CN114124279B - 一种时间触发以太网tt业务时间确定性传输设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，包括：步骤一，门控调度表定义；步骤二，端系统发送门控设计；步骤三，交换机接收门控设计；步骤四，交换机发送门控设计；步骤五，端系统接收门控设计。相比较于传统以太网，本发明的设计方法中，TT数据帧严格按照族周期和预先规划好的门控起始时刻点进行业务调度，其传输延时具有确定性且具有低抖动。相对于传统以太数据帧，本发明的设计方法中，TT数据帧通过事先制定好的调度规则实现无冲突可靠发送，保证TT数据帧的带宽和高可靠性传输。本发明的设计方法能够保证TT数据帧在网络传输中不会存在数据帧的丢包问题。

Description

一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法
技术领域
本发明属于计算机网络技术领域，涉及时间确定性以太网技术，具体一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法。
背景技术
近年来，工业和航空环境中的实时任务需求对现有以太网提出了新的需求，成为各国工业界研究的热点问题，超过20种的解决方案不断竞争，以期获得业界的认可。在激烈的竞争中时间触发以太网(TTE，Time Triggered Ethernet)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。它主要应用在安全关键系统(Safety Critical System)中，例如航空电子技术，运输系统，工业自动化等领域。
时间触发以太网在网络中可以同时满足不同实时和安全等级的需要，支持三种不同流量类型，时间触发(Time-Triggered，TT)、速率约束(Rate-constrained，RC)、尽力传(Best-Effort，BE)。然而现有技术中，TT业务传输的可靠性有待进一步提升。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，解决现有技术中TT业务传输的可靠性有待进一步提升的技术问题。
时间触发(TT)数据流应用于对网络时延、传输抖动、传输确定性要求十分严格的应用，主要是实时系统的应用。TT数据的发送依赖于整个网络的全局时间，按照规范定义的一种时钟同步算法，网络上的每个交换机、端系统进行时间同步，TT数据帧用于基于时间触发的应用上，然而如何保证TT数据帧传输的可靠性传输，本发明提出了一种设时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，所有的TT数据帧都是在预先定义的时间内发送的，并且调度策略上应该保证其他的数据帧类型(BE和RC)不能影响TT的发送。而且是全局唯一的从而避免数据发送和传输产生碰撞。
所谓的同步：是指首先同步控制器(Synchronization Master，SM)向同步集中器(Compression Master，CM)发送PCF数据帧(Protocol Control Frame,PCF)然后根据接收到的PCF数据帧携带的信息、到达时间以及全局时钟同步协议每个整合周期执行同步算法，从而达到整个网络的同步。
本发明的时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法的目的是为了保证TT数据帧严格按照族周期和预先规划好的门控起始时刻点进行业务调度，保证TT数据帧传输延时的确定性以及低抖动。
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：
一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，门控调度表定义；
步骤二，端系统发送门控设计；
步骤三，交换机接收门控设计；
步骤四，交换机发送门控设计；
步骤五，端系统接收门控设计。
本发明的时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法中：
门控调度表：该表定义了进行TT数据帧门控调度需要的全部参数，主要包括门控调度使能、门控起始时刻点、门控起始时刻点所处的整合周期、门控保持时间以及虚链路ID(VL ID,Virtual Link ID)。
发送门控调度：在门控窗口起始时刻点，判TT数据帧是否在发送缓冲区内。
(1)若TT数据帧在缓冲区内，且此时有BE数据帧或者RC数据帧正在发送，则等待BE数据帧或RC数据帧发送完成之后进行TT数据帧的发送；
(2)若TT数据帧在缓冲区内，且此时没有BE数据帧或者RC数据帧正在发送，则直接进行TT数据帧的发送。
(3)若检测到TT数据帧没有在缓冲区，则不进行数据帧的发送。
接收门控调度：在接收到TT数据帧时，需要进行判断TT数据帧是否落在预先规划好的门控窗口，若在则接收TT数据帧，否则丢弃TT数据帧。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)相比较于传统以太网，本发明的设计方法中，TT数据帧严格按照族周期和预先规划好的门控起始时刻点进行业务调度，其传输延时具有确定性且具有低抖动。
(Ⅱ)相对于传统以太数据帧，本发明的设计方法中，TT数据帧通过事先制定好的调度规则实现无冲突可靠发送，保证TT数据帧的带宽和高可靠性传输。
(Ⅲ)本发明的设计方法能够保证TT数据帧在网络传输中不会存在数据帧的丢包问题。
附图说明
图1是发送调度时序图。
图2是接收调度时序图。
图3是三冗余端系统与交换机级联拓扑示意图。
图4是时间触发以太网数据帧在网络中的传输过程示意图。
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或软件配置工具，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的设备或软件配置工具。
需要说明的是，本发明中：
TT指的是时间触发。
PCF指的是协议控制框架。
RC指的是速率约束。
BE指的是尽力传。
VL指的是虚链路。
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：
本实施例给出一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，门控调度表定义：
首先定义如表1所示的门控调度表：调度表的深度可根据硬件资源灵活配置，假设为n，(0≤n≤65536，且n∈Z),调度表的位宽64bit，每个调度表最多可配置n条调度。
调度表由上位机进行配置，每一条调度表示一个虚链路(VL)及该调度的门控窗口，每条调度严格按照时间顺序进行配置，每个族周期最多可以配置n条调度。
整个调度在一个族周期内按照表项调度，族周期之间按相同的调度规则调度，调度周期与门控起始时刻点都经过软件配置工具计算而来，不同VL之间不能存在重叠的时间窗口，调度表的详细格式如表1所示：
表1门控调度表
其中：
VL_en[63]：表示是否要使能该vl的门控调度，为1表示使能，为0表示不使能；
ex_trig_en[62:61]:表示该条调度表是否产生发送触发信号(供测试验证使用)；
int_cycle[60:56]:表示该条调度门控起始时刻点所处的整合周期；
start_time[55:32]:表示该条调度门控起始时刻点，以M ns为时间单位，即实际配置的调度门控起始时刻点为starttime×M(ns)
keep_time[31:16]:表示该条调度门控保持时间，以M ns为时间单位，即实际配置的调度门控保持时间为keeptime×M(ns)；
VL_id[15:0]:表示该条调度的VL ID号。
在端系统与交换机上电复位解除之后，上位机通过预先定义好的交互方式，按照如表1定义的门控调度表格式进行端系统发送门控调度表、端系统接收门控调度表、交换机接收门控调度表以及交换机发送门控调度表的配置，每条调度严格按照时间顺序进行配置，并且不同VL不存在重叠的时间窗口，在调度配置过程中遵守互斥保护机制，即软件在操作配置表示，逻辑禁止操作配置表。配置完成之后进行网络初始化。
步骤二，端系统发送门控设计：
步骤201，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取发送门控调度表。
步骤202，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容，并根据该条调度的门控起始时刻点产生一个脉冲信号以及门控窗口定时器，当门控定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时开始读取调度表第二条调度的表项内容，然后根据该条调度的门控起始时刻点产生脉冲信号以及门控定时器，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度都被读取完成之后，表示一次循环完成。调度时序图如图1所示。
步骤203，根据步骤202,产生的脉冲信号，检测发送缓冲区是否有TT数据帧；
步骤20301，若检测到有TT数据帧且该过程中没有PCF数据帧(Protocol ControlFrame，PCF)，RC数据帧或BE数据帧正在传输，则在该时刻进行TT数据帧的发送；
步骤20302，若检测到有TT数据帧且该过程中有PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则产生一个暂缓发送TT数据帧的锁存信号postpone_send_tt_latch，等待PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧传输完成之后进行TT数据帧的发送并将锁存信号置为无效；
数据发送的优先级为PCF>TT>RC>BE；若检测到有TT数据帧，且刚好该时刻点有PCF数据帧发送，则先发送PCF数据帧，然后发送TT数据帧。
步骤20303，若没有检测到TT数据帧，则不进行TT数据帧的发送。
步骤三，交换机接收门控设计：
步骤301，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取接收门控调度表。
步骤302，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容，并根据该条调度的门控起始时刻点产生VL使能信号及门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，同时开始读取调度表第二条调度的表项内容，然后根据第二条调度的门控起始时刻点将VL使能信号置为有效并启动门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度都被读取完成之后，表示一次循环完成。调度时序图如图2所示。
步骤303，当交换机接收到端系统发送过来的TT数据帧后，判断TT数据帧的数据有效信号是否在步骤302，产生的使能信号范围内，若在则接收该数据帧，并将数据转发到发送模块，否则丢弃该数据帧。
步骤四，交换机发送门控设计：
步骤401，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取发送门控调度表。
步骤402，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容，并根据该条调度的门控起始时刻点产生一个脉冲信号以及门控窗口定时器，当门控定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时开始读取第二条调度的内容，然后根据该条调度的调度起始时刻点产生脉冲信号以及门控定时器，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度都被读取完成之后，表示一次循环完成。调度时序图如图1示。
步骤403，根据步骤402，产生的脉冲信号，然后检测发送缓冲区是否有TT数据帧；
步骤40301，若检测到有TT数据帧且该过程中没有PCF数据帧(Protocol ControlFrame，PCF)、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则在该时刻进行TT数据帧的发送；
步骤40302，若检测到有TT数据帧且该过程中有PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则产生一个暂缓发送TT数据帧的锁存信号postpone_send_tt_latch，等待PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧传输完成之后进行TT数据帧的发送并将锁存信号置为无效；
数据发送的优先级为PCF>TT>RC>BE；若检测到有TT数据帧，且刚好该时刻点有PCF数据帧发送，则先发送PCF数据帧，然后发送TT数据帧。
步骤40303，若没有检测到TT数据帧，则不进行TT数据帧的发送。
步骤五，端系统接收门控设计：
步骤501，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取发送门控调度表。
步骤502，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容之后，根据该条调度的门控起始时刻点产生VL使能信号及门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，同时开始读取调度表第二条调度的表项内容，然后根据第二条调度的门控起始时刻点将VL使能信号置为有效并启动门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度都被读取完成之后，表示一次循环完成。调度时序图如图2所示。
步骤503，当端系统接收到交换机发送的TT数据帧后，判断TT数据帧的数据有效信号是否在步骤502产生的VL使能信号范围内，若在则接收该数据帧，并将数据缓存接收缓冲区内，交给上位读取，否则丢弃该数据帧。
应用例：
如图3所示，整个系统M个三冗余端系统与N台交换机级联通信的结构示意图。基于实施例1中的时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，下面将以两个交换机与两个端系统的通信介绍TT数据帧的具体的传输过程。
首先，等待整个网络系统同步之后，TTE端系统1读取门控调度表，按照调度内容定义的发送门控起始点进行TT数据帧的发送，当TT数据帧到达TTE交换机时，TTE交换机1判断该TT数据帧是否交换机接收门控内，若不在交换机接收门控内，则丢弃该数据帧；若在，则将该TT数据帧转发到到交换机输出模块，并根据交换机发送门控调度表，获得交换机发送门控起始点，然后将数据数据帧的转发给交换机2，当数据帧到达交换机2时，与TTE交换机1的处理一样，当交换机2转发该控制帧到达TTE端系统2时，判断该TT数据帧是否在该端系统的接收门控内，若不在则丢弃数据帧，若在，则将数据帧写入缓冲区，由上位机进行数据帧读取。整个网络通信过程中，TT数据帧流向如图4所示。其中情况1时没有其他数据帧阻塞，情况2有其它数据帧的阻塞，则等待其它数据帧发送完成之后进行TT数据帧的发送。

Claims (1)

1.一种时间触发以太网TT业务时间确定性传输设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，门控调度表定义：
调度表由上位机进行配置，每一条调度表示一个虚链路及该调度的门控窗口，每条调度严格按照时间顺序进行配置，每个族周期最多可以配置n条调度；
步骤二，端系统发送门控设计：
步骤201，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取发送门控调度表；
步骤202，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容并根据该条调度的门控起始时刻点产生一个脉冲信号以及门控窗口定时器，当门控定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时开始读取调度表第二条调度的表项内容，然后根据该条调度的门控起始时刻点产生脉冲信号以及门控窗口定时器，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度表项都被读取完成之后，表示一次循环完成；
步骤203，根据步骤202产生的脉冲信号，检测发送缓冲区是否有TT数据帧；
步骤20301，若检测到有TT数据帧且该过程中没有PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则在该时刻进行TT数据帧的发送；
步骤20302，若检测到有TT数据帧且该过程中有PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则产生一个暂缓发送TT数据帧的锁存信号，等待PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧传输完成之后进行TT数据帧的发送并将锁存信号置为无效；数据发送的优先级为PCF>TT>RC>BE；若检测到有TT数据帧，且刚好该时刻点有PCF数据帧发送，则先发送PCF数据帧，然后发送TT数据帧；
步骤20303，若没有检测到数据帧，则不进行TT数据帧的发送；
步骤三，交换机接收门控设计：
步骤301，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取接收门控调度表；
步骤302，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容，并根据该条调度的门控起始时刻点产生VL使能信号及门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，同时开始读取调度表的第二条调度的表项内容，然后根据第二条调度的门控起始时刻点将VL使能信号置为有效并启动门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度表项都被读取完成之后，表示一次循环完成；
步骤303，当交换机接收到端系统发送过来的TT数据帧后，判断TT数据帧的数据有效信号是否在步骤302，产生的使能信号范围内，若在则接收该数据帧，并将数据转发到发送模块，否则丢弃该数据帧；
步骤四，交换机发送门控设计：
步骤401，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取发送门控调度表；
步骤402，在族周期开始时刻点获取调度表第一条调度的表项内容，并根据该条调度的门控起始时刻点产生一个脉冲信号以及门控窗口定时器，当门控定时器的时间等于该条调度配置保持时间时开始读取第二条调度的表项内容，然后根据该条调度的门控起始时刻点产生脉冲信号以及门控定时器，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度表项都被读取完成之后，表示一次循环完成；
步骤403，根据步骤402，产生的脉冲信号，然后检测发送缓冲区是否有TT数据帧；
步骤40301，若检测到有TT数据帧且该过程中没有PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则在该时刻进行TT数据帧的发送；
步骤40302，若检测到有TT数据帧且该过程中有PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧正在传输，则产生一个暂缓发送TT数据帧的锁存信号，等待PCF数据帧、RC数据帧或BE数据帧传输完成之后进行TT数据帧的发送并将锁存信号置为无效；数据发送的优先级为PCF>TT>RC>BE；若检测到有TT数据帧，且刚好该时刻点有PCF数据帧发送，则先发送PCF数据帧，然后发送TT数据帧；
步骤40303，若没有检测到TT数据帧，则不进行TT数据帧的发送；
步骤五，端系统接收门控设计：
步骤501，在网络初始化完成之后，进行网络时钟同步过程，在网络同步之后，逻辑在每个族周期的开始时刻点启动读取发送门控调度表；
步骤502，在族周期开始时刻点获取调度表的第一条调度的表项内容，并根据该条调度的门控起始时刻点产生VL使能信号及门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，同时开始读取调度表第二条调度的表项内容，然后根据第二条调度的门控起始时刻点将VL使能信号置为有效并启动门控窗口定时器，当门控窗口定时器的时间等于该条调度配置的门控保持时间时，将VL使能信号置为无效，以此类推；在读取调度表的过程中，若是读取出来该条调度的使能位为0，则直接读取下一条调度的表项内容，在族周期结束或者调度表的所有调度都被读取完成之后，表示一次循环完成；
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