CN115174445B - 一种arinc664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于ARINC664网络技术领域，公开了一种ARINC664交换机网络内数据帧的端到端延迟上界分析方法，包括：确定数据帧的第一个字节到达某一交换机的输入端口的时间到该数据帧的最后一个字节到达该交换机的输入端口的最大时间间隔，记为T1；确定该数据帧的最后一个字节到达该交换机的输入端口的时间到该数据帧的第一个字节到达该交换机公共缓冲区的时间间隔，记为T2；确定该数据帧在该交换机输出端口的最大延迟，记为T3；根据T1、T2、T3，计算该数据帧在该交换机的最大延迟；根据所述ARINC664交换机网络包含的交换机数量，以及数据帧在每台交换机内的最大延迟，确定所述ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界，计算数据帧在交换机网络中任意一条VL Path上的端到端延迟上界。

Description

一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法

技术领域

本发明属于ARINC664网络技术领域，尤其涉及一种ARINC664交换机网络内数据帧的端到端延迟上界分析方法。

背景技术

ARINC664是一种考虑了航空电子约束的交换式以太网，通过控制传输速率和固定拓扑结构，使传输时延有一定的上界。交换机系统是高带宽网络中的核心元件。图2提供了A664网络中使用的通用连接体系结构。A664网络体系结构基于两个并行冗余网络，以达到航空电子数据通信网络的可用性目标。交换机单元的主要功能是接收称为“A664数据帧”的以太网数据包，验证数据没有损坏，也没有违反A664网络系统配置，并根据A664网络系统配置在一个或多个以太网端口上传输数据。

如图1所示，交换机网络通过虚拟链路(Virtual Link，简称VL)交换A664数据帧，VL是一个概念上的通讯对象，VL定义了一个逻辑上单向的连接，从一个源终端到一个或多个目的终端，一条虚拟链路有多少个目标终端就有多少条VL Path(从源终端到一个目的终端视为一条VL Path)。每条虚拟链路都可配置一个专用的最大带宽，由最大帧长Smax和带宽分配间隙(Band Width Gap，简称BAG，表示VL中2个帧之间的最小帧间隔)的商决定：

在终端系统的输出端口，与特定虚拟链路相关联的数据帧流的特征是两个参数：BAG和抖动jitter。对于给定的虚拟链路，帧可以出现在一个有界的时间间隔中，该时间间隔被定义为最大允许抖动Max jitter。如果某条VL的抖动为0，则BAG表示来该条虚拟链路内两个连续帧的第一位之间的最小时间间隔。抖动由排队竞争引入，而不是由通信数据流本身引入，如图3所示。

终端产生的数据帧传送到交换机网络时，需要经过交换机的数据接收、错误数据过滤和流量管制、数据转发、数据发送，为了保证A664网络的确定性，有必要对交换机网络配置进行网络分析。,

发明内容

本发明技术方案针对背景技术中的问题，提供一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，结合网络演算理论计算数据帧在交换机网络进行数据传输时产生的延迟上界，即计算数据帧在交换机网络中任意一条VL Path上的端到端延迟上界。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，ARINC664交换机网络由多台交换机组成，所述方法包括：

S1，确定数据帧的第一个字节到达某一交换机的输入端口的时间到该数据帧的最后一个字节到达该交换机的输入端口的最大时间间隔，记为T1；

S2，确定该数据帧的最后一个字节到达该交换机的输入端口的时间到该数据帧的第一个字节到达该交换机公共缓冲区的时间间隔，记为T2；

S3，确定该数据帧在该交换机输出端口的最大延迟，记为T3；

S4，根据T1、T2、T3，计算该数据帧在该交换机的最大延迟；

S5，根据所述ARINC664交换机网络包含的交换机数量，以及数据帧在每台交换机内的最大延迟，确定所述ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)S1具体为：

其中，VL_i表示第i条虚拟链路，node表示交换机的某一个输出端口，称为交换机节点，VL_i∈node表示从该交换机节点通过的虚拟链路集合，S_maxi是第i条虚拟链路允许的最大帧长，C_i是第i条虚拟链路在其输入端口的带宽。

(2)S2中T2的值为交换机配置的最大抖动时间。

(3)虚拟链路定义了一个逻辑上单向的连接，从一个源终端到一个或多个目标终端，一条虚拟链路有多少个目标终端就有多少条VL Path，从源终端到一个目标终端视为一条VL Path；S3具体为：

S31，计算每条VLPath的到达曲线，对于每条VLPath，一跳表示从一个设备的出口到下一个设备的出口；

单个虚拟链路到达曲线表示为：α(t)＝σ+ρt

其中，σ是突发流量中可以到达的最大流量，ρ是流量增长的斜率上限；

S32，计算每个交换机的服务曲线，所述服务曲线包含：高优先级数据帧的服务曲线β_h(t)和低优先级数据帧的服务曲线β_l(t)；

其中，[t-T]⁺表示当t-T大于零时，[t-T]⁺等于t-T，当t-T小于或者等于零时，[t-T]⁺等于零，为从同一节点输出的所有低优先级虚拟链路的最大帧长的最大值，为通过该节点的所有高优先级虚拟链路的带宽之和，/>为通过该节点的所有高优先级虚拟链路的突发数据量之和，T_tech是交换机的技术延迟，C为交换机输出端口的带宽；

S33，确定经过同一输出端口的单个输入端口内所有虚拟链路的聚合到达曲线α_SL(t)；

其中，SL表示通过同一交换机节点的一个交换机输入端口的所有虚拟链路，i∈SL表示通过该输入端口的虚拟链路VL_i；

该聚合曲线的拐点e表示为：

其中，σ_i是第i条虚拟链路VL_i通过该输入端口的突发流量；ρ_i是第i条虚拟链路VL_i的带宽；C是该输入端口的速率；

S34，使用分组技术按升序对所有经过同一输出端口的N个输入端口的到达曲线的拐点进行排序，排序后的拐点标识为E_g(g＝1,2,...,N)，N为交换机端口数量；经分组升序排序后的输入端口聚合数据流在交换机节点处汇聚，得到在交换机节点的到达曲线；

通过计算交换机节点的到达曲线和服务曲线之间的最大水平距离可以得到数据流在交换机节点处排队竞争引起的最大水平延迟D_max，记为T₃。

(4)S31，计算每条VLPath的到达曲线，具体为：

(a)每条VLPath的第一跳到达曲线：

其中，S_max表示虚拟链路允许的最大帧长，BAG为虚拟链路的固有参数最小帧间隔，max_jitter表示在虚拟链路上的最大抖动时间，在第一跳交换机时max_jitter为Jitter_ES，表示虚拟链路在源终端内已有的抖动；

从第二跳开始使用下面步骤得到的公式作为虚拟链路的到达曲线；

(b)计算VLPath下一跳的到达曲线：

表示进入交换机节点n的流量的到达曲线，/>是第n个节点之后经过的下一个节点的到达曲线；它们满足以下关系：

其中，是节点中聚合到达曲线的最大等待时间，/>

(5)S34中，最大水平延迟D_max的计算过程为：

存在拐点E_x，在E_x的左边，交换机的到达曲线的斜率大于等于服务曲线斜率，在E_x的右边，交换机的到达曲线的斜率小于服务曲线斜率；

当t＝E_x时，得到交换机节点的达到曲线和服务曲线的最大水平距离D_max，作为数据帧在交换机输出端口的最大延迟：

其中，T和R是交换机的服务曲线的参数；根据以下式子计算中间参数y：

式中，m₁是交换机中10Mbps端口的数量，m₂是交换机中100Mbps端口的数量，m₁+m₂＝N-s+1，m₂先随着s加1而减1，当m₂减到0后，m₁开始随着s加1而减1，C₁是10Mbps，C₂是100Mbps，r₀＝E₀＝0。

(6)S4具体为：

数据帧在该交换机的最大延迟为T_i,SWj＝T₁+T₂+T₃，表示第i条VL在第j台交换机内的最大延迟。

(7)S5具体为：一条VL Path在交换机网络内的端到端延迟上限等于该VL Path通过的所有交换机的最大延迟之和：

其中，SW_j∈PATH_i表示第i条VLPATH_i经过的交换机集；T_i,SWj表示第i条VLPATH_i通过第j台交换机的最大延迟。

本发明技术方案为交换机网络配置提供可靠的延迟上界判断，实现了一种基于网络演算理论的交换机网络确定性分析方法来计算帧在交换机网络产生的端到端延迟上界。

附图说明

图1为本发明实施例提供的虚拟链路VL及VL Path示意图；

图2为本发明实施例提供的A664网络通用连接体系结构示意图；

图3为本发明实施例提供的虚拟链路传输抖动示意图；

图4为本发明实施例提供的虚拟链路在终端系统输出端口的到达曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的穿过相同入口的聚合流的到达曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的聚合流拐点排序示意图；

图7为本发明实施例提供的使用分组技术后的到达曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的时的延迟计算示意图；

图9为本发明实施例提供的时的延迟计算示意图；

图10为本发明实施例提供的数据流向示意图示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在A664网络中，数据帧都通过VL来传输，VL的起点为源终端，终点为目的终端，中间经过交换机网络。终端都有2个全双工物理端口(一个用于发送或接收A网数据帧，一个用于发送或接收B网数据帧)，交换机有多个全双工物理端口，记为N个。一台交换机要么为A网交换机，要么为B网交换机，如图2所示。

本发明技术方案是结合网络演算理论计算数据帧在交换机网络进行数据传输时产生的延迟上界，即计算数据帧在交换机网络中任意一条VL Path上的端到端延迟上界，定义为以下两个事件的时间之差：

(1)数据帧的第一个字节进入到VL Path的第一台交换机的输入端口；

(2)数据帧的第一个字节从VL Path的最后一台交换机的输出端口离开。

本发明技术方案涉及术语节点(Node)，对节点的解释如下：

起始节点：VL的源终端；终止节点：VL的目的终端；交换机节点：VL经过的交换机的某一输出端口，每台交换机有N个节点。

具体的，本发明实施例提供的一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，交换机系统传输数据的时延主要分为三部分，如图3所示。

第一部分是交换机数据接收模块的延迟，记为T₁，描述以下两个事件之间的持续时间：

(1)帧的第一个字节(包括前序的20个字节、帧分隔符的开头和帧间间隙)到达交换机的输入端口；

(2)帧的最后一个字节到达交换机的输入端口(包括前序的20个字节、帧分隔符的开始和帧间间隙)；

T₁表示持续时间的最大值.

通过一个交换机输出端口(交换机节点)的帧可以来自一个或多个具有不同带宽的交换机输入端口。可以按以下公式计算T₁：

VL_i∈node表示VL_i从该交换机节点通过，S_maxi是VL_i的最大帧长，C_i是VL_i在交换机输入端口的带宽。

第二部分是交换机所有端口同时有最大帧长的数据帧输入时，交换机内部需要依次进行错误过滤和流量管制，并把这些数据帧保存到公共缓冲区，等待其它端口数据帧处理过程会引入延迟，记为T₂，描述的是如下两个事件的持续时间：

(1)帧的最后一个字节到达交换机的输入端口；

(2)帧的第一个字节到达公共缓冲区；

T₂表示在此持续时间内由于帧之间竞争而导致的最大抖动，为固定值，这部分与交换机设计相关。

第三部分是交换机输出端口的延时，记为T₃，输出缓冲区收集到所有从该端口输出的VL，每个输出端口由两个队列组成，一个用于缓存高优先级VL的数据帧流量，一个用于缓存低优先级VL的数据帧流量。在这一模块，帧均采用先进先出的调度模式。对于任一优先级均可采用网络演算算法，分别给出高优先级和低优先级流量的服务曲线。在高低优先级队列中，所有高低优先级VL都各自聚合成一个数据流：即对于每个优先级，输出队列被建模为聚合服务器，它提供了一条到达曲线，以聚集该优先级内的所有VL。

步骤一：计算每条VL Path的第一跳的到达曲线，对于每条VL Path，一跳表示从一个设备(交换机或终端系统)的出口到下一个设备的出口。

单个虚拟链路到达曲线可以用下面的形式表示：α(t)＝σ+ρt

其中：σ是突发流量中可以到达的最大流量，ρ是流量增长的斜率上限。

图4为虚拟链路在源终端输出端口的到达曲线，此处对曲线的上移是对到达流量的合理化放大，可以得到VL Path的第一次到达曲线为：

其中：S_max是表示最大帧长，BAG为虚拟链路的固有参数帧间隔，max_jitter在第一跳交换机时应为Jitter_ES，表示VL_i在源终端内已有的抖动。从第二跳开始则应该使用步骤四得到的公式作为VL的到达曲线。

步骤二：计算每个交换机结点的服务曲线，在一个交换机节点，对于高优先级VL的聚合数据流，由于非抢占性的原因，需要等待一个正在发送的低优先级的帧；对于低优先级VL的聚合数据流，需要等待所有的高优先级VL聚合数据流发送完，因此得到如下每个优先级VL的聚合数据流的服务曲线：

其中，i∈L表示通过同一节点的低优先级的VL_i，i∈H表示通过同一节点的高优先级的VL_i；当0≤t≤T_tech时，δ_Ttech(t)＝0；当t>T_tech时，δ_Ttech(t)＝+∞；T_tech为交换机的技术延迟，为固定值，由交换机设计决定。

每个优先级的服务曲线可以写成以下的形式：

其中，为从同一节点输出的所有低优先级VL的最大帧长的最大值；为通过的该节点的所有高优先级VL_i的带宽之和(字节/ms)。T_tech是交换机的技术延迟。C为该节点的带宽。

步骤三：计算每个节点的聚合到达曲线。对于交换机的输出端口，不同虚拟链路不能同时传输，因此，数据传输在此处不仅受到链路带宽的约束，还受聚合到达曲线的约束，在同一节点上遍历的数据流可以作为一个聚合流，如图5所示为穿过相同交换输入端口的VL聚合流的到达曲线α_SL(t)，表示为：

其中，SL表示通过同一交换机节点的一个交换机输入端口的所有虚拟链路，i∈SL表示通过该输入端口的虚拟链路VL_i。

拐点e表示为:

其中：σ_i是VL_i通过该输入端口的突发流量；ρ_i是VL_i的带宽；C是该输入端口的速率。

在计算聚合到达曲线时，使用分组技术按升序对所有经过同一输出端口的N个输入端口的到达曲线的拐点进行排序，排序后的拐点记为E_g(g＝1,2,...,N)(N为交换机的物理端口数量)，如图6所示。经分组升序排序后的输入端口聚合数据流在交换机节点处汇聚，可以得到在交换机节点的到达曲线，如图7所示，其中

这样，交换机节点的到达曲线和服务曲线都求出来了，通过计算到达曲线和服务曲线之间的最大水平距离可以得到数据流在交换机节点出排队竞争引起的最大延迟，如图8和图9所示，该延迟记为D_max。

图8和图9中都有一拐点E_x，在Ex的左边，到达曲线的斜率大于等于服务曲线斜率，在Ex的右边，到达曲线的斜率小于服务曲线斜率。

当t＝E_X时，可以得到到达曲线和服务曲线之间的最大水平距离D_max，即为T₃。

T和R是交换机节点的服务曲线(β(t)＝R[t-T]⁺)的参数。

根据以下式子计算中间参数y：

式中：m₁是交换机中10Mbps端口的数量，m₂交换机中100Mbps端口的数量，m1+m2＝N-s+1，m2先随着s加1而减1，当m2减到0后，m1开始随着s加1而减1，C₁是10Mbps，C₂是100Mbps，r₀＝E₀＝0。

步骤四：计算下一个结点的到达曲线。用表示进入节点n的VL_i数据流的到达曲线，用/>表示VL_i数据流离开节点n的到达曲线，也就是经过节点n后进入下一个节点的到达曲线，如图10所示。它们满足以下关系：

其中，是节点n的D_max，则可以得到：/>

其中，

步骤五：先计算VL Path在一台交换机内的最大延迟，VLi通过的交换机的最大延迟应根据以下公式计算：

其中，表示VLi经过交换机j的最大延迟，T₁表示交换机的输入模块中帧延迟的上限；T₂表示地址队列中帧抖动的上限；T₃表示在交换机节点出到达曲线与服务曲线之间的最大水平距离D_max。

一条VL Path在交换机网络内的端到端延迟上限应等于该VL Path通过的所有交换机的最大延迟之和，即：

SW_j∈PATH_i表示VLPATH_i经过的交换机集。

为了验证本文算法，首先提取A664网络中交换机的相关配置ICD，并对交换机配置信息进行解析，通过代码实现本技术方案，计算出数据传输在交换机网络产生的最大延迟，将本技术方案计算得到的最大延迟作为整个A664网络确定性分析的输入，并生成网络配置，加载到相关产品中，实验证明，网络演算算法计算得到的最大延迟均有效且更合理，本技术方案能够达到预期效果。

上面对本发明技术方案的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种ARINC664交换机网络内数据帧的端到端延迟上界分析方法，其特征在于，ARINC664交换机网络由多台交换机组成，所述方法包括：

S1，确定数据帧的第一个字节到达某一交换机的输入端口的时间到该数据帧的最后一个字节到达该交换机的输入端口的最大时间间隔，记为T1；

S2，确定该数据帧的最后一个字节到达该交换机的输入端口的时间到该数据帧的第一个字节到达该交换机公共缓冲区的时间间隔，记为T2；

S3，确定该数据帧在该交换机输出端口的最大延迟，记为T3；

虚拟链路定义了一个逻辑上单向的连接，从一个源终端到一个或多个目标终端，一条虚拟链路有多少个目标终端就有多少条VL Path，从源终端到一个目标终端视为一条VLPath；S3具体为：

S31，计算每条VLPath的到达曲线，对于每条VLPath，一跳表示从一个设备的出口到下一个设备的出口；

单个虚拟链路到达曲线表示为：α(t)＝σ+ρt

其中，σ是突发流量中可以到达的最大流量，ρ是流量增长的斜率上限；

S32，计算每个交换机的服务曲线，所述服务曲线包含：高优先级数据帧的服务曲线β_h(t)和低优先级数据帧的服务曲线β_l(t)；

β_h(t)＝R[t-T]⁺,

β_l(t)＝R[t-T]⁺,

其中，[t-T]⁺表示当t-T大于零时，[t-T]⁺等于t-T，当t-T小于或者等于零时，[t-T]⁺等于零，为从同一节点输出的所有低优先级虚拟链路的最大帧长的最大值，/>为通过该节点的所有高优先级虚拟链路的带宽之和，/>为通过该节点的所有高优先级虚拟链路的突发数据量之和，T_tech是交换机的技术延迟，C为交换机输出端口的带宽；

S33，确定经过同一输出端口的单个输入端口内所有虚拟链路的聚合到达曲线α_SL(t)；

其中，SL表示通过同一交换机节点的一个交换机输入端口的所有虚拟链路，i∈SL表示通过该输入端口的虚拟链路VL_i；

该聚合曲线的拐点e表示为：

其中，σ_i是第i条虚拟链路VL_i通过该输入端口的突发流量；ρ_i是第i条虚拟链路VL_i的带宽；c是该输入端口的速率；

S34，使用分组技术按升序对所有经过同一输出端口的N个输入端口的到达曲线的拐点进行排序，排序后的拐点标识为E_g(g＝1,2,...,N)，N为交换机端口数量；经分组升序排序后的输入端口聚合数据流在交换机节点处汇聚，得到在交换机节点的到达曲线；

通过计算交换机节点的到达曲线和服务曲线之间的最大水平距离可以得到数据流在交换机节点处排队竞争引起的最大水平延迟D_max，记为T₃；

S4，根据T1、T2、T3，计算该数据帧在该交换机的最大延迟；

数据帧在该交换机的最大延迟为表示第i条VL在第j台交换机内的最大延迟；

S5，根据所述ARINC664交换机网络包含的交换机数量，以及数据帧在每台交换机内的最大延迟，确定所述ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界；

一条VL Path在交换机网络内的端到端延迟上限等于该VL Path通过的所有交换机的最大延迟之和：

其中，SW_j∈PATH_i表示第i条VLPATH_i经过的交换机集；表示第i条VLPATH_i通过第j台交换机的最大延迟。

2.根据权利要求1所述的一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，其特征在于，S1具体为：

其中，VL_i表示第i条虚拟链路，node表示交换机的某一个输出端口，称为交换机节点，VL_i∈node表示从该交换机节点通过的虚拟链路集合，是第i条虚拟链路允许的最大帧长，C_i是第i条虚拟链路在其输入端口的带宽。

3.根据权利要求1所述的一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，其特征在于，S2中T2的值为交换机配置的最大抖动时间。

4.根据权利要求1所述的一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，其特征在于，S31，计算每条VLPath的到达曲线，具体为：

(a)每条VLPath的第一跳到达曲线：

其中，S_max表示虚拟链路允许的最大帧长，BAG为虚拟链路的固有参数最小帧间隔，max_jitter表示在虚拟链路上的最大抖动时间，在第一跳交换机时max_jitter为Jitter_ES，表示虚拟链路在源终端内已有的抖动；

从第二跳开始使用下面步骤得到的公式作为虚拟链路的到达曲线；

(b)计算VLPath下一跳的到达曲线：

表示进入交换机节点n的流量的到达曲线，/>是第n个节点之后经过的下一个节点的到达曲线；它们满足以下关系：

其中，是节点中聚合到达曲线的最大等待时间，/>

5.根据权利要求1所述的一种ARINC664交换机网络内数据帧的延迟上界分析方法，其特征在于，S34中，最大水平延迟D_max的计算过程为：

存在拐点E_x，在E_x的左边，交换机的到达曲线的斜率大于等于服务曲线斜率，在E_x的右边，交换机的到达曲线的斜率小于服务曲线斜率；

当t＝E_x时，得到交换机节点的到达曲线和服务曲线的最大水平距离D_max，作为数据帧在交换机输出端口的最大延迟：

其中，T和R是交换机的服务曲线的参数；根据以下式子计算中间参数y：

式中，m₁是交换机中10Mbps端口的数量，m₂是交换机中100Mbps端口的数量，m₁+m₂＝N-s+1，m₂先随着s加1而减1，当m₂减到0后，m₁开始随着s加1而减1，C₁是10Mbps，C₂是100Mbps，r₀＝E₀＝0。