寄存器；然后在TTE系统的TT业务中通过配置切换控制业务规划方法规划配置切换控制帧：

该配置切换控制协议包括以下步骤：

步骤S1，整个TTE系统正常运行，使用的配置是默认的配置1。

步骤S2，主控节点收到集群周期开始的中断，发出配置切换控制帧，同时主控节点设置配置切换控制寄存器通知主控节点的FPGA切换配置；

步骤S3，交换机收到主控节点发出的配置切换控制帧，转发给交换机的虚拟端口和通信端口，同时给交换机报中断，交换机读取配置切换控制帧，解析配置切换控制帧得到切换的配置号，然后交换机设置配置切换控制寄存器通知交换机的FPGA切换配置；

步骤S4，端系统2收到主控节点发出的配置切换控制帧，解析配置切换控制帧得到切换的配置号，然后设置配置切换控制寄存器通知端系统2的FPGA切换配置。

步骤S5，交换机、主控节点和端系统2的FPGA通过配置切换控制寄存器得知切换配置的命令后，解析出切换的配置号，在当前集群周期的下一个集群周期的开始切换为配置2；

步骤S6，主控节点和端系统2收到下一个集群周期开始的中断，切换配置2对应的应用；

步骤S7，整个TTE系统按照配置2正常运行。

本发明还具有如下技术特征：

所述的配置切换控制业务规划方法为：配置切换控制帧的VLID默认为PCF VLID最小值减1，周期跟集群周期值一样，对发送起始时刻进行约束，时刻点是相对于集群周期开始偏移200纳秒，这个时刻点是不能安排通信业务数据的。

步骤S5中，配置切换花费的时间为一个时钟周期，所述的一个时钟周期为8纳秒。

本发明还保护一种TTE系统高可靠配置重构方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据TTE系统运行的实际需求规划多套配置，其中包含一套默认配置，用配置工具生成；

步骤二，端系统根据TTE系统的整体规划，需要实现不同配置处理的例程以及配置切换的操作；

步骤三，将多套配置数据在交换机正式运行之前离线配置到交换机；

步骤四，将多套配置数据在端系统正式运行时在线配置到端系统；

步骤五，启动整个TTE系统，TTE系统以默认配置运行；

步骤六，将TTE系统中的其中一个端系统作为主控节点，主控节点发出配置切换的指令，采用配置切换控制协议进行配置切换，整个TTE系统在发出指令所在集群周期的下一个集群周期开始进行配置切换，从这个集群周期开始以新的配置运行，实现TTE系统的配置重构；

所述的配置切换控制协议采用如上所述的配置切换控制协议。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的配置切换控制协议是完全自主定义的一种控制协议，能有效的支撑配置重构。

(Ⅱ)本发明的配置切换控制业务规划方法可以自动规划配置切换控制帧，用户只需要配置正常的数据通信业务即可，用户不需关心实现细节，方便用户的使用。同时，能有效的支撑配置重构。

(Ⅲ)本发明的配置重构方法支持TTE网络运行过程中的任意时刻动态切换配置，提高TTE网络使用的灵活性；支持用户不同场景下业务数据流的无缝切换，并且切换速度快。

附图说明

图1为数据业务调度时序。

图2为TTE系统的物理拓扑图。

图3为配置切换控制协议的逻辑框图，图中箭头表示配置切换控制帧的流向。

图4为配置切换示意图。

图5为网络运行配置切换流程示意图。

图6为配置切换控制帧格式示意图。

图7为配置切换控制寄存器示意图。

图8为TT业务规划示意图。

图9和图10为默认配置。

图11和图12为第2套配置。

图13为网络拓扑图。

图14为飞机姿态控制的界面截图。

图15为飞机姿态控制的界面截图。

图16为飞机姿态控制的界面截图。

图17为视频传输的界面截图。

图18为视频传输的界面截图。

图19为视频传输的界面截图。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，本发明中的所有设备，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的设备。

需要说明的是，本发明中：

TTE指的是时间触发以太网，即TTEthernet，全称Time Triggered Ethernet。

TT指的是时间触发。

RC指的是速率约束。

BE指的是尽力而为。

FPGA指的是现场可编程逻辑门阵列。

VLID指的是虚拟链路标识。

PCF指的是协议控制帧。

TT业务指的是时间触发业务。

在时间触发以太网中，实时确定性业务的数据消息收发处理需要依赖于交换机与端系统中的配置中的调度时刻表。而调度时刻表是通过规划工具离线生成的。在TTE系统正式运行前要把调度时刻表下载到设备中，而且在运行过程中不能改变,缺乏灵活性。在实际使用TTE网络的过程中，确实存在配置重构的需求，举例来说，卫星在轨运行，内部以某一种网络拓扑运行TTE网络，使用某种配置进行业务数据的调度，运行了一段时间后，需要变换网络拓扑，新的网络拓扑正常运行需要一套新的配置(调度时刻表)，这种场景下，即需要配置重构。

本发明提出一种TTE系统高可靠配置重构方法，该方法中提出：

第一，在TTE网络中，交换机和端系统设备FPGA中存储多套配置数据。

第二，定义了一种配置切换控制协议，在TTE系统运行过程中，在集群周期开始时切换配置。

第三，提出了一种TT业务规划中配置切换控制业务的规划方法。

TT业务调度时序：

如图1所示，数据业务调度时序中包括TT业务调度时序、RC业务调度时序和BE业务调度时序。TT业务是按照集群周期来调度的，集群周期周而复始的执行相同的动作。集群周期包含了多个整合周期，每个整合周期开始进行全网设备的时钟同步，时钟同步之后进行TT业务的数据收发。

配置切换控制协议：

配置切换控制协议适用于任何网络拓扑，包括单交换机网络，多交换机冗余网络，多交换机级联网络，多交换机级联多优先级网络等。

如图2所示，本发明以一个交换机连接2个端系统为例，说明配置切换控制协议。在整个系统中，需要有一个配置切换的主控节点，端系统1作为主控节点。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种配置切换控制协议，该协议用于TTE系统，所述的TTE系统至少包括一个交换机和与交换机相连的至少两个端系统，所述的两个端系统分别为端系统1和端系统2，其中端系统1为主控节点，交换机与端系统中分别对应预设有至少两个配置，所述的两个配置分别为配置1和配置2；

该协议预先定义配置切换控制帧和配置切换控制寄存器；然后在TTE系统的TT业务中通过配置切换控制业务规划方法规划配置切换控制帧：

具体的，定义配置切换控制帧：

配置切换控制帧采用TT业务数据帧来担当，因为TT帧具备传输稳定和时延确定的特点，保证通知到全网设备。配置切换控制帧的帧格式如图6所示，符合TT帧的帧格式,总帧长为64字节。

主要字段说明如下：

特征数据：01-02-03-04-05-06-07-08-09-0A，增加一种帧确认的方法，进一步验证该帧是配置切换控制帧，提高系统的安全性。

配置号：00-00-00-xx(xx为配置号，范围01-FF)。

保留：00-00-00-…-00(32个字节的0)。

具体的，定义配置切换控制寄存器：

配置切换控制寄存器定义为32位，如图7所示。

说明如下：

配置号：bit0–bit7。(范围1-255)

保留：bit8–bit31。

具体的，配置工具中所述的配置切换控制业务规划方法为：

如图8所示，TTE系统的运行配置是用离线的配置工具生成的，系统规划有几种配置切换，就需要生成几种配置，每种配置中都要包含常规的TT帧和配置切换控制帧的配置。配置切换控制帧是一种特殊的TT帧，由配置工具默认规划，与PCF帧一样，不需要人工干预。

配置切换控制帧的VLID默认为PCF VLID最小值减1，周期跟集群周期值一样，对发送起始时刻进行约束，时刻点是相对于集群周期开始偏移200纳秒，这个时刻点是不能安排通信业务数据的。

具体的，如图3至图5所示，该配置切换控制协议包括以下步骤：

步骤S1，整个TTE系统正常运行，使用的配置是默认的配置1。

步骤S2，主控节点收到集群周期开始的中断，发出配置切换控制帧，同时主控节点设置配置切换控制寄存器通知主控节点的FPGA切换配置；

步骤S3，交换机收到主控节点发出的配置切换控制帧，转发给交换机的虚拟端口和通信端口，同时给交换机报中断，交换机读取配置切换控制帧，解析配置切换控制帧得到切换的配置号，然后交换机设置配置切换控制寄存器通知交换机的FPGA切换配置；

步骤S4，端系统2收到主控节点发出的配置切换控制帧，解析配置切换控制帧得到切换的配置号，然后设置配置切换控制寄存器通知端系统2的FPGA切换配置。

步骤S5，交换机、主控节点和端系统2的FPGA通过配置切换控制寄存器得知切换配置的命令后，解析出切换的配置号，在当前集群周期的下一个集群周期的开始切换为配置2；在一个时钟周期即可完成配置切换。

所述的一个时钟周期为8纳秒；

步骤S6，主控节点和端系统2收到下一个集群周期开始的中断，切换配置2对应的应用；

步骤S7，整个TTE系统按照配置2正常运行。

实施例2：

本实施例给出一种TTE系统高可靠配置重构方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据TTE系统运行的实际需求规划多套配置，其中包含一套默认配置，用配置工具生成；

步骤二，端系统根据TTE系统的整体规划，需要实现不同配置处理的例程以及配置切换的操作；

步骤三，将多套配置数据在交换机正式运行之前离线配置到交换机；

步骤四，将多套配置数据在端系统正式运行时在线配置到端系统；

步骤五，启动整个TTE系统，TTE系统以默认配置运行；

步骤六，将TTE系统中的其中一个端系统作为主控节点，主控节点发出配置切换的指令，采如实施例1中的配置切换控制协议进行配置切换，整个TTE系统在发出指令所在集群周期的下一个集群周期开始进行配置切换，从这个集群周期开始以新的配置运行，实现TTE系统的配置重构。

应用例1：

遵从上述实施例1，TTE离线配置工具如图9到图12所示。

图9和图10为默认配置。

图11和图12为第2套配置。

图9和图11表示配置TT业务，不需要用户定义配置切换控制帧。

图10和图12表示工具生成配置时自动生成配置切换控制帧。

应用例2：

遵从上述实施例2，构建一个TTE网络，网络拓扑关系如图所示，由3个节点机和两台交换机组成了双冗余网络。定义“TTE仿真验证平台控制器”节点为主控节点。根据系统实际需求规划2套配置，默认配置为飞机姿态控制的模拟配置，第2套配置为视频传输的模拟配置。2套配置在整个系统运行前配置到交换机和端系统。然后启动系统，默认运行飞机姿态控制的模拟程序。运行一段时间后，通过“配置切换”按钮切换配置和应用，“配置切换”生效后，系统切换到视频传输功能。具体参见图13到图19。

图13为网络拓扑图。

图14为飞机姿态控制的界面截图，其是一般节点，应用的是默认的配置。

图15为飞机姿态控制的界面截图，其是一般节点，应用的是默认的配置。

图16为飞机姿态控制的界面截图，其是主控节点，应用的是默认的配置。

图17为视频传输的界面截图，其是主控节点，应用的是第2套配置。

图18为视频传输的界面截图，其是一般节点，应用的是第2套配置。

图19为视频传输的界面截图，其是一般节点，应用的是第2套配置。

Claims (4)

1.一种配置切换控制协议，其特征在于，该协议用于TTE系统，所述的TTE系统至少包括一个交换机和与交换机相连的至少两个端系统，所述的两个端系统分别为端系统1和端系统2，其中端系统1为主控节点，交换机与端系统中分别对应预设有至少两个配置，所述的两个配置分别为配置1和配置2；

该协议预先定义配置切换控制帧和配置切换控制寄存器；然后在TTE系统的TT业务中通过配置切换控制业务规划方法规划配置切换控制帧：

该配置切换控制协议包括以下步骤：

步骤S1，整个TTE系统正常运行，使用的配置是默认的配置1。

步骤S2，主控节点收到集群周期开始的中断，发出配置切换控制帧，同时主控节点设置配置切换控制寄存器通知主控节点的FPGA切换配置；

步骤S3，交换机收到主控节点发出的配置切换控制帧，转发给交换机的虚拟端口和通信端口，同时给交换机报中断，交换机读取配置切换控制帧，解析配置切换控制帧得到切换的配置号，然后交换机设置配置切换控制寄存器通知交换机的FPGA切换配置；

步骤S4，端系统2收到主控节点发出的配置切换控制帧，解析配置切换控制帧得到切换的配置号，然后设置配置切换控制寄存器通知端系统2的FPGA切换配置。

步骤S5，交换机、主控节点和端系统2的FPGA通过配置切换控制寄存器得知切换配置的命令后，解析出切换的配置号，在当前集群周期的下一个集群周期的开始切换为配置2；

步骤S6，主控节点和端系统2收到下一个集群周期开始的中断，切换配置2对应的应用；

步骤S7，整个TTE系统按照配置2正常运行。

2.如权利要求1所述的TTE系统高可靠配置切换控制协议，其特征在于，所述的配置切换控制业务规划方法为：配置切换控制帧的VLID默认为PCF VLID最小值减1，周期跟集群周期值一样，对发送起始时刻进行约束，时刻点是相对于集群周期开始偏移200纳秒，这个时刻点是不能安排通信业务数据的。

3.如权利要求1所述的TTE系统高可靠配置切换控制协议，其特征在于，步骤S5中，配置切换花费的时间为一个时钟周期，所述的一个时钟周期为8纳秒。

4.一种TTE系统高可靠配置重构方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，根据TTE系统运行的实际需求规划多套配置，其中包含一套默认配置，用配置工具生成；

步骤二，端系统根据TTE系统的整体规划，需要实现不同配置处理的例程以及配置切换的操作；

步骤三，将多套配置数据在交换机正式运行之前离线配置到交换机；

步骤四，将多套配置数据在端系统正式运行时在线配置到端系统；

步骤五，启动整个TTE系统，TTE系统以默认配置运行；

步骤六，将TTE系统中的其中一个端系统作为主控节点，主控节点发出配置切换的指令，采用配置切换控制协议进行配置切换，整个TTE系统在发出指令所在集群周期的下一个集群周期开始进行配置切换，从这个集群周期开始以新的配置运行，实现TTE系统的配置重构；

所述的配置切换控制协议采用如权利要求1至3任一项所述的配置切换控制协议。

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