CN114285541A - 一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,属于时间触发以太网通信系统领域,包括以下步骤:S1:时间触发以太网设备在网络内进行时间同步,稳定后周期性向控制器报告当前设备时间;S2:控制器采集并记录网络内各个设备的时间,并将压缩主机CM的设备时间作为基准时间,计算各个设备时间与差值、时间误差的平均值和方差;S3:对TT消息、链路进行建模;S4:根据建立的模型确定约束条件;S5:根据时间触发消息任务确定消息基本周期,并根据链路同步误差抖动确定每个消息的时间长度;S6:根据约束条件判定基本周期内所有任务的可调度性,为每个TT消息划分调度表,下发调度表配置到时间触发以太网设备。
Description
技术领域
本发明属于时间触发以太网通信系统领域,涉及一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法。
背景技术
近年来,时间触发以太网的提出将传统以太网应用到了航空航天工业领域,其不但具有传统以太网高速率性和高灵活度性,而且针对传统以太网的“尽力而为”的流量模式提出了改进方法。时间触发以太网将网络内流量分为时间触发消息(TT消息)、速率限制消息(RC消息)和尽力而为消息(BE消息)。对于时间触发消息,其具有最高优先级的时序保证,该消息依靠调度表完成消息的周期性回报。对于速率限制消息,其具有较高优先级的时序,适用于不定期的数据传输模式。当链路上没有TT消息和RC消息时,才会使能BE消息的传输。时间触发以太网依靠调度表的方式实现对三种流量的管理与配置,在使用传统以太网的高速率高灵活性的特点的同时,满足TT消息的高可靠性和RC消息的优先可靠性,改善了传统以太网尽力而为的问题。
因此,国内外提出了许多对于确定性调度表的生成方法,包括基于SMT算法的调度表生成算法,其将调度表问题利用SMT解算器进行求解,关键在于调度表的时间触发消息建模和约束条件构建;基于时隙分区的调度表生成,其通过获取网络拓扑结构中的交换机信息,对各端系统的时刻调度表进行分区,并根据TT流量路由配置信息将其发送时刻配置在相应分区中,从而保证了TT流量在物理链路中的无冲突传输;基于链路负载均衡的调度表生成则考虑到链路负载和路由负载的均衡因素,利用物理拓扑、虚拟链路拓扑等多种设计约束属性转化定义为代价函数进行求解,以及应用启发式算法的遗传算法生成调度表、模拟退火算法生成调度表的方式等。这些调度表生成方法普遍在理想的网络环境中进行验证实现,并没考虑到实际网络应用中各个设备的时间同步误差和同步抖动情况,以及在数据传输过程中存在传输延迟的情况。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,通过对时间触发以太网内设备的时间同步的误差估算,完成对网络内TT消息的建模,然后对TT消息创建约束条件,最后根据TT消息和链路误差确定调度基本周期和消息时间长度,根据约束条件完成基本周期内TT消息的调度表配置划分,并将调度表配置下发到时间触发以太网设备完成调度。本调度表生成方法在考虑时间同步误差和误差抖动的因素下,完成时间触发以太网调度表的生成,降低TT消息的端到端时延,保证时间触发以太网的可靠性。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,包括以下步骤:
S1:时间触发以太网设备启用AS6802时间同步协议,尝试在网络内进行时间同步,等待网络内时间同步稳定后,周期性向控制器报告当前设备时间xvq,j,其中vq表示设备标识,j表示设备上传设备时间的序列号;
S2:控制器采集并记录网络内各个设备的时间,并将压缩主机CM(CompressionMaster,时间触发网络时间基准设备)的设备时间作为基准时间xCM,j,计算各个设备时间xvq,j与xCM,j差值,并对各个设备计算时间误差的平均值uvq和方差σvq,对于压缩主机CM,平均值与方差均为0;
S3:对TT消息、链路进行建模;
S4:根据建立的模型确定约束条件;
S5:根据时间触发消息任务确定消息基本周期,并根据链路同步误差抖动确定每个消息的时间长度;
S6:根据约束条件判定基本周期内所有任务的可调度性,为每个TT消息划分调度表,下发调度表配置到时间触发以太网设备。
进一步,步骤S3中所述对TT消息建模包括:
使用下式表示网络内存在n条TT流量:
MTT={m1,m2,…,mn}
其中对于任意TT消息mi,存在以下表现形式:
mi={si,pi,ei,Pi,oi}
其中si表示TT消息的大小;pi表示TT消息的周期时间;ei表示TT消息的发送端到接收端的最大截止时间;Pi为一个链路集合,表示该TT消息在传输过程中经过的链路:
Pi={li,1,li,2,li,3,...,li,h}
每个TT流量都有且仅有一个源节点和一个目的节点,即对于任意消息i在链路k上表示为li,k,其后续链路为li,k+1,oi表示链路起始时间的集合,即:
进一步,步骤S3中所述对于链路建模包括:使用有向图G=(V,E)来表示网络内设备间的通信关系,V是网络设备的集合V=(v1,v2,…,vN),N为网络设备的数量,E是物理链路的集合,物理链路表示设备vq与设备vr存在物理连接,每条物理链路都是全双工的工作模式,因此对于物理链路(vq,vr)和物理链路(vr,vq)分别使用li,k和li,h表示TT消息i会经过这两条链路,其中k,h为任意整数;对于链路,li,k存在链路带宽、时间同步误差均值、时间同步误差方差和传输延迟参数,即
li,k={bi,k,ui,k,σi,k,di,k}
其中bi,k表示链路li,k带宽;ui,k表示链路li,k时间同步误差均值,ui,k=uvq,vq为链路li,k的发送设备;σi,k表示链路li,k时间同步的方差,σi,k=σvq,vq为链路li,k的发送设备;di,k表示链路li,k的传输延迟。
进一步,步骤S4中包括以下几个约束条件:
流量周期约束:对于任意一条TT流量mi,其在链路li,k上的第一个帧的传输时间要在一个周期内,即:
最大截止时间约束:对于任意一条TT流量mi,其在网络内的停留时间要在其最大截止时间内,即:
其中,li,q为TT流量mi到达TT消息接收端的最后一条物理链路;
无冲突约束:对于任意两条TT流量mi,mj∈MTT,i≠j,若其链路集合中分别存在链路li,k与lj,h为相同的物理链路,即li,k=lj,h,则要求在TT消息mi与mj占用链路li,k的时间在两条TT流量周期的最小公倍数范围内不重叠:
公式(1)要满足先提条件公式(2)要满足先提条件 其中,LCM(pi,pj)为求取周期pi与周期pj的最小公倍数函数,ceil()为向上取整函数,Teh和Tek分别为链路li,h链路li,k的时间同步误差,且对于任意链路li,h的时间同步误差应满足高斯函数g(x):
对于不同的网络容错性,对时间同步误差存在以下取值:
对于不同网络可以根据网络容错性要求选取不同的Tek取值范围;
路径依赖约束:对于任意一条TT流量mi的链路集合Pi={li,1,li,2,li,3,...,li,h},其任意链路li,k的起始的发送时间要大于等于前置链路的传输时延:
其中,floor()为向下取整函数。
进一步,所述步骤S5中,时间触发消息任务的调度完整周期为所有时间触发消息任务周期的最小公倍数,若时间触发消息任务在一个完整周期内没有发生冲突,则说明时间触发消息任务在本网络上为可调度的,完整周期为:
EC=LCM(p1,p2,…,pn)
时间触发消息任务的调度基本周期长度为所有时间触发消息任务周期的最大公因数,基本周期表明至少存在一个基本周期包含两个及以上的时间触发消息任务,能够最大化的降低一个基本周期内的流量消耗,基本周期为:
BC=GCD(p1,p2,…,pn)
链路同步误差表明调度完成的消息会在时间同步误差范围内完成消息的发送和接收,将保护时间长度设置为最大链路同步误差可以允许设备在一个保护时间的范围内准确发送和接收数据,保护时间长度为:
ST=MAX(Te1,Te2,…,Ten)。
进一步,所述步骤S6具体包括以下步骤:
S61:对于TT消息集合MTT,首先按时间周期进行升序排序,得到MTT={m1,m2,…,mn},其中m1为周期最短的TT消息;
S62:选取第一个基本周期BC,根据时间同步误差确定消息流量周期约束、最大截止时间约束、无冲突约束和路径依赖约束条件依次为TT消息集合MTT中的TT消息选择占用时间,对于每个TT消息,要根据对应设备时间误差预留空闲的时间间隔。
S63:判定基本周期BC是否满足所有消息的传输需求,若满足需求则将调度表配置下发到时间触发以太网设备。
本发明的有益效果在于:本发明在考虑时间同步误差和误差抖动情况下生成时间触发以太网调度表,降低了实际网络中TT消息的端到端时延,保证了时间触发以太网的可靠性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1是本发明所述的调度表时间周期示意图;
图2是本发明所述的调度表生成方法流程图;
图3是本发明所述的基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法总体流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图3是本发明所述的调度表生成方法流程图,一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,包括以下步骤:
S1:上位机统计并记录网络内各设备时间。时间触发以太网设备启用AS6802时间同步协议,尝试在网络内进行时间同步,等待网络内时间同步稳定后,周期性向控制器报告当前设备时间xvq,j,其中vq表示设备标识,j表示设备上传设备时间的序列号。
S2:计算各个设备时间同步误差平均值、方差。上位机采集并记录网络内各个设备的时间,并将压缩主机CM(Compression Master,时间触发网络时间基准设备)的设备时间作为基准时间xCM,j,计算各个设备时间xvq,j与xCM,j差值,即
tvq,j=xvq,j-xCM,j,j∈[1...N]
并对各个设备计算时间误差的平均值uvq和方差σvq,对于压缩主机CM,平均值与方差均为0。
S3:对TT消息、链路进行建模。
S31:TT消息建模:在时间触发以太网内,TT消息是以周期性的方式进行端到端的传输的,一个网络内包含多个TT消息,每个TT消息应包括消息长度、消息周期、最大截止时间、所经过的物理链路、每条链路的开始时间的参数。因此,我们使用
MTT={m1,m2,…,mn}
表示网络内存在n条TT流量。其中对于任意TT消息mi,存在以下表现形式:
mi={si,pi,ei,Pi,oi}
其中si表示TT消息的大小,以字节数为单位;pi表示TT消息的周期时间;ei表示TT消息的发送端到接收端的最大截止时间;Pi为一个链路集合,即
Pi={li,1,li,2,li,3,...,li,h}
表示该TT消息在传输过程中经过的链路。本专利只针对单播流量进行调度,所以每个TT流量都有且仅有一个源节点和一个目的节点,即对于任意消息i在链路k上表示为li,k,其后续链路为li,k+1。oi表示链路起始时间的集合,即
表示TT消息mi在其经过Pi中每条链路{li,1,li,2,li,3,...,li,h}的起始传输时间。
S32:对于链路建模:我们使用有向图G=(V,E)来表示网络内设备间的通信关系,V是网络设备的集合V=(v1,v2,…,vN),N为网络设备的数量。E是物理链路的集合,物理链路表示设备vq与设备vr存在物理连接,每条物理链路都是全双工的工作模式,因此对于物理链路(vq,vr)和物理链路(vr,vq)分别使用li,k和li,h表示TT消息i会经过这两条链路,其中k,h为任意整数。对于链路,li,k应存在链路带宽、时间同步误差均值、时间同步误差方差和传输延迟参数。即
li,k={bi,k,ui,k,σi,k,di,k}
表示链路li,k的属性集合。其中bi,k表示链路li,k带宽;ui,k表示链路li,k时间同步误差均值,ui,k=uvq,vq为链路li,k的发送设备;σi,k表示链路li,k时间同步的方差,σi,k=σvq,vq为链路li,k的发送设备;di,k表示链路li,k的传输延迟。
S4:根据建立的模型确定约束条件,其包括以下几个约束条件:
·流量周期约束
对于任意一条TT流量mi,其在链路li,k上的第一个帧的传输时间应该在一个周期内,即:
·最大截止时间约束
对于任意一条TT流量mi,其在网络内的停留时间应在其最大截止时间内,即:
其中,li,q为TT流量mi到达TT消息接收端的最后一条物理链路。
·无冲突约束
对于任意两条TT流量mi,mj∈MTT,i≠j,若其链路集合中分别存在链路li,k与lj,h为相同的物理链路,即li,k=lj,h,则要求在TT消息mi与mj占用链路li,k的时间在两条TT流量周期的最小公倍数范围内不重叠。
对于公式(1)应满足先提条件对于公式(2)应满足先提条件其中,LCM(pi,pj)为求取周期pi与周期pj的最小公倍数函数,ceil()为向上取整函数。Teh和Tek分别为链路li,h链路li,k的时间同步误差,且对于任意链路li,h的时间同步误差应满足高斯函数g(x)。
故时间误差抖动满足正态分布,因此对于不同的网络容错性,对时间同步误差可以存在以下取值:
若要求过高的网络容错性,则会造成ceil(max(|Tek|))的取值过大,链路会一直等待,从而导致链路资源的浪费,而在一定可能上也会导致每个TT消息等待时间过长引起所有TT消息的无法调度。若要求过低的网络容错性,则由于时间同步误差存在抖动情况,可能会导致个别TT消息发生冲突,引起TT消息延迟或丢失。因此,本专利以Tek∈[ui,k-3σi,k,ui,k+3σi,k]为例进行讨论实现,对于不同网络可以根据网络容错性要求选取不同的Tek取值范围。
·路径依赖约束
对于任意一条TT流量mi的链路集合Pi={li,1,li,2,li,3,...,li,h},其任意链路li,k的起始的发送时间应大于等于前置链路的传输时延。
其中,floor()为向下取整函数。
S5:如图1所示,根据时间触发消息任务确定消息基本周期,并根据链路同步误差抖动确定每个消息的时间长度。
时间触发消息任务的调度完整周期应为所有时间触发消息任务周期的最小公倍数,若时间触发消息任务在一个完整周期内没有发生冲突,则说明时间触发消息任务在本网络上为可调度的。即完整周期为:
EC=LCM(p1,p2,…,pn)
时间触发消息任务的调度基本周期长度应为所有时间触发消息任务周期的最大公因数,基本周期表明至少存在一个基本周期包含两个及以上的时间触发消息任务,能够最大化的降低一个基本周期内的流量消耗。即基本周期为:
BC=GCD(p1,p2,…,pn)
链路同步误差表明调度完成的消息会在时间同步误差范围内完成消息的发送和接收,将保护时间长度设置为最大链路同步误差可以允许设备在一个保护时间的范围内准确发送和接收数据。即保护时间长度为:
ST=MAX(Te1,Te2,…,Ten)
S6:根据约束条件判定基本周期内所有任务的可调度性,为每个TT消息划分调度表,下发调度表配置到时间触发以太网设备,包括以下步骤,也可由图2进行阐述表示。
S61:设定基本周期起始值,从TT消息中选取在本周期内应调度的TT消息。
S62:对本基本周期内的TT消息进行可调度性测试,若TT消息在本周期内不可调度,则向前端汇报消息冲突警告。否则进行S63。
S63:按照TT消息的发送周期确定本次调度的基本周期。
S64:对TT消息按照截止时间和时间误差进行升序排序,最前的为截止时间最短的TT消息。
S65:对应在本周期内传输的TT消息进行时间偏差计算。
S66:判定本周期内是否存在未调度消息,如果存在则进行S67,否则进行S68;
S67:选取当前集合内截止时间最短的TT消息,为期分配偏移时间。若时间已被占用,则向后寻找可能的偏移时间,并记录当前TT消息分配的时间偏移。
S68:下发调度表配置,设定下次调度表配置下发时间。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:时间触发以太网设备启用AS6802时间同步协议,尝试在网络内进行时间同步,等待网络内时间同步稳定后,周期性向控制器报告当前设备时间xvq,j,其中vq表示设备标识,j表示设备上传设备时间的序列号;
S2:控制器采集并记录网络内各个设备的时间,并将压缩主机CM的设备时间作为基准时间xCM,j,计算各个设备时间xvq,j与xCM,j差值,并对各个设备计算时间误差的平均值uvq和方差σvq,对于压缩主机CM,平均值与方差均为0;
S3:对TT消息、链路进行建模;
S4:根据建立的模型确定约束条件;
S5:根据时间触发消息任务确定消息基本周期,并根据链路同步误差抖动确定每个消息的时间长度;
S6:根据约束条件判定基本周期内所有任务的可调度性,为每个TT消息划分调度表,下发调度表配置到时间触发以太网设备。
2.根据权利要求1所述的基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,其特征在于:步骤S3中所述对TT消息建模包括:
使用下式表示网络内存在n条TT流量:
MTT={m1,m2,…,mn}
其中对于任意TT消息mi,存在以下表现形式:
mi={si,pi,ei,Pi,oi}
其中si表示TT消息的大小;pi表示TT消息的周期时间;ei表示TT消息的发送端到接收端的最大截止时间;Pi为一个链路集合,表示该TT消息在传输过程中经过的链路:
Pi={li,1,li,2,li,3,...,li,h}
每个TT流量都有且仅有一个源节点和一个目的节点,即对于任意消息i在链路k上表示为li,k,其后续链路为li,k+1,oi表示链路起始时间的集合,即:
3.根据权利要求1所述的基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,其特征在于:步骤S3中所述对于链路建模包括:使用有向图G=(V,E)来表示网络内设备间的通信关系,V是网络设备的集合V=(v1,v2,…,vN),N为网络设备的数量,E是物理链路的集合,物理链路表示设备vq与设备vr存在物理连接,每条物理链路都是全双工的工作模式,因此对于物理链路(vq,vr)和物理链路(vr,vq)分别使用li,k和li,h表示TT消息i会经过这两条链路,其中k,h为任意整数;对于链路,li,k存在链路带宽、时间同步误差均值、时间同步误差方差和传输延迟参数,即
li,k={bi,k,ui,k,σi,k,di,k}
其中bi,k表示链路li,k带宽;ui,k表示链路li,k时间同步误差均值,ui,k=uvq,vq为链路li,k的发送设备;σi,k表示链路li,k时间同步的方差,σi,k=σvq,vq为链路li,k的发送设备;di,k表示链路li,k的传输延迟。
4.根据权利要求1所述的基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,其特征在于:步骤S4中包括以下几个约束条件:
流量周期约束:对于任意一条TT流量mi,其在链路li,k上的第一个帧的传输时间要在一个周期内,即:
最大截止时间约束:对于任意一条TT流量mi,其在网络内的停留时间要在其最大截止时间内,即:
其中,li,q为TT流量mi到达TT消息接收端的最后一条物理链路;
无冲突约束:对于任意两条TT流量mi,mj∈MTT,i≠j,若其链路集合中分别存在链路li,k与lj,h为相同的物理链路,即li,k=lj,h,则要求在TT消息mi与mj占用链路li,k的时间在两条TT流量周期的最小公倍数范围内不重叠:
公式(1)要满足先提条件公式(2)要满足先提条件 其中,LCM(pi,pj)为求取周期pi与周期pj的最小公倍数函数,ceil()为向上取整函数,Teh和Tek分别为链路li,h链路li,k的时间同步误差,且对于任意链路li,h的时间同步误差应满足高斯函数g(x):
对于不同的网络容错性,对时间同步误差存在以下取值:
对于不同网络可以根据网络容错性要求选取不同的Tek取值范围;
路径依赖约束:对于任意一条TT流量mi的链路集合Pi={li,1,li,2,li,3,...,li,h},其任意链路li,k的起始的发送时间要大于等于前置链路的传输时延:
其中,floor()为向下取整函数。
5.根据权利要求1所述的基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,其特征在于:所述步骤S5中,时间触发消息任务的完整周期为:
EC=LCM(p1,p2,…,pn)
时间触发消息任务的的基本周期长度为:
BC=GCD(p1,p2,…,pn)
时间触发消息任务的的保护时间长度为:
ST=MAX(Te1,Te2,…,Ten)。
6.根据权利要求1所述的基于时延误差时间触发以太网调度表生成方法,其特征在于:所述步骤S6具体包括以下步骤:
S61:对于TT消息集合MTT,首先按时间周期进行升序排序,得到MTT={m1,m2,…,mn},其中m1为周期最短的TT消息;
S62:选取第一个基本周期BC,根据时间同步误差确定消息流量周期约束、最大截止时间约束、无冲突约束和路径依赖约束条件依次为TT消息集合MTT中的TT消息选择占用时间,对于每个TT消息,要根据对应设备时间误差预留空闲的时间间隔;
S63:判定基本周期BC是否满足所有消息的传输需求,若满足需求则将调度表配置下发到时间触发以太网设备。
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