CN114374640A - 一种基于时间触发以太网的业务调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间触发以太网的业务调度方法，根据业务流参数，计算端系统和交换机数量，确定拓扑结构，建立端口连接矩阵，规划最短路径；对每个矩阵周期内的业务进行分配，对每个基本周期内的业务进行排序，建立一个矩阵周期内的整体调度表，进而生成各个端节点和交换机的业务调度表。本发明实现了对TT业务的调度，使得各个端节点和交换机能够有序、无冲突地传输TT任务；同时节省的网络带宽，提高网络链路利用率。

Description

一种基于时间触发以太网的业务调度方法
技术领域
本发明属于计算机网络通信技术领域，具体涉及一种基于时间触发以太网的业务调度方法。
背景技术
随着航空航天事业的发展，航空电子系统对高带宽、高可靠性、低延时和强容错性等方面的需求越来越大。经过长时间的研究与发展，TTE(Time Trigger Ethernet)应运而生。该技术在以太网的基础上增加了时间同步技术和时间触发技术，能够处理对实时性要求很高的时间触发业务(TT)，也能处理速率受限业务(RC)和普通以太网业务(BE)，即能够同时满足实时应用和非实时应用的需求。
其中，TT业务在所有业务中对时间确定性要求最为严格，具有最高的优先级。TT业务的传输基于全局时钟，须严格按照时间调度表在预定的时间段进行业务收发，从而保证其高实时性和低时延抖动的要求，避免数据帧之间互相竞争网络中有限的物理链路。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于时间触发以太网的业务调度方法，可以用以实现对TT业务的收发控制。
一种基于时间触发以太网的业务调度方法，包括如下步骤：
步骤1、获取待收发的所有的时间触发业务的参数；
步骤2、根据待收发的业务，计算所需端节点ES和交换机SW数量，获得最小的系统；
步骤3、根据步骤2确定的最小系统，建立系统的拓扑结构，其中，将端节点ES和交换机SW均称为系统的连接节点，并对连接节点进行顺序编号；
步骤4、根据3建立的系统的拓扑结构，连接节点之间的连接关系矩阵，其中包括交换机SW的连接端口与其它交换机SW或者端节点ES的连接矩阵；
步骤5、根据3和4中的拓扑结构和连接节点连接矩阵，将直接相连的两个节点间距离长度设置为1，同一节点的连接距离长度为0，不直接相连的节点间距离长度设置为无穷大，用X表示；计算任意两个节点之间的最短传输路径，包括最短传输路径总距离和中间连接节点编号；
步骤6、获取网络参数；
步骤7、计算基本周期BC和矩阵周期MC：根据1中的业务流参数，计算得到基本周期BC和矩阵周期MC，其中矩阵周期MC内包含多个基本周期BC，用于将所有业务完成一遍发送；
步骤8、根据业务的周期，在一个矩阵周期MC内将各业务分配到各个基本周期BC内，建立一个矩阵周期MC内的业务分配表；
步骤9、对于每个基本周期BC内分配的所有业务，按照业务的不同产生时刻进行分组，对每组内的业务根据优先级进行排序，遍历一个矩阵周期MC内的各个基本周期BC，将业务按照优先级完成排序；
步骤10、对一个矩阵周期MC内的业务，根据业务的源端编号和目的端编号，利用步骤5的最短传输路径确定收发路径，再根据业务的优先级和收发路径，确定收发时间，最终形成一个矩阵周期MC内的整体调度表；
步骤11、根据步骤10中的整体调度表，识别各个连接节点，得到每个连接节点的收发调度表，生成调度表文件；
步骤12、根据步骤11的调度表文件，对业务进行收发调度。
较佳的，所述步骤8中，将各业务分配到各个基本周期BC后，将周期相同的业务交错分配到不同的基本周期中，得到业务分配表。
较佳的，所述步骤5中，最后建立一个最短传输路径表，具体方法为：
将所有连接节点编号分别按行和列进行顺序排列；
对于连接节点x和连接节点y之间的第一个中间节点z，位于第x行第y列；第二个中间节点t位于第z行第y列，位于第t行第y列，以此类推，直到最后一个中间节点；两两连接节点进行遍历，得到最短传输路径表；其中，
较佳的，每个交换机SW包含4个全双工端口。
较佳的，两交换机SW之间直接相连，两端系统ES之间需要通过交换机SW相连。
较佳的，所述时间触发业务的参数包括每条业务的ID编号、帧长、周期、源端系统编号、目的端系统编号以及业务产生时间点。
本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种基于时间触发以太网的业务调度方法，根据业务流参数，计算端系统和交换机数量，确定拓扑结构，建立端口连接矩阵，规划最短路径；对每个矩阵周期内的业务进行分配，对每个基本周期内的业务进行排序，建立一个矩阵周期内的整体调度表，进而生成各个端节点和交换机的业务调度表。本发明实现了对TT业务的调度，使得各个端节点和交换机能够有序、无冲突地传输TT任务；同时节省的网络带宽，提高网络链路利用率。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明具体实施方案中的网络拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
1、获取业务流参数：获取待收发的所有时间触发(TT)业务，每条业务的ID编号、帧长、周期、源端系统编号、目的端系统编号、业务产生时间点，如表1所示。
表1业务流参数
业务ID 帧长 周期(ms) 源端 目的端 产生时间
1 64 1 1 2 0
2 1518 1 1 3 1
3 678 3 1 5 0
4 722 2 1 7 1
5 1168 2 3 8 1
6 120 2 4 5 0
7 865 3 2 6 0
8 147 4 2 8 0
9 530 1 5 7 0
10 654 2 6 3 0
11 30 3 7 1 0
12 48 1 7 4 0
13 600 1 8 2 0
2、计算所需端系统ES和交换机SW数量：每个交换机SW包含4个全双工端口，两交换机SW之间可以直接相连，两端系统ES之间需要通过交换机SW相连。
业务流中包含的端系统数量为8，则系统中所需的ES数量最少为8，所需的SW数量最少为m＝8/2-1＝5，即得到最小的系统，包含8个端节点和5个交换机。
3、根据步骤2确定的最小系统，建立拓扑结构，如图2所示，将端系统ES和交换机SW均称为系统的连接节点，并对连接节点进行顺序编号，其中编号1-8表示端节点ES1-ES8，编号为9-13对应交换机SW1-SW5。
4、建立端口连接矩阵：根据3中的拓扑结构，建立端口矩阵，如表2所示。
表2端口连接表
Figure BDA0003412744090000031
Figure BDA0003412744090000041
矩阵为三列，第一列和第二列表示连接节点，第三列表示两个连接节点相连的SW端口号。比如第一行中，两个互相连接的连接节点为9和10，端口号为1，表示节点9通过自身的端口1与节点10连接。
5、规划最短路径：根据3和4中的拓扑结构和节点连接矩阵，建立距离矩阵，每两个节点之间，直接相连的两个节点间距离长度设置为1，同一节点的连接距离长度为0，不直接相连的节点间距离长度设置为无穷大，用X表示，如表3所示。
表3连接距离表
节点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 0 X X X X X X X X 1 X X X
2 X 0 X X X X X X X 1 X X X
3 X X 0 X X X X X X X X 1 X
4 X X X 0 X X X X X X X 1 X
5 X X X X 0 X X X X X X X 1
6 X X X X X 0 X X X X X X 1
7 X X X X X X 0 X X X 1 X X
8 X X X X X X X 0 X X 1 X X
9 X X X X X X X X 0 1 1 1 1
10 1 1 X X X X X X 1 0 1 X X
11 X X X X X X 1 1 1 1 0 X X
12 X X 1 1 X X X X 1 X X 0 X
13 X X X X 1 1 X X 1 X X X 0
如第一行第一列表示节点1与自身的距离为0；第一行第二列表示节点1与节点2距离为无穷大，即未直接连接；第一行第十列表示节点1与节点10的距离为1。
根据该距离矩阵，计算任意两个节点之间的最短传输路径，包括总距离和中间节点编号，分别如表4和表5所示。
表4传输距离表
Figure BDA0003412744090000042
Figure BDA0003412744090000051
比如其中第一行第七列表示从节点1到节点7的传输总距离为3。
表5最短传输路径表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 1 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
2 10 2 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
3 12 12 3 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
4 12 12 12 4 12 12 12 12 12 12 12 12 12
5 13 13 13 13 5 13 13 13 13 13 13 13 13
6 13 13 13 13 13 6 13 13 13 13 13 13 13
7 11 11 11 11 11 11 7 11 11 11 11 11 11
8 11 11 11 11 11 11 11 8 11 11 11 11 11
9 10 10 12 12 13 13 11 11 9 10 11 12 13
10 1 2 9 9 9 9 11 11 9 10 11 9 9
11 10 10 9 9 9 9 7 8 9 10 11 9 9
12 9 9 3 4 9 9 9 9 9 9 9 12 9
13 9 9 9 9 5 6 9 9 9 9 9 9 13
比如想要查看节点1到节点7的传输路径，首先看第一行第七列为10，表示第一步从节点1传输到节点10；然后看第十行第七列为11，表示第二步从节点10传输到节点11,；然后看第十一行第七列为7，则表示第三步从节点11传输到节点7。即经过三步实现从节点1到节点7的传输。
6、获取网络参数：包括链路带宽(100Mbps)、同步精度(200ns)、端系统与交换机之间的时延(100ns)、端节点自身时延(20ns)、交换机自身时延(20ns)等。
7、计算基本周期BC和矩阵周期MC：根据1中的业务流参数，计算得到基本周期BC和矩阵周期MC，其中矩阵周期MC内包含多个基本周期BC，将所有业务完成一遍发送。基本周期BC取各业务周期MC的最大公约数1ms，矩阵周期MC取各业务周期的最小公倍数12ms。
8、建立一个矩阵周期MC内的TT业务分配表：根据TT业务情况，在一个矩阵周期MC内将TT业务分配到各个基本周期BC内，再将周期相同的TT业务进行基本周期BC交错处理，得到优化的分配方案，避免TT业务的冲突，如表6所示。
表6一个矩阵周期MC内的TT业务分配表
Figure BDA0003412744090000052
Figure BDA0003412744090000061
9、每个BC内分配表处理：对每个基本周期内分配的TT业务进行处理，根据TT业务的不同产生时刻进行分组，根据端口的收发量对每一组的业务进行优先级处理，先对第一个BC进行处理，处理前如表7所示，处理后如表8所示。
表7处理前
ID 1 3 6 8 9 12 13 2 4
产生时间 0 0 0 0 0 0 0 1 1
表8处理后
ID 12 9 8 1 13 3 6 2 4
产生时间 0 0 0 0 0 0 0 1 1
10、建立一个矩阵周期MC内的整体调度表：对9中的每个基本周期BC进行相同处理，直到一个矩阵周期MC内所有的基本周期BC业务处理完成。接下来对一个矩阵周期MC内处理好的TT业务进行时间调度安排，根据业务的源端编号和目的端编号，利用最短传输路径表确定收发路径，在根据业务的优先级和收发路径，确定收发时间，最终形成一个矩阵周期MC内的整体调度表。
其中第1列为ID号，第2列为基本周期编号；第3到6列表示源节点发送，分别为源节点编号、开始发送时间、结束发送时间、窗口长度；之后为中间节点接收、中间节点发送，每4列为一组，分别表示中间节点编号、开始接收/发送时间点、完成接收/发送时间点、窗口长度；最后四列表示目的节点接收，分别为目的节点编号、开始接收节点、完成接收节点、窗口长度。
11、生成各个节点的调度表：根据10中的整体调度表，识别各个节点，得到每个节点的收发调度表，生成调度表文件。
其中源端系统1发送表、交换机2接收表、交换机3发送表、目的端系统4接收表分别如表9-12所示。
表9源端系统1发送表
Figure BDA0003412744090000062
Figure BDA0003412744090000071
表10交换机2接收表
Figure BDA0003412744090000072
Figure BDA0003412744090000081
表11交换机3发送表
Figure BDA0003412744090000082
Figure BDA0003412744090000091
表12目的端系统4接收表
Figure BDA0003412744090000092
Figure BDA0003412744090000101
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时间触发以太网的业务调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取待收发的所有的时间触发业务的参数；
步骤2、根据待收发的业务，计算所需端节点ES和交换机SW数量，获得最小的系统；
步骤3、根据步骤2确定的最小系统，建立系统的拓扑结构，其中，将端节点ES和交换机SW均称为系统的连接节点，并对连接节点进行顺序编号；
步骤4、根据3建立的系统的拓扑结构，连接节点之间的连接关系矩阵，其中包括交换机SW的连接端口与其它交换机SW或者端节点ES的连接矩阵；
步骤5、根据3和4中的拓扑结构和连接节点连接矩阵，将直接相连的两个节点间距离长度设置为1，同一节点的连接距离长度为0，不直接相连的节点间距离长度设置为无穷大，用X表示；计算任意两个节点之间的最短传输路径，包括最短传输路径总距离和中间连接节点编号；
步骤6、获取网络参数；
步骤7、计算基本周期BC和矩阵周期MC：根据1中的业务流参数，计算得到基本周期BC和矩阵周期MC，其中矩阵周期MC内包含多个基本周期BC，用于将所有业务完成一遍发送；
步骤8、根据业务的周期，在一个矩阵周期MC内将各业务分配到各个基本周期BC内，建立一个矩阵周期MC内的业务分配表；
步骤9、对于每个基本周期BC内分配的所有业务，按照业务的不同产生时刻进行分组，对每组内的业务根据优先级进行排序，遍历一个矩阵周期MC内的各个基本周期BC，将业务按照优先级完成排序；
步骤10、对一个矩阵周期MC内的业务，根据业务的源端编号和目的端编号，利用步骤5的最短传输路径确定收发路径，再根据业务的优先级和收发路径，确定收发时间，最终形成一个矩阵周期MC内的整体调度表；
步骤11、根据步骤10中的整体调度表，识别各个连接节点，得到每个连接节点的收发调度表，生成调度表文件；
步骤12、根据步骤11的调度表文件，对业务进行收发调度。
2.如权利要求1所述的一种基于时间触发以太网的业务调度方法，其特征在于，所述步骤8中，将各业务分配到各个基本周期BC后，将周期相同的业务交错分配到不同的基本周期中，得到业务分配表。
3.如权利要求1所述的一种基于时间触发以太网的业务调度方法，其特征在于，所述步骤5中，最后建立一个最短传输路径表，具体方法为：
将所有连接节点编号分别按行和列进行顺序排列；
对于连接节点x和连接节点y之间的第一个中间节点z，位于第x行第y列；第二个中间节点t位于第z行第y列，位于第t行第y列，以此类推，直到最后一个中间节点；两两连接节点进行遍历，得到最短传输路径表。
4.如权利要求1所述的一种基于时间触发以太网的业务调度方法，其特征在于，每个交换机SW包含4个全双工端口。
5.如权利要求1所述的一种基于时间触发以太网的业务调度方法，其特征在于，两交换机SW之间直接相连，两端系统ES之间需要通过交换机SW相连。
6.如权利要求1所述的一种基于时间触发以太网的业务调度方法，其特征在于，所述时间触发业务的参数包括每条业务的ID编号、帧长、周期、源端系统编号、目的端系统编号以及业务产生时间点。
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