CN116016020A - 一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于航空总线系统技术领域，提供了一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，所述系统包括：TSN节点卡模块，用于根据时间敏感网络对时间敏感调度数据流、速率受限数据流和尽量传输数据流进行处理；配置管理模块、调度管理模块和TSN交换机，所述TSN交换机用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发，同时获取网络配置消息报文以对交换机进行动态配置，本发明实施例相对于现有的航空总线技术，能够有效的提高通信质量，提升交换系统的时间确定性，降低时间抖动、提高通信系统的可靠性，同时降低交换系统的转发延时的能力，具有在航空环境下实现大带宽、低抖动、低延时的高速通信的优良效果。
Description
技术领域
本发明属于航空总线系统技术领域，尤其涉及一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统。
背景技术
航空电子系统中诸如任务和飞行安全等关键性系统对网络传输需具有时间确定性的保证，一味地提高系统带宽并不能解决所有问题。光纤通道虽然具有低延迟的特性，但是在实时性方面，光纤通道网络的调度算法仍然存在很多不确定性，例如FC交换机在多端口接入、高带宽的需求下，作为网络核心数据转发与处理设备，交换机内部会出现大量的不同输入端口对同一输出端口的竞争冲突的情况，数据帧经过交换和调度排队后，其确定性延迟就无法得到有效保证。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，旨在解决背景技术中确定的现有技术存在的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，所述系统包括：
TSN节点卡模块，用于根据时间敏感网络对时间敏感调度数据流、速率受限数据流和尽量传输数据流进行处理；
配置管理模块，用于对交换机端口参数配置、状态和统计信息进行查询，和对PTP时钟同步相关参数的配置以及同步结果进行查询；
调度管理模块，用于对时间敏感调度数据流、循环队列转发数据流和尽量传输数据流进行规划调度并输出门控列表文件；
TSN交换机，用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发，同时获取网络配置消息报文以对交换机进行动态配置。
作为优选的技术方案，所述TSN交换机包括：
数据处理单元，用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发；
动态配置单元，用于获取网络配置消息报文对交换机进行动态配置。
作为更优选的技术方案，所述调度管理模块包括：
数据读取单元，用于从规划文件中读取CDT/CQF消息属性及链路信息；
门控求解单元，用于对对应消息属性的流量进行门控求解；
带宽占用计算单元，用于根据门控求解结果计算带宽占用率；
判定单元，用于判定带宽占用率是否低于设定的阈值；
结果输出单元，用于当带宽占用率低于设定的阈值时，绘制节点、交换机门控列表，将门控列表写入输出文件中并向外输出。
作为更优选的技术方案，所述TSN交换机还包括：交换调度转发单元，用于将数据输入到对应通道的MAC模块，使得MAC模块根据其单播、组播和广播的属性及查找端口对应表，生成不同的交换信息，使TSN交换机根据调度管理模块的输出结果对交换信息进行数据调度，完成由输入缓存到发送缓存的数据搬移。
作为更优选的技术方案，所述TSN交换机还包括：混合速率转发单元，用于对TSN节点卡模块接收到的低于设定速率阈值的数据转化为与速率阈值相同的数据格式，然后采用统一的时钟和位宽进行转发处理。
作为更优选的技术方案，所述TSN节点卡模块的数量为多个，且包含1G接口、2.5G接口、5G接口和10G接口中的一个或多个。
作为更优选的技术方案，每个TSN节点卡模块均包含一个接口，接口为1G接口、2.5G接口、5G接口和10G接口中的一个或多个。
本发明实施例相对于现有的航空总线技术，能够有效的提高通信质量，提升交换系统的时间确定性，降低时间抖动、提高通信系统的可靠性，同时降低交换系统的转发延时的能力，具有在航空环境下实现大带宽、低抖动、低延时的高速通信的优良效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的TSN节点卡模块的处理流程图；
图3为本发明实施例提供的TSN交换机的架构图；
图4为本发明实施例提供的配置管理模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的TSN交换机的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的调度管理模块；
图7为本发明实施例提供的调度管理模块工作时的流程图；
图8为本发明又一实施例提供的TSN交换机的结构示意图；
图9为本发明再一实施例提供的TSN交换机的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的TSN节点卡模块内置驱动软件的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的TSN交换机内置驱动软件的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的混合速率转化时的流程图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。
如图1所示，在一个实施例中，提出了一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，具体可以包括：
TSN节点卡模块100，用于根据时间敏感网络对时间敏感调度数据流、速率受限数据流和尽量传输数据流进行处理。
本发明实施例中，TSN节点卡模块100的处理流程图如图2所示，TSN节点卡模块100在实际应用时支持如下配置：
(1)满足时间敏感网络相关协议要求；
(2)支持节点时间同步功能主从模块的配置和切换；
(3)支持时间敏感调度数据流、速率受限数据流、尽量传输数据流三种业务数据类型；
(4)支持流控功能；
(5)支持冗余功能；
(6)消息发送和接收均支持中断模式；
(7)支持在线固化、升级可编程逻辑的能力。
作为优选的，本发明实施例中，TSN节点卡模块100的数量为多个，每个TSN节点卡模块100均包含一个接口，接口可以为1G接口、2.5G接口、5G接口和10G接口中的一个或多个。在本发明实施例的一种情况中，TSN节点卡模块100的数量为34个，即34口交换机，其中26个1G接口，8个10G接口(同理可配置2.5G和5G接口)，具体使用2.5G、5G还是10G速率接口，由上位机软件进行配置，可以由配置管理模块200通过PCIe总线给FPGA指定参数，FPGA识别后自动选择相应速率进行转发。
此外，在本发明实施例中，TSN节点卡模块100在实际应用时，其还内置有对应的节点卡驱动软件，其结构如图10所示，其主要具备如下功能：
(1)具备PCIe设备通信、中断处理功能；
(2)具备DMA数据收发功能；
(3)具备时间敏感业务报文、尽力而为BE报文处理功能；
(4)具备向交换机登录和响应的功能；
(5)具备FPGA寄存器配置查询功能；
(6)具备节点卡基本的业务调试接口；
(7)支持FPGA在线升级功能。
配置管理模块200，用于对交换机端口参数配置、状态和统计信息进行查询，和对PTP时钟同步相关参数的配置以及同步结果进行查询。
如图4所示，本发明实施例中，配置管理模块200在实际应用时具备以下功能：
(1)支持登录交换机的功能；
(2)支持交换机端口参数配置和状态及统计信息查询；
(3)支持监控配置功能；
(4)支持PTP时钟同步相关参数的配置和同步结果查询；
(5)支持单播路由和组播路由的配置。
调度管理模块300，用于对时间敏感调度数据流、循环队列转发数据流和尽量传输数据流进行规划调度并输出门控列表文件。
本发明实施例中，调度管理模块300以时分复用的方式，结合门控调度协议规范，对一维的时间轴进行周期化和区间化处理，根据网络拓扑的特点，对各节点及交换机各端口分别进行调度求解，生成各种业务流融合的门控调度列表。具体的，调度管理模块300支持如下功能：
(1)具备时间敏感(CDT)数据流规划调度功能；
(2)具备循环队列转发(CQF)数据流规划调度功能；
(3)具备AVB/BE数据流调度功能；
(4)最多支持4000条CDT/CQF数据流调度；
(5)最多支持34个节点进行规划调度；
(6)具备调度后的门控列表文件输出功能。
TSN交换机400，用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发，同时获取网络配置消息报文以对交换机进行动态配置。
本发明实施例中，所述TSN交换机400的架构如图3所示，其主要完成如下功能：
(1)支持时间敏感调度数据流(CDT)、速率受限数据流(CBS)、尽量传输数据流(BE)三种业务数据类型；
(2)控制主机CPU能够获取网络配置消息报文，能够对交换机进行动态配置；
(3)支持8级传输优先级；
(4)支持网络数据监控功能，提供基于输入端口、输出端口监控；
(5)支持在线固化、升级可编程逻辑的能力；
(6)通过交换机控制主机的以太网口进行固化；同时支持通过网络交换机的配置报文进行固化。
此外，在本发明实施例中，TSN交换机400在实际应用时，其还内置有对应的交换机驱动软件，其结构如图11所示，其主要具备如下功能：
(1)具备PCIe设备通信、中断处理功能；
(2)具备DMA数据收发功能(处理登录请求，处理时钟同步过程中的年月日设置)；
(3)支持客户端管理功能；
(4)具备设备管理功能(FPGA在线升级、时钟同步、监控管理)；
(5)具备FPGA寄存器配置查询功能。
本发明实施例在实际应用时，TSN节点卡模块100输入输出的数据是通过千兆/万兆光纤通信来完成，TSN交换机400接收到节点卡发送过来的数据，会解析数据包头中的优先级、节点卡的目的MAC地址等条件，判断转发交换机哪个端口的哪个缓存中(本系统逻辑中设计每个端口有8个缓存数据的FIFO，依次对应8个优先级的数据)，最终转发到目的节点，TSN节点卡模块100和TSN交换机400均加入了时间同步机制，将周期型数据和非周期行数据传输机制相结合。
具体的来说，如图5所示，所述TSN交换机400包括数据处理单元401和动态配置单元402，其中：
数据处理单元401，用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发；
动态配置单元402，用于获取网络配置消息报文对交换机进行动态配置。
在一个实施例中，如图6所示，所述调度管理模块300包括数据读取单元301、门控求解单元302、带宽占用计算单元303、判定单元304和结果输出单元305。其中：
所述数据读取单元301，用于从规划文件中读取CDT/CQF消息属性及链路信息；
所述门控求解单元302，用于对对应消息属性的流量进行门控求解；
所述带宽占用计算单元303，用于根据门控求解结果计算带宽占用率；
所述判定单元304，用于判定带宽占用率是否低于设定的阈值；
所述结果输出单元305，用于当带宽占用率低于设定的阈值时，绘制节点、交换机门控列表，将门控列表写入输出文件中并向外输出。
如图7所示，本发明实施例在实际应用时，首先从规划文件中读取CDT/CQF消息属性及链路信息，规划文件是由用户进行网络规划时采用的软件生成的，然后进行相关的变量设置，再进行门控求解，门控求解按类别进行，即CDT流量、CQF流量、AVB流量和BE流量。接着根据门控求解结果计算带宽占用率，判定带宽占用率是否低于设定的阈值，当带宽占用率低于设定的阈值时，绘制节点、交换机门控列表，然后释放各项资源，将门控调度表数据写入输出文件中，然后输出门控队列文件，当带宽占用率高于设定的阈值时，即已经超过总带宽或总带宽不足，此时报错并结束任务。
在一个实施例中，如图8所示，所述TSN交换机400还包括：交换调度转发单元403，用于将数据输入到对应通道的MAC模块，使得MAC模块根据其单播、组播和广播的属性及查找端口对应表，生成不同的交换信息，使TSN交换机根据调度管理模块300的输出结果对交换信息进行数据调度，完成由输入缓存到发送缓存的数据搬移。
本发明实施例中，交换调度转发单元403在实际应用时，当端口激活后，数据通过GTX接口输入到对应通道的MAC模块，MAC根据其单播、组播、广播的属性及查找端口对应表，生成不同的交换信息，调度管理模块300根据对应的交换信息，将调度结果输入给switch模块进行数据调度，完成由输入缓存到发送缓存的数据搬移，从而完成一次交换调度转发。
在一个实施例中，如图9所示，所述TSN交换机400还包括：混合速率转发单元404，用于对TSN节点卡模块接收到的低于设定速率阈值的数据转化为与速率阈值相同的数据格式，然后采用统一的时钟和位宽进行转发处理。
本发明实施例的一种情况中，以34口交换机中，26个1G接口，8个10G接口为例，由于最高速率为10G，为统一整个交换架构，将TSN节点卡模块接收到的低于10G速率的全部数据转换为10G速率进行处理，由此整个交换机系统均采用统一的时钟(156.25MHz)和位宽(64bit)进行转发处理，如图12所示，1G速率数据经过MAC_RX模块后转换成标准的10G数据格式，然后写入一个读时钟为156.25MHz的FIFO，交换机接到1G速率的数据后，就转换成10G数据格式(满足xgmii_txd和xgmii_txc的标准10G数据格式)，读FIFO的使能可以设置为写完FIFO数据后立即启动读即可；对于交换机转发出去的数据，则是一个逆向过程，需精确控制读写使能，确保数据不丢失，最终转换成符合标准1G速率的数据格式，最后送往26路1G的SGMII的发送接口，从而转发到下一个网络节点上。
在本发明实施例的一种情况中，一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，主要包括34个TSN节点卡模块、1个TSN交换机和配套软件构成。数据发送端是由TSN节点卡模块、TSN节点卡驱动软件、TSN节点卡配置管理软件三大部分构成；数据交换端是由TSN交换机、配置管理模块两大部分构成；数据接收端是由TSN节点卡模块、TSN节点卡驱动软件、TSN节点卡配置管理软件三大部分构成。
本发明所述系统在航空总线混合速率的TSN系统中进行实测，采用XILINX FPGA芯片(TSN节点卡模块使用XC7K325T；TSN交换机使用XC7VX690T)和Freescale CPU芯片P1011构成该系统的核心硬件。节点卡与PC之间的数据通信采用PCIe接口方式实现；节点卡和交换机内部通信处理都是采用FPGA可编程器件实现。
本实施例设定基于时间敏感网络(TSN)技术的机载航空总线系统主要参数如下：
节点卡支持速率： 1Gbps、2.5Gbps、5Gbps、10Gbps
交换机支持速率： 1Gbps、2.5Gbps、5Gbps、10Gbps
交换机支持端口数： 34个(其中26个1Gbps接口，8个可变速率接口，可支持2.5Gbps、5Gbps、10Gbps)；
时间敏感数据流传输抖动： 小于100ns
转发时延： 小于0.6us
单跳时钟同步精度： 小于40ns
数据监控端口 2路(全部以10G速率监控)
支持不同速率的交换机端口数，可实现远程软件加载配置以快速切换支持不同速率的端口数量。
TSN节点卡模块发送部分：在发送数据前，需要初始化TSN节点卡模块，配置好节点卡参数，如是主节点还是从节点、发包数据类型、发包帧长度、发包帧数、源目的MAC地址等，参数配置完毕后，检查TSN节点卡模块和TSN交换机是否同步上(此处同步就是指时间敏感网络TSN的核心部分，该部分已经在FPGA里实现)，同步上就可以发送数据。
TSN节点卡模块收发数据，从dma_pcie_ep模块的H2C和C2H两个通道经过一系列处理达到SGMII/XGMII_top(对应千兆和万兆s)模块，其中H2C传递从节点卡发出的数据业务，C2H传递从外部接收的数据业务，在数据的传递过程中各个模块会根据具体业务报文的内容进行数据整形、缓存、仲裁等各种操作。
TSN交换机转发部分：在节点卡发送数据前，交换机同样需要初始化操作，才可进行数据转发。配置数据流：PPC通过PCIe DMA H2C0下行数据配置全局配置模块、配置各个端口的MAC寄存器，配置转发查找表，完成以太网数据发送功能。通过PCIe DMAH2C0完成以太网数据接收功能。通过H2C1完成BPI FLASH的文件下发。
其余的交换调度转发和混合速率转发在前述已经介绍，在此不进行多余叙述。
TSN节点卡模块接收部分：在接收数据前，同样需要初始化节点卡，等待接收数据即可，若从不同端口、不同速率进行测试，通过TSN交换机在预定端口转发后，接收节点卡能正确收到数据包，即可认为整个系统功能正常。
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，所述系统包括：
TSN节点卡模块，用于根据时间敏感网络对时间敏感调度数据流、速率受限数据流和尽量传输数据流进行处理；
配置管理模块，用于对交换机端口参数配置、状态和统计信息进行查询，和对PTP时钟同步相关参数的配置以及同步结果进行查询；
调度管理模块，用于对时间敏感调度数据流、循环队列转发数据流和尽量传输数据流进行规划调度并输出门控列表文件；
TSN交换机，用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发，同时获取网络配置消息报文以对交换机进行动态配置。
2.根据权利要求1所述的支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，所述TSN交换机包括：
数据处理单元，用于根据按门控列表文件对数据流进行处理转发；
动态配置单元，用于获取网络配置消息报文对交换机进行动态配置。
3.根据权利要求1所述的支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，所述调度管理模块包括：
数据读取单元，用于从规划文件中读取CDT/CQF消息属性及链路信息；
门控求解单元，用于对对应消息属性的流量进行门控求解；
带宽占用计算单元，用于根据门控求解结果计算带宽占用率；
判定单元，用于判定带宽占用率是否低于设定的阈值；
结果输出单元，用于当带宽占用率低于设定的阈值时，绘制节点、交换机门控列表，将门控列表写入输出文件中并向外输出。
4.根据权利要求2所述的支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，所述TSN交换机还包括：交换调度转发单元，用于将数据输入到对应通道的MAC模块，使得MAC模块根据其单播、组播和广播的属性及查找端口对应表，生成不同的交换信息，使TSN交换机根据调度管理模块的输出结果对交换信息进行数据调度，完成由输入缓存到发送缓存的数据搬移。
5.根据权利要求4所述的支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，所述TSN交换机还包括：混合速率转发单元，用于对TSN节点卡模块接收到的低于设定速率阈值的数据转化为与速率阈值相同的数据格式，然后采用统一的时钟和位宽进行转发处理。
6.根据权利要求1所述的支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，所述TSN节点卡模块的数量为多个。
7.根据权利要求6所述的支持速率可配置的时间敏感网络交换系统，其特征在于，每个TSN节点卡模块均包含一个接口，接口为1G接口、2.5G接口、5G接口和10G接口中的一个或多个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20230425 |