CN115695585B - 一种ttp/c总线承载以太网udp通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TTP/C总线承载以太网UDP通信的方法，是面向航空发动机分布式控制系统所设计的一种外部系统与总线系统中各节点间实现以太网透明通讯的通用方法。航空发动机分布式控制系统由多个节点组成，节点间通过TTP/C总线互联。其中，中心控制节点包含以太网接口，可与外部系统通过以太网交换数据。本方法发明了一种实现外部系统和非中心控制节点UDP通讯的方法。本方法中，中心控制节点可将UDP数据由TTP/C总线透明转发至目标节点，目标节点可由TTP/C总线透明回传数据至中心控制节点，最终中心控制节点通过以太网接口将数据发送至外部系统。该方法是一种实现TTP/C总线承载以太网UDP通信的标准方法，不受总线拓扑结构变化的影响。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机控制、数据总线技术及通信领域，具体是一种TTP/C总线承载以太网UDP通信的方法。
背景技术
分布式控制技术布线难度低、可靠性与可维护性强、开发周期短，非常契合当下航空发动机高性能、高可靠性的发展需求。权威机构综合对比了多种通信总线，最终一致认为TTP/C(Time-Triggered Protocol/Automotive Class C，时间触发协议C类标准)总线最适
合航空发动机分布式控制。TTP/C是一种用于互联电子模块的、分布式容错实时系统的通信协议，主要的面向对象是航空航天领域。经过多年发展，国外部分公司已经推出成熟的TTP/C总线系统，国内TTP/C研究近年才取得重大突破。
TTP/C协议规定的分层结构包括：应用层、协议服务层、数据链路层和物理层。TTP/C集群中每个节点包含主机、CNI(Communication Network Interface，通信网络接口)和TTP/C总线控制器，这些节点与两物理层构成一个集群。集群中所有节点按照MEDL(MessageDescription List，消息描述列表)命令在全局统一的时钟基准的驱动下发送消息，实现TDMA模式的数据发送策略。
UDP是一种以太网通讯协议，现实应用非常广泛，很多电子设备采用UDP与管理维护系统实现通讯；TTP/C是适用于航空航天领域的分布式数据总线协议，具有高可靠性、高性能的优点。在航空发动机运行和维护过程中，管理人员往往需要获取发动机系统中个节点的本地数据来进行分析。在以往的条件下，管理人员想要获得每个节点的本地存储数据必须分别使用管理维护系统与每个节点建立以太网连接或者其他通讯连接，依次获取数据，效率较低。
目前已有相关专利将以太网通讯与TTP/C通信进行结合，如专利[一种兼容以太网通信的TTP/C通信节点实现方法，申请公布号：CN113067799A]中，首先设计包括虚拟网络接口层，语义层和链路控制层的兼容层，然后分别设计TTP/C通信和以太网通信的协议栈，两
个协议栈通过虚拟网络接口与兼容层交互，兼容层将TTP/C帧与以太网帧进行混合后打包发送。该专利技术面向通用设备，以太网通信作为主体来承载TTP/C帧信息传输以实现TTP/C通信，并不符合TTP/C规范(AS6003协议)中规定的独立多通道物理层要求，这必然会对TTP/C系统本身的性能造成影响。
实用新型内容
本发明的目的，在于提供一种TTP/C总线承载以太网UDP通信的方法，通过该方法，外部系统与分布式集群中所有节点可实现UDP透明通讯，硬件实现简单，并且不受总线拓扑结构变化的影响。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种TTP/C总线承载以太网UDP通信的通用方法：
基于TTP/C总线的分布式系统由多个节点组成，TTP/C总线为时间触发协议C类标准总线，节点间通过TTP/C总线互联，其中，中心控制节点包含以太网接口，与外部系统通过以太网交换数据，中心控制节点将UDP数据由TTP/C总线透明转发至目标节点，从节点回传UDP报文经TTP/C总线透明传送至中心控制节点，最终中心控制节点通过以太网接口将数据发送至外部系统，TTP/C总线承载以太网UDP通信的功能实现不受总线拓扑结构变化的影响；其中，
所述TTP/C总线承载以太网UDP通信的通用方法包括一种集群节点IP地址的自动分配方法：
集群上电后，系统处于冻结状态，系统启动前，集群各节点本地存储默认IP地址信息，且中心控制节点本地存储所有节点的默认IP地址信息，外部系统通过以太网与中心控制节点建立连接，并发送集群启动指令和IP地址配置信息，外部系统选择重新配置集群各节点IP地址或使用集群各节点默认IP地址，中心控制节点接收到IP地址配置信息后，发送包含IP地址配置信息的启动帧来完成集群IP地址信息配置；其中，
中心控制节点发送启动帧来完成集群IP地址信息配置的具体实现方式为：
中心控制节点组装TTP/C启动帧时，将从节点IP地址信息放在启动帧应用数据段，从节点接收到启动帧后，TTP/C协议转为运行状态，同时对启动帧数据行解析，获取IP地址配置信息，从节点根据IP地址信息启动以太网协议栈设置自身IP地址，如果启动帧中不包含IP地址配置信息，从节点转为运行状态后，使用本地存储的默认IP地址启动以太网协议栈；
所述TTP/C总线承载以太网UDP通信的通用方法还包括设计TTP/C适配层，所述TTP/C适配层的具体功能如下：TTP/C适配层对来自外部系统的以太网数据包和来自TTP/C总线的数据帧进行处理，具有系统地址解析协议处理、ICMP协议处理、UDP协议处理、以太网数据动态调度以及TTP/C数据帧解析功能；其中，
所述系统地址解析协议处理的具体实现方式为：
外部系统发送ARP广播包，中心控制节点收到ARP包，TTP/C适配层对ARP包进行解析，判断其中目的IP地址是否为集群中某节点IP地址，如果ARP包目的IP地址为集群中某节点IP地址，则中心控制节点直接本地进行ARP回复；
如果ARP包目的IP地址不属于集群中任一节点，则中心控制节点直接将该包丢弃，不作处理；
所述ICMP协议处理的具体实现方式为：
步骤一：外部系统发送ICMP包；
步骤二：中心控制节点收到ICMP包，TTP/C适配层对ICMP包进行解析，判断其中目的IP地址是否为集群中某节点IP地址，如果ICMP包目的IP地址属于集群某一从节点，则TTP/C适配层将该ICMP包进行解析，并且送入TTP/C适配层以太网数据发送队列，中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度ICMP报文数据，TTP/C应用数据，组装ICMP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终将混合帧发送至TTP/C总线；如果ICMP包目的IP地址不属于集群任一节点，则中心控制节点直接将该包丢弃，不做处理；
步骤三：从节点从TTP/C总线收到混合帧数据，TTP/C适配层对混合帧数据进行解析，判断该包中是否含有ICMP报文数据，TTP/C适配层判断该ICMP包目的IP地址为自身IP地址，则构造ICMP响应报文，并且送入TTP/C适配层以太网数据发送队列，中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度ICMP报文数据和TTP/C应用数据，组装ICMP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终将混合帧发送至TTP/C总线；
步骤四：中心控制节点从TTP/C总线上接收到来自从节点的混合帧，TTP/C适配层对混合帧进行解析，将其中ICMP报文数据取出，然后构造出完整的ICMP包，发至外部系统；
所述UDP协议处理的具体实现方式为：
步骤一：外部系统发送UDP数据包；
步骤二：中心控制节点收到UDP数据包，TTP/C适配层对UDP数据包进行解析，判断其中目的IP地址是否为集群中某节点IP地址；如果UDP数据包目的IP地址属于集群某一从节点，则TTP/C适配层将该UDP包进行解析，将UDP净荷数据送入TTP/C适配层以太网数据发送队列；中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度UDP净荷数据和TTP/C应用数据，组装UDP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终发送混合帧至TTP/C总线；如果UDP包目的IP地址不属于集群任一节点，则中心控制节点直接将该包丢弃，不做处理；
步骤三：从节点从TTP/C总线收到混合帧数据；TTP/C适配层对混合帧数据进行解析，判断该包中是否含有UDP净荷数据，并且目的IP地址是否为自身IP地址；如果是，则将包中UDP净荷数据进行整理、还原，该UDP包净荷数据接收完全时，TTP/C适配层将完整UDP净荷数据送至应用层；
步骤四：从节点将待回复的数据送入TTP/C适配层，TTP/C适配层将UDP数据送入以太网数据发送队列；中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度UDP数据和TTP/C应用数据，组装UDP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终发送混合帧至TTP/C总线；
步骤五：中心控制节点从TTP/C总线上收到含有UDP数据的数据帧，TTP/C适配层对该帧进行解析，将其中UDP数据进行整理、还原，待UDP数据接收完整后，中心控制节点将该UDP数据发送给外部系统；
所述以太网数据动态调度的具体实现方式为：
在TTP/C协议本地触发发送时间时，TTP/C适配层根据当前TTP/C应用数据的长度来分配当前数据帧中以太网数据的长度和偏移地址，对待发送的以太网数据进行分包，将以太网数据单次或多次发送至TTP/C总线。
本与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出的方法是一种实现UDP透明传输的通用方法，总线拓扑结构的变化并不影响功能的实现。
(2)外部系统只需与中心控制节点建立物理连接即可实现与分布式系统中各节点的UDP通讯。同时，分布式系统中从节点不需要具有以太网硬件设备，减少了系统的硬件复杂度。
(3)本发明所实现的UDP通讯对于原生TTP/C通讯的影响只体现在组帧阶段，相当于将UDP数据包视作TTP/C数据帧的一部分，与原生TTP/C通讯的数据帧的组帧和发送基本无异，因此本发明所提出的方法不会影响到TTP/C协议的时间严格性与高可靠性。
(4)本方法使用的物理层通道为TTP/C的物理层通道，该方法下的TTP/C架构的多通道冗余能力不会受到影响。
(5)本发明中TTP/C适配层动态调整TTP/C数据包中TTP/C数据和UDP数据的长度，可以在保证TTP/C稳定传输的前提下实现较快的UDP数据传输。
附图说明
图1为本发明一种实施例中系统硬件结构示意图；
图2为本发明一种实施例中数据帧格式示意图；
图3为本发明一种实施例中集群节点启动阶段流程图；
图4为本发明一种实施例中中心控制节点接收外部系统以太网数据处理部分流程图；
图5为本发明一种实施例中中心控制节点ARP协议处理流程图；
图6为本发明一种实施例中中心控制节点接收外部系统ICMP包处理流程图；
图7为本发明一种实施例中TTP/C适配层信息发送流程图。
图8为本发明一种实施例中中心控制节点接收总线数据帧处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
步骤一：搭建如附图1所示的硬件系统，外部系统与交换机之间通过网络线缆连接，交换机与中心控制节点间通过网络线缆连接，中心控制节点与分布式系统集群中其他从节点通过TTP/C总线互联。外部系统IP设置为192.168.1.1，中心控制节点IP设置为192.168.1.100。
步骤二：分布式集群启动，外部系统与中心控制节点建立以太网通信，并设置集群IP信息。外部系统向中心控制节点发送启动指令和IP配置信息。
步骤三：中心控制节点接收到启动指令和IP配置信息，发送包含IP配置信息的启动帧。TTP/C集群数据帧定义如附图2所示。TTP/C原生数据头段中表明帧类型为启动帧(I帧)或者正常运行帧(N帧)。数据帧为I帧时，UDP数据标识段定义为100，表明该帧中包含集群IP配置信息，UDP包数据段含义为集群节点个数，启动帧配置数据段为每个节点的IP信息，一个节点的IP信息长度为2字节，存放IP地址中的后16位二进制数值，集群IP配置信息根据节点时间槽分配顺序依次填入应用数据段。例如从节点1的IP设置为192.168.1.101，则启动帧配置数据段中前两个字节为0000000101100101。
如果外部系统不重新配置集群节点IP，则中心控制节点收到启动指令后，发送含扫描机指令的启动帧，以扫描集群此前的各节点IP配置信息。I帧中UDP数据标识定义为101，表明该数据帧为带扫描机制的启动帧，其他UDP相关字段均配置为0。
步骤四：从节点收到I帧。
如果该I帧包含IP信息配置信息，则从节点根据自身在TTP/C集群中的时间槽顺序取出启动帧配置数据中对应偏移量的数据段，并将该IP设置为自身IP，然后启动以太网协议栈。
如果该I帧带扫描指令，从节点使用本地存储中上次运行的IP信息或者默认配置的IP信息作为此次工作的IP，并且从节点在发送启动帧时，将自身IP信息通过I帧发送至总线由中心控制节点接收。I帧中UDP数据标识段定义为102，启动帧配置数据段中前两个字节放入自身的IP信息。主/从节点启动流程如附图3所示。
步骤五：中心控制节点每次收到外部系统的以太网信息时，其TTP/C适配层会分析以太网数据进行判断以决定后续处理流程，部分流程如附图4所示。
中心控制节点ARP协议处理流程如附图5所示。外部系统发送ARP广播包，获取指定IP对应的物理地址，如目标IP为从节点A的IP：192.168.1.101。外部系统向中心控制节点发送ARP包，中心控制节点收到ARP包，TTP/C适配层对ARP包进行解析，判断其目的IP是否为集群中任一节点IP，如果不是，则直接丢弃；如果是集群中从节点A的IP与目的IP相同，则本地进行ARP响应，ARP包中源IP为从节点A的IP，源mac为中心控制节点mac。
步骤六：外部系统发送ICMP包，以判断某IP节点是否可达。中心控制节点接收外部系统ICMP包处理流程如附图6所示。中心控制节点收到ICMP包后，TTP/C适配层对ICMP包进行解析，判断当前集群中是否有对应IP节点，如果无，则将该包丢弃，不作响应；如果目标IP为自身IP，则直接回应外部系统；如果目标IP为集群从节点A的IP，则TTP/C适配层将该ICMP包去除以太网头部分和CRC校验段，将剩余ICMP报文存入以太网数据发送队列，等待中心控制节点TTP/C协议触发发送。
TTP/C适配层发送流程如附图7所示。中心控制节点TTP/C协议触发发送时，TTP/C适配层首先判断当前以太网数据发送队列中是否含有数据，若有数据则根据TTP/C数据需求动态调整该次待发送的以太网数据段长度和偏移量。如果本次分配的以太网数据段大小小于以太网包发送队列中的数据包大小，则对该包进行拆分成若干子包，第一个子包参与本次组帧过程并发送至总线，剩余的子包存入以太网发送队列等待下次发送。
混合帧格式定义如图2所示，UDP数据标识段代表该包是否含有以太网数据，0则代表无，1代表有UDP净荷包，2代表有ICMP包；UDP包起始位置段为UDP数据在应用数据中的起始位置偏移量，大小0-239，如果是255，则代表当前UDP数据包是其发送队列中最后一个子包；UDP包长度段代表该包中UDP应用数据段长度；UDP目的IP段为当前UDP包的目的IP，数值范围是0-255；UDP源IP段为当前UDP包的来源IP，数值范围是0-255；应用数据段总长240words，由TTP/C应用数据和UDP应用数据共同组成，TTP/C适配层根据当前TTP/C协议数据的大小动态调整当前待发送的UDP应用数据段大小。
中心控制节点在总线上收到来自从节点A的数据帧，TTP/C适配层接收流程如附图8所示。TTP/C适配层对数据帧进行解析，取出完整的ICMP报文段后，添加以太网头和CRC校验段，构造完整的ICMP包发给外部系统。
步骤七：外部系统向指定IP发送业务数据，即UDP数据包。中心控制节点收到UDP包后，TTP/C适配层判断该包目的IP是否为集群节点IP，如果是，TTP/C适配层则将该包进行拆分，将净荷取出并送入以太网数据发送队列，按照步骤六中发包流程进行以太网数据的处理和发送。
从节点接收到数据帧后处理流程与步骤六中数据帧接收流程相同。从节点发送业务数据至TTP/C总线，发送流程与步骤六中发送流程相同。
中心控制节点在总线上收到来自从节点A的数据帧，TTP/C适配层接收流程如附图8所示。TTP/C适配层对数据帧进行解析，取出完整的业务数据后，构造完整的UDP包发送给外部系统，其中源IP为从节点IP，源mac为中心控制节点mac，目的IP为外部系统IP，目的mac为外部系统mac。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种TTP/C总线承载以太网UDP通信的通用方法，其特征在于：
基于TTP/C总线的分布式系统由多个节点组成，TTP/C总线为时间触发协议C类标准总线，节点间通过TTP/C总线互联，其中，中心控制节点包含以太网接口，与外部系统通过以太网交换数据，中心控制节点将UDP数据由TTP/C总线透明转发至目标节点，从节点回传UDP报文经TTP/C总线透明传送至中心控制节点，最终中心控制节点通过以太网接口将数据发送至外部系统，TTP/C总线承载以太网UDP通信的功能实现不受总线拓扑结构变化的影响；其中，
所述TTP/C总线承载以太网UDP通信的通用方法包括一种集群节点IP地址的自动分配方法：
集群上电后，系统处于冻结状态，系统启动前，集群各节点本地存储默认IP地址信息，且中心控制节点本地存储所有节点的默认IP地址信息，外部系统通过以太网与中心控制节点建立连接，并发送集群启动指令和IP地址配置信息，外部系统选择重新配置集群各节点IP地址或使用集群各节点默认IP地址，中心控制节点接收到IP地址配置信息后，发送包含IP地址配置信息的启动帧来完成集群IP地址信息配置；其中，
中心控制节点发送启动帧来完成集群IP地址信息配置的具体实现方式为：
中心控制节点组装TTP/C启动帧时，将从节点IP地址信息放在启动帧应用数据段，从节点接收到启动帧后，TTP/C协议转为运行状态，同时对启动帧数据行解析，获取IP地址配置信息，从节点根据IP地址信息启动以太网协议栈设置自身IP地址，如果启动帧中不包含IP地址配置信息，从节点转为运行状态后，使用本地存储的默认IP地址启动以太网协议栈；
所述TTP/C总线承载以太网UDP通信的通用方法还包括设计TTP/C适配层，所述TTP/C适配层的具体功能如下：TTP/C适配层对来自外部系统的以太网数据包和来自TTP/C总线的数据帧进行处理，具有系统地址解析协议处理、ICMP协议处理、UDP协议处理、以太网数据动态调度以及TTP/C数据帧解析功能；其中，
所述系统地址解析协议处理的具体实现方式为：
外部系统发送ARP广播包，中心控制节点收到ARP包，TTP/C适配层对ARP包进行解析，判断其中目的IP地址是否为集群中某节点IP地址，如果ARP包目的IP地址为集群中某节点IP地址，则中心控制节点直接本地进行ARP回复；
如果ARP包目的IP地址不属于集群中任一节点，则中心控制节点直接将该包丢弃，不作处理；
所述ICMP协议处理的具体实现方式为：
步骤一：外部系统发送ICMP包；
步骤二：中心控制节点收到ICMP包，TTP/C适配层对ICMP包进行解析，判断其中目的IP地址是否为集群中某节点IP地址，如果ICMP包目的IP地址属于集群某一从节点，则TTP/C适配层将该ICMP包进行解析，并且送入TTP/C适配层以太网数据发送队列，中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度ICMP报文数据，TTP/C应用数据，组装ICMP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终发送混合帧至TTP/C总线；如果ICMP包目的IP地址不属于集群任一节点，则中心控制节点直接将该包丢弃，不做处理；
步骤三：从节点从TTP/C总线收到混合帧数据，TTP/C适配层对混合帧数据进行解析，判断该包中是否含有ICMP报文数据，TTP/C适配层判断该ICMP包目的IP地址为自身IP地址，则构造ICMP响应报文，并且送入TTP/C适配层以太网数据发送队列，中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度ICMP报文数据和TTP/C应用数据，组装ICMP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终将混合帧发送至TTP/C总线；
步骤四：中心控制节点从TTP/C总线上接收到来自从节点的混合帧，TTP/C适配层对混合帧进行解析，将其中ICMP报文数据取出，然后构造出完整的ICMP包，发至外部系统；
所述UDP协议处理的具体实现方式为：
步骤一：外部系统发送UDP数据包；
步骤二：中心控制节点收到UDP数据包，TTP/C适配层对UDP数据包进行解析，判断其中目的IP地址是否为集群中某节点IP地址；如果UDP数据包目的IP地址属于集群某一从节点，则TTP/C适配层将该UDP包进行解析，将UDP净荷数据送入TTP/C适配层以太网数据发送队列；中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度UDP净荷数据和TTP/C应用数据，组装UDP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终发送混合帧至TTP/C总线；如果UDP包目的IP地址不属于集群任一节点，则中心控制节点直接将该包丢弃，不做处理；
步骤三：从节点从TTP/C总线收到混合帧数据；TTP/C适配层对混合帧数据进行解析，判断该包中是否含有UDP净荷数据，并且目的IP地址是否为自身IP地址；如果是，则将包中UDP净荷数据进行整理、还原，该UDP包净荷数据接收完全时，TTP/C适配层将完整UDP净荷数据送至应用层；
步骤四：从节点将待回复的数据送入TTP/C适配层，TTP/C适配层将UDP数据送入以太网数据发送队列；中心控制节点本地触发发送时，TTP/C适配层动态调度UDP数据和TTP/C应用数据，组装UDP报文数据和TTP/C应用数据为混合帧，最终发送混合帧至TTP/C总线；
步骤五：中心控制节点从TTP/C总线上收到含有UDP数据的数据帧，TTP/C适配层对该帧进行解析，将其中UDP数据进行整理、还原，待UDP数据接收完整后，中心控制节点将该UDP数据发送给外部系统；
所述以太网数据动态调度的具体实现方式为：
在TTP/C协议本地触发发送时间时，TTP/C适配层根据当前TTP/C应用数据的长度来分配当前数据帧中以太网数据的长度和偏移地址，对待发送的以太网数据进行分包，将以太网数据单次或多次发送至TTP/C总线。
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