CN114039935B - 基于分布式实时总线配置的消息调度系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及时间触发以太网领域，是一种保证消息无冲突、满足消息发送时间顺序约束的算法。为对消息进行分类，以满足高优先级消息的请求，进而满足航天航空业务要求，本发明采取的技术方案是，基于分布式实时总线配置的消息调度方法，步骤如下：1.虚链路初始化；2.流排序；其中，TT‑RMS流排序过程主要依据是消息周期和消息负载，首先按消息预先设置的优先级排序，相同优先级情况下消息周期按从小到大的顺序排序，相同消息周期的消息按照所在链路负载由大到小排序，确定消息的调度优先级；3.流调度。本发明主要应用于航天通信场合。
Description
技术领域
本发明属于时间触发以太网领域，是一种保证消息无冲突、满足消息发送时间顺序约束的算法。具体涉及到一种基于单调速率准则，完成消息调度的算法。
背景技术
近些年来，以太网在航空航天、工业控制领域中得到了大量的应用，具有低成本、高带宽、灵活组网的特性。传统以太网使用多种排队缓存机制来处理端口竞争以防止丢包，但缓存机制势必会造成交换延迟和抖动，无法满足业务实时性需求。航天电子系统的数据通信对实时、确定、安全可靠的传输提出了严格的要求。
时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)是在标准以太网基础上加以改造从而满足实时通信需求的一种新型的通信网络，它集成了标准以太网协议、速率约束性传输协议及时间触发协议，其物理层采用标准以太网IEEE802.3协议，充分利用以太网的带宽资源，支持时间触发和事件触发两种通信机制。时间触发以太网具有以下特性：(1)兼容性强：兼容传统以太网与实时确定性网络；(2)技术成熟度高：已被工业、汽车、轨道交通及新能源等领域广泛使用；(3)可靠性与实时性强：使用时间同步、冗余容错等多种机制保障安全关键性与时间关键性业务通信质量。
文献[1]提出了可满足模理论解析器用于生成时间调度表，文献[2]后来补充了用于速率受限(Rate-Constrained，RC)流量的带宽预留方案，解决了时间触发(Time-trigger，TT)消息背靠背调度的“饥饿问题”。文献[3]提出了基于禁忌搜索算法的静态调度表生成方法，减小了速率受限业务的时延，并保证速率受限业务在允许范围的时间窗内完整传输。文献[4]提出了时间触发单调速率调度(Time-Triggered Rate MonotonicScheduling，TT-RMS)算法，该算法将网络最长帧传输时间作为基本周期进行静态调度，增加了时间调度算法的可扩展性，文献[5]将混合流量分区调度，介绍了离线与动态生成周期调度表的方法。当前的调度算法并未考虑具体应用场景下包括颗粒度约束、消息发送时间顺序约束等在内的约束条件。
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[4]徐晓飞，曹晨，郭骏等.TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法[J].北京航空航天大学学报，2015，41(8)：1403-1408.
[5]Hamadou S,Gherbi A,Mullins J,et al.A time-triggered constraint-based calculus for avionic systems[C].International Symposium on Object/Component/Service-Oriented Real-Time Distributed ComputingWorkshops.Auckland:Institute of Electrical and Electronics Engineers 2015:58-65.
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种具有不同优先级的调度策略以满足不同类型业务可靠性的需要，对消息进行分类，以满足高优先级消息的请求，进而满足航天航空业务要求。为此，本发明采取的技术方案是，基于分布式实时总线配置的消息调度方法，满足以下条件：
(1)要调度的时间触发TT消息全部为周期性消息，且TT消息集及消息的属性已知；
(2)网络中所有的通信链路资源都可用，链路的带宽、延迟属性可配置；
则步骤如下：
1.虚链路初始化
将源目的节点相同和消息周期相同的消息赋予相同的虚链路号，同一虚链路号的不同消息按照发送时间顺序约束进行消息排序和组合，在后期调度中统一处理。
2.流排序
对发送时间顺序进行初始化配置，根据任务需要指定所有虚链路下消息的发送顺序约束，对于给定顺序的TT消息按照初始化组合成流，未指定顺序的消息采用RMS机制进行流排序；
其中，TT-RMS流排序过程主要依据是消息周期和消息负载，首先按消息预先设置的优先级排序，相同优先级情况下消息周期按从小到大的顺序排序，相同消息周期的消息按照所在链路负载由大到小排序，确定消息的调度优先级；
3.流调度
完成虚链路排序后，需要进行流调度，需要满足链路流传输无冲突约束。
流排序具体过程如下：
步骤1：获得初始虚链路参数表，包括虚链路号、源节点、目的节点、帧长、周期；
步骤2：判断当前虚链路的发送时间顺序是否被指定；
步骤3：对指定了发送时间顺序约束的虚链路按照发送时间顺序排列，将这类虚链路优先配置；
步骤4：对于未指定发送时间顺序约束的虚链路，依据RMS机制，周期增序和帧长降序的方式完成剩余所有虚链路排序。
流调度流程如下：
步骤1：按排序选择待调度的TT流，查找路由表，确定该流的路由；
步骤2：将基本周期划分为若干相同大小的时隙，将整个集群周期上时隙总数作为虚链路上可供调度的时隙资源；
步骤3：在待调度流一个周期范围内在始发链路上查询可用的时隙资源，可用的时隙资源长度大于等于流的帧长加保护带长度；
步骤4：逐跳确认步骤(3)查询到的时隙资源是否全部可用，确认为可分配资源；
步骤5：如果存在可分配资源，则将虚链路号和标记位存入整个集群周期上的对应时隙；如果不存在可分配资源，则当前虚链路号下的消息不可被分配，该虚链路号配置失败；
步骤6：继续下一个虚链路号的资源配置过程，直到所有虚链路号被分配完成。
基于分布式实时总线配置的消息调动系统，包括模型库管理模块、网络规划模块、拓扑信息解析模块、流量信息解析模块、消息调度模块、调度结果正确性检查模块和显示调度模块；
(1)模型库管理模块
提供部分型号交换机、节点模型，已包含输入和输出参数，以XML文件格式存储，供系统仿真调用；
此外，支持用户自定义模型的创建、修改、保存；
除了单个设备的模型库，还需支持场景库的创建、修改、保存功能；
(2)网络规划模块
网络规划模块输入是软件界面上配置的各项参数，输出是拓扑和流量的XML格式文件，主要功能是将界面上的数据进行读取存储用于后续的解析；
(3)拓扑信息解析模块
拓扑信息解析模块的主要功能是解析输入网络信息的XML格式文件，将得到的网络信息显示到消息调度软件主界面相应的窗口中，并将解析的信息保存到相应的变量中供其它模块使用，主要信息包括：链路、交换机和终端的信息，网络信息解析模块以XML文件作为输入，解析之后输出文件中的网络信息；
(4)流量信息解析模块
流量信息解析模块输入是TT消息的XML文件，输出是TT消息的各项属性及其参数，内部功能是读取XML文件，将各项属性参数赋值给对应的变量；
(5)消息调度模块
消息调度模块将XML文件解析后获得的消息和网络信息的各项参数作为输入，输出是消息调度表文件，主要功能是利用分布式实时总线配置方法生成消息调度表；
(6)调度结果正确性检查模块
根据获得的消息调度表检查是否满足端到端延迟约束、是否依据指定时间发送顺序发送消息、增量调度后是否能不破坏现有约束下完成调度；
(7)显示消息调度表模块
显示消息调度表模块根据调度算法模块的输入是输出结果获得所有消息的调度时刻表以及在各个网络节点上消息的调度情况，输出是在软件界面中以表格的形式呈现。
本发明的特点及有益效果是：
本发明对时间触发以太网中传统的单调速率调度算法进行改进。
本算法考虑航天航空实际业务需求，针对航天业务中消息优先级分类，优先配置高优先级的消息，提出了考虑消息时间发送顺序的单调速率算法，设计了调度算法实现流程。设计了时间触发以太网调度软件，软件具有可视化拓扑界面和表格化调度表的功能，通过软件验证调度算法的正确性和可行性，同时软件可以保存调度结果以供实际调用。
附图说明：
图1改进的时间触发单调速率算法流程图。
图2虚链路排序。
图3流调度过程。
图4配置全局参数界面。
图5解析网络信息界面。
图6读取消息及虚链路排序界面。
图7显示调度表界面。
图8拓扑显示界面。
具体实施方式
现有的时间触发以太网调度算法中，仅考虑了可满足无冲突约束条件的情况，并未考虑实际应用场景中对消息发送时间顺序的要求，实际的航天航空等领域需要一种具有不同优先级的调度策略以满足不同类型业务可靠性的需要，这就需对消息进行分类，以满足高优先级消息的请求。本发明的目的在于提出了一种考虑发送时间顺序的单调速率调度速率算法，进而满足航天航空业务要求。
本发明提出了考虑消息发送时间顺序的单调速率调度算法。
TT-RMS算法基于如下假设：
(1)要调度的TT消息全部为周期性消息，且TT消息集及消息的属性已知。
(2)网络中所有的通信链路资源都可以使用，链路的带宽、延迟等属性可配置。
1.虚链路初始化
将源目的节点相同和消息周期相同的消息赋予相同的虚链路号，同一虚链路号的不同消息按照发送时间顺序约束进行消息排序和组合，在后期调度中统一处理。
2.流排序
为了满足“具备对同一集群周期内各虚链路对应消息发送顺序人为指定的功能”的需求，在软件界面中对发送时间顺序进行初始化配置。根据任务需要指定所有虚链路下消息的发送顺序约束，对于给定顺序的TT消息按照初始化组合成流，未指定顺序的消息采用RMS机制进行流排序。
其中，TT-RMS流排序过程主要依据是消息周期和消息负载。首先按消息预先设置的优先级排序，相同优先级情况下消息周期按从小到大的顺序排序，相同消息周期的消息按照所在链路负载由大到小排序，这样就确定了消息的调度优先级。
具体过程如下：
步骤1：获得初始虚链路参数表，包括虚链路号、源节点、目的节点、帧长、周期。
步骤2：判断当前虚链路的发送时间顺序是否被指定。
步骤3：对指定了发送时间顺序约束的虚链路按照发送时间顺序排列，将这类虚链路优先配置。
步骤4：对于未指定发送时间顺序约束的虚链路，依据RMS机制，周期增序和帧长降序的方式完成剩余所有虚链路排序。
3.流调度
完成虚链路排序后，需要进行流调度，需要满足链路流传输无冲突约束。
流调度流程如下：
步骤1：按排序选择待调度的TT流，查找路由表，确定该流的路由。
步骤2：将基本周期划分为若干相同大小的时隙，将整个集群周期上时隙总数作为虚链路上可供调度的时隙资源。
步骤3：在待调度流一个周期范围内在始发链路上查询可用的时隙资源，可用的时隙资源长度大于等于流的帧长加保护带长度。
步骤4：逐跳确认步骤(3)查询到的时隙资源是否全部可用，确认为可分配资源。
步骤5：如果存在可分配资源，则将虚链路号和标记位存入整个集群周期上的对应时隙。如果不存在可分配资源，则当前虚链路号下的消息不可被分配，该虚链路号配置失败。
步骤6：继续下一个虚链路号的资源配置过程，直到所有虚链路号被分配完成。
具体步骤如图3所示。
4.调度软件设计
本发明实现的消息调度软件使用面向对象的编程思想，在各个相对独立的模块内实现各个功能，软件具有很好的扩展性。
消息调度软件包括模型库管理模块、网络规划模块、拓扑信息解析模块、流量信息解析模块、消息调度模块、调度结果正确性检查模块和显示调度模块。
(1)模型库管理模块
软件提供部分型号交换机、节点模型，已包含输入和输出参数，以XML文件格式存储，供系统仿真调用。
此外，支持用户自定义模型的创建、修改、保存等功能。
除了单个设备的模型库，还需支持场景库的创建、修改、保存等功能。例如故障场景，包含默认的拓扑结构、节点参数等。
(2)网络规划模块
网络规划模块输入是软件界面上配置的各项参数，输出是拓扑和流量的XML格式文件，主要功能是将界面上的数据进行读取存储用于后续的解析。
(3)拓扑信息解析模块
拓扑信息解析模块的主要功能是解析输入网络信息的XML格式文件，将得到的网络信息显示到消息调度软件主界面相应的窗口中，并将解析的信息保存到相应的变量中供其它模块使用。主要信息包括：链路、交换机和终端的信息。网络信息解析模块以XML文件作为输入，解析之后输出文件中的网络信息。
(4)流量信息解析模块
流量信息解析模块输入是TT消息的XML文件，输出是TT消息的各项属性及其参数。内部功能是读取XML文件，将各项属性参数赋值给对应的变量。
(5)消息调度模块
消息调度模块将XML文件解析后获得的消息和网络信息的各项参数作为输入，输出是消息调度表文件，主要功能是调用消息调度算法生成消息调度表。
(6)调度结果正确性检查模块
根据获得的消息调度表检查是否满足端到端延迟约束、是否依据指定时间发送顺序发送消息、增量调度后是否能不破坏现有约束下完成调度。
(7)显示消息调度表模块
显示消息调度表模块根据调度算法模块的输入是输出结果获得所有消息的调度时刻表以及在各个网络节点上消息的调度情况，输出是在软件界面中以表格的形式呈现，主要实现的功能是前端显示。
调度表生成软件实施方式包括：
步骤1：在配置全局参数页面可以输入整个网络后期调度使用到的全局参数，包括冗余度、传输速率、同步周期、晶振精度、允许的最大端到端延迟等。
步骤2：以文件读取或者手动输入的方式导入网络信息，配置交换机、物理链路、终端信息。
步骤3：以文件读取或者手动输入的方式导入消息参数，配置消息的各项参数，包括消息ID、源节点、目的节点、消息长度、消息周期、发送时间顺序。
步骤4：对消息进行虚链路初始化，完成虚链路排序。
步骤5：调用调度算法，在消息调度表显示界面查看获得的全部调度表结果。
步骤6：显示网络拓扑界面查看已经网络连接情况，点击节点查看具体节点参数和对应节点上的调度表。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于分布式实时总线配置的消息调度方法，其特征是，满足以下条件：
（1）要调度的时间触发TT消息全部为周期性消息，且TT消息集及消息的属性已知；
（2）网络中所有的通信链路资源都可用，链路的带宽、延迟属性可配置；
则步骤如下：
1)虚链路初始化
将源目的节点相同和消息周期相同的消息赋予相同的虚链路号，同一虚链路号的不同消息按照发送时间顺序约束进行消息排序和组合，在后期调度中统一处理；
2)流排序
对发送时间顺序进行初始化配置，根据任务需要指定所有虚链路下消息的发送顺序约束，对于给定顺序的TT消息按照初始化组合成流，未指定顺序的消息采用RMS机制进行流排序；
其中，TT-RMS流排序过程主要依据是消息周期和消息负载，首先按消息预先设置的优先级排序，相同优先级情况下消息周期按从小到大的顺序排序，相同消息周期的消息按照所在链路负载由大到小排序，确定消息的调度优先级；
3)流调度
完成虚链路排序后，需要进行流调度，需要满足链路流传输无冲突约束；
其中，流排序具体过程如下：
步骤1：获得初始虚链路参数表，包括虚链路号、源节点、目的节点、帧长、周期；
步骤2：判断当前虚链路的发送时间顺序是否被指定；
步骤3：对指定了发送时间顺序约束的虚链路按照发送时间顺序排列，将这类虚链路优先配置；
步骤4：对于未指定发送时间顺序约束的虚链路，依据RMS机制，周期增序和帧长降序的方式完成剩余所有虚链路排序；
流调度具体流程如下：
步骤1：按排序选择待调度的TT流，查找路由表，确定该流的路由；
步骤2：将基本周期划分为若干相同大小的时隙，将整个集群周期上时隙总数作为虚链路上可供调度的时隙资源；
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