CN114301730B - 一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法，属于移动通信技术领域。该方法首先对车载Ethernet‑CAN网关内部的缓存区采用队列的形式对不同转换类型的报文进行分类存储，队列内部的报文进行优先级排序；其次队列间采用队列长度动态加权轮询调度算法，对车载Ethernet‑CAN网关中不同转换类型队列依照队列权重的不同计算出调度顺序；最后按照调度顺序对队列里的报文进行调度。本发明能够在某一异构调度类型报文优先处理的情况下，兼顾报文数量较多的队列优先处理，让固有优先级较高和报文数量较多的队列可以在每一个轮询期的前期和后期都能够获得调度的机会，可以有效的减少队列的延时和丢弃率。

Description

一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及车载混合网络的网关通信技术，具体涉及一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法。

背景技术

随着对汽车功能以及配置需求的增长，越来越多的ECU功能整合为域控制器，车载Ethernet逐渐成为智能汽车骨干网络，需要进行交换的数据量呈指数增长，因此连接各个网段的网关需要调度转发不同类型报文的数量也大大增加，这就造成了网关在对不同类型报文进行调度转发时的延时问题。

对于车载Ethernet-CAN网关需要实现两种不同总线协议的转换，两种总线的特点、传输速率和实时性等要求都不相同，由于车载Ethernet总线的传输速率远远高于CAN总线的传输速率，当车载Ethernet报文不停的传入网关转换为CAN报文时，有可能会形成大量的CAN报文的堆叠，从而造成长周期低优先级报文的延时甚至于丢弃；而当CAN报文需要组包成车载Ethernet报文时，由于数据域的大小不一致，当若干个CAN报文组合成车载Ethernet报文时，由于从CAN网段传输到接收缓存区的报文周期存在不一致的情况，就可能会造成一些长周期报文出现延迟。因此该网关必须保证能够有效的对两种报文进行实时传输。

随着对网关时延问题的研究，目前针对的网关调度方法大多是基于优先级的调度，但车载Ethernet中并不存在CAN总线中的优先级定义，这就会造成车载Ethernet与CAN进行数据调度时无法优先处理重要的调度信息，出现高优先级报文到达网关后该类报文的延时，由于车载Ethernet和CAN传输速率的差异，车载Ethernet报文到达网关转换为CAN报文会出现堆积，甚至于到达的时间冲突而形成报文丢弃的问题，从而影响网络的稳定性。

因此，亟需一种新的车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法，在不同类型的队列内部采用链表的形式对报文进行排序，队列间采用队列长度动态加权轮询调度算法对队列进行调度。该方法能够保证固有队列优先级高的队列优先调度的前提下，使得报文数量较多的队列也能够尽快调度，从而减少报文的堆叠。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法，车载Ethernet-CAN混合网络的网关中不同转换类型的报文等待调度处理，每种类型分配一个队列。具体为：首先对车载Ethernet-CAN网关内部的缓存区采用队列的形式对不同转换类型的报文进行分类存储，队列内部采用链表的形式对报文进行优先级排序；其次队列间采用队列长度动态加权轮询调度算法，对车载Ethernet-CAN网关中不同转换类型队列依照队列权重的不同计算出调度顺序；最后按照调度顺序对队列里的报文进行调度。

队列内部使用链表的形式可以避免出现队列内存溢出的情况，并且可以进行快速的查询并将报文按照报文优先级由高到低的顺序插入到报文队列中。使用队列长度动态加权轮询调度算法时，无论该类型队列的固有权重多小，当其堆积数量不断增加的同时，都能够让该队列在轮询调度过程中尽可能的在整个轮询调度期间尽可能的获取调度机会。

进一步，队列内部采用链表的形式对报文进行优先级排序，可以保证同一类型的报文，优先级在队列里的顺序为由高到低。

进一步，所述队列权重的取值采用分层分析法，根据整车网络架构下网关队列重要性设定固有队列权重，然后根据队列长度在每个轮询周期计算队列长度权重，最后固有队列权重和队列长度权重进行乘积计算队列权重。

进一步，所述队列长度权重的计算公式为：

其中，init_w_len为初始最小权重值，max_w_len为初始最大权重值，prev_w_len为上一次轮询的队列权重值，min_len为队列长度最小值，max_len为队列长度最大值，num为此次计算队列长度值。

进一步，所述队列长度动态加权轮询调度算法，具体包括以下步骤：

a)初始化固定权重W_init，根据队列长度，计算接收队列长度权重W_len，固定权重和队列长度权重相乘得到队列最终权重W_n；

b)赋予Q₁权重W₁，Q₂权重W₂，Q₃权重W₃，直到所有的队列权重赋值完成，即赋予Q_n权重W_n，W₁>W₂>W₃>……>W_n；其中，Q₁、Q₂、Q₃、…、Q_n表示第1、2、3、…、n个队列，W₁、W₂、W₃、…、W_n表示第1、2、3、…、n个队列的权重，n为正整数；

c)从每个类型队列中选出权重最大的类型队列的权重W_i，0<i<n，减去权重1，得到第i个类型队列的新权重，其他类型队列权重保持不变；

d)再次重复步骤c)，直到所有的类型队列得到的新的权重为0后，确定轮询序列。

为了避免大量并发数据的出现从而导致队列的溢出，调度时对于计算出的轮询队列进行随机的开始选择。

本发明的有益效果在于：本发明调度方法能够在某一异构调度类型报文优先处理的情况下，兼顾报文数量较多的队列优先处理，让固有优先级较高和报文数量较多的队列可以在每一个轮询期的前期和后期都能够获得调度的机会，可以有效的减少队列的延时和丢弃率。

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为车载网络的模型结构示意图；

图2为网关内部的信息交互模型示意图；

图3为本发明车载Ethernet到CAN网络网关调度的业务流程图；

图4为本发明中网关队列模型建立及固定权重求取的业务流程图；

图5为队列固定权重求取的分层分析结构图；

图6为队列长度权重求取的业务流程图；

图7为本发明中网关混合网络消息接收与转发的业务流程图；

图8为本发明中网关队列调度的业务流程图。

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。

请参阅图1～图8，本发明设计了一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法，能够在网关接收/发送缓存区中通过队列长度动态加权轮询调度算法对缓存区中的报文进行调度处理。其步骤如下：

1)车载Ethernet-CAN混合网络的网关中，队列内部采用链表形式对报文按照优先级排序，使用该方法可以让队列内部存放的报文数量没有限制，即不会出现队列内存溢出的情况，且可以非常快速的进行查询并将报文按照设定的Ethernet优先级由高到低的顺序插入到队列中。

如图1所示，为整个车载网络的模型结构示意图。通过网关连接CAN网络和车载Ethernet网络来进行信息的通信交互，CAN网络的数据传输速率为500Kbit/s，车载Ethernet网络的数据传输速率为100Mbit/s。

如图2所示为网关内部的信息交互模型示意图。CAN网段上的报文进入网关内部的输入缓存区，通过调度后进入到网关的计算区处理为车载Ethernet报文，然后传输到输出缓存区等待调度发送到车载Ethernet网段上；反之车载Ethernet网段上的报文同样进入网关内部的输入缓存区，通过调度后进入到网关的Computing区处理为CAN报文，然后传输到输出缓存区等待调度发送到CAN网段上。

2)车载Ethernet-CAN混合网络的网关中队列间采用队列长度动态加权轮询调度算法，对每个类型的队列权重进行轮询顺序的计算，最后得出队列的轮询顺序。

如图3所示为本发明车载Ethernet到CAN网络网关调度的业务流程图，阐述了针对车载Ethernet到CAN网络网关传输模型的调度步骤。

3)根据整车网络架构需求，分析车载Ethernet-CAN混合网络属性，划分网关车载Ethernet到CAN网络网关队列类型。

如图4为针对整车网络架构的网关调度队列模型建立过程，以及各队列固定权重的求取。对于车载Ethernet到CAN的网关调度，队列类型可以划分为透明传输、拆包传输和解析传输3种类型。

4)队列权重的取值采用分层分析法，根据整车网络架构下该网关队列重要性设定固有队列权重，然后根据队列长度在每个轮询周期计算队列长度权重，固有队列权重和队列长度权重进行乘积计算队列权重。

如图5为分层方法结构图，假设有3种类型队列即存在3种类型权重需要确定，表1所示为三个因素的重要性对比表，实时性比传输节点重要性重要a倍，安全性比实时性重要b倍。再根据此因素关系构建判断矩阵

将判断矩阵A的每一列向量归一化处理，得到元素为a'_αβ的归一化矩阵A'，对A'按行求和：/>得W＝[W₁ W₂ W₃]^T。对向量W做归一化处理/>得到特征向量近似解W^A＝[W₁ ^A W₂ ^A W₃ ^A]^T。

表1因素权重对比表

如图6为各类型队列长度权重求取的业务流程图，各队列首先初始化队列长度和权重的最大最小阈值，然后按照队列长度划分为3个等级，超过队列长度最大阈值的队列权重设定为最大值，小于队列长度最小阈值的队列权重设定为最小值，队列长度处于最大值和最小值之间的队列，按照如下公式计算队列长度权重：

其中，init_w_len为初始最小权重值，max_w_len为初始最大权重值，prev_w_len为上一次轮询的队列权重值，min_len为队列长度最小值，max_len为队列长度最大值，num为此次计算队列长度值。

5)接收/发送缓存区能够预先设置不同类型的队列，对进入到该缓存区的报文进行分类型存放，队列中的报文等待网关调度发送。

如图7为本发明中网关混合网络消息接收与转发的业务流程图，具体步骤如下：

a)判断车载Ethernet接收缓冲队列中是否有需要转发到CAN的报文。

b)判断当前CAN发送缓冲区中是否有数据正在发送。

c)进行队列权重调度，选择对应类型的队列获取车载Ethernet报文进行转化处理。

d)需要对车载Ethernet转发到CAN报文的数量与CAN发送缓冲区大小进行判断，对于拆包和解析传输类型的车载Ethernet报文，如果转发CAN报文数量超过CAN发送缓冲区大小，需要进行分批发送处理。

e)将处理后的CAN数据放入发送缓冲区发送。

6)调度方法是依据相应的每个队列的权重，计算出每个队列在一个轮询期内的调度顺序，缓存区中的队列严格按照相应的调度顺序进行调度。

如图8为各个缓存区内队列的调度业务流程图，图中的缓存区代表网关输入或输出缓存区。每个缓存区权重各不相同，并且存储不同类型的报文，并按照优先级的高低进行排序，队列间的报文调度传输按照队列长度动态加权轮询方法的调度轮询规则进行传输，其调度轮询规则的计算方法如下：

a)初始化固定权重Winit，根据队列长度，计算接收队列长度权重Wlen，固定权重和队列长度权重相乘得到队列最终权重W_n。

b)赋予Q₁权重W₁，Q₂权重W₂，Q₃权重W₃，直到所有的队列权重赋值完成，即Q_n权重W_n(W₁>W₂>W₃>……>W_n)。

c)从每个类型队列中选出权重最大的类型队列的权重W_i(0<i<n)，减去权重1，得到这个类型队列的新权重，其他类型队列权重保持不变。

d)再次重复步骤c)，直到所有的类型队列得到的新的权重为0后，确定轮询序列。

通过动态加权轮询调度方法，CAN报文和车载Ethernet报文依照该调度规则进行传输。

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 (3)

1.一种用于车载Ethernet到CAN网络的网关调度方法，其特征在于，该方法包括：首先对车载Ethernet-CAN网关内部的缓存区采用队列的形式对不同转换类型的报文进行分类存储，队列内部的报文进行优先级排序；其次队列间采用队列长度动态加权轮询调度算法，对车载Ethernet-CAN网关中不同转换类型队列依照队列权重的不同计算出调度顺序；最后按照调度顺序对队列里的报文进行调度；

所述转换类型包括透明传输、拆包传输和解析传输；在车载Ethernet-CAN网关内部的缓存区内，对于报文的接收与转发的处理方式为：

a)判断车载Ethernet接收缓冲队列中是否有需要转发到CAN的报文；

b)判断当前CAN发送缓冲区中是否有数据正在发送；

c)进行队列权重调度，选择对应类型的队列获取车载Ethernet报文进行转化处理；

d)需要对车载Ethernet转发到CAN报文的数量与CAN发送缓冲区大小进行判断，对于拆包和解析传输类型的车载Ethernet报文，如果转发CAN报文数量超过CAN发送缓冲区大小，需要进行分批发送处理；

e)将处理后的CAN数据放入发送缓冲区发送；

所述队列权重的取值采用分层分析法，根据整车网络架构下网关队列重要性设定固有队列权重，然后根据队列长度在每个轮询周期计算队列长度权重，最后固有队列权重和队列长度权重进行乘积计算队列权重；

所述队列长度权重的计算公式为：

其中，init_w_len为初始最小权重值，max_w_len为初始最大权重值，prev_w_len为上一次轮询的队列权重值，min_len为队列长度最小值，max_len为队列长度最大值，num为此次计算队列长度值。

2.根据权利要求1所述的网关调度方法，其特征在于，队列内部采用链表的形式对报文进行优先级排序。

3.根据权利要求1所述的网关调度方法，其特征在于，所述队列长度动态加权轮询调度算法，具体包括以下步骤：

a)初始化固定权重W_init，根据队列长度，计算接收队列长度权重W_len，固定权重和队列长度权重相乘得到队列最终权重W_n；

b)赋予Q₁权重W₁，Q₂权重W₂，Q₃权重W₃，直到所有的队列权重赋值完成，即赋予Q_n权重W_n，W₁>W₂>W₃>……>W_n；其中，Q₁、Q₂、Q₃、…、Q_n表示第1、2、3、…、n个队列，W₁、W₂、W₃、…、W_n表示第1、2、3、…、n个队列的权重，n为正整数；

c)从每个类型队列中选出权重最大的类型队列的权重W_i，0<i<n，减去权重1，得到第i个类型队列的新权重，其他类型队列权重保持不变；

d)再次重复步骤c)，直到所有的类型队列得到的新的权重为0后，确定轮询序列。