一种双冗余TTE总线拓扑结构及调度方法与流程

本发明涉及航天器航电网络与混合关键通信调度的，特别是一种双冗余tte总线拓扑结构及调度方法。

背景技术：

1、亚轨道太空旅游飞船通常包括飞行控制域、动力域、测控域、能源域和座舱智能域，不同域产生的流量在安全等级、周期、突发性及截止期方面差异显著。标准以太网的竞争式接入难以保证关键控制数据的确定性时延；单平面、单核心或单链路结构又容易形成单点故障。现有双网冗余方案多着重于复制发送，而未同时说明网络平面内核心交换机故障后的可执行备用路径及其端口时隙。故障发生后若临时改变路由，备用交换机上的原有tt流的流量可能与接管流量竞争同一输出端口。另外，仅以固定比例预留rc流带宽，不能随最大帧长、带宽分配间隔和路由聚合情况变化，容易造成带宽不足或资源浪费。

技术实现思路

1、本发明提供一种双冗余tte总线拓扑结构及调度方法。本发明提供的网络方案可以把双平面、双核心、级联接入与故障状态感知进行离线调度统一设计。本发明通过平面级、核心交换机级和链路级的多层冗余消除单点故障，并在离线阶段同时计算正常状态和预设故障状态下的主用/备用端口时隙，使冗余核心交换机接管故障流量时不与其原有tt流的流量冲突。进一步地，依据rc流的流量契约计算链路预留带宽，使tt流、rc流和be流三者的混合流量在满足确定性与最坏时延约束的前提下共享网络资源。该双冗余总线拓扑结构可以应用于符合时间触发以太网tte通信机制，适用于亚轨道太空旅游飞船多域控制系统。

2、第一方面，提供了一种双冗余tte总线拓扑结构，所述双冗余tte总线拓扑结构包括彼此物理隔离的网络平面a和网络平面b；网络平面a和网络平面b这两个网络平面的端口、布线路径和供电通道相互独立，逻辑上均承载同一组数据流；网络平面a、网络平面b均包括相互冗余的两台核心交换机，该相互冗余的两台核心交换机分别为第一核心交换机和第二核心交换机；

3、所述双冗余tte总线拓扑结构还包括多个域控制器；每一域控制器具有分别属于网络平面a和网络平面b的独立网络接口组，并通过所述独立网络接口组分别与相应网络平面内的第一核心交换机和第二核心交换机连接，在每一网络平面内分别建立经第一核心交换机的主用路径和经第二核心交换机的备用路径，主用路径与备用路径互为冗余，以在两个网络平面之间形成平面级冗余并在每一网络平面内形成核心交换机级冗余；

4、双冗余tte总线拓扑结构还包括接收端设备；接收端设备依据流标识、发送端标识、帧序号和校验结果对从不同冗余路径接收的数据帧进行一致性校验，接收最先到达且校验正确的数据帧，并丢弃同帧序号的后到重复帧；

5、所述双冗余tte总线拓扑结构的节点包括接收端设备、域控制器和核心交换机，所述双冗余tte总线拓扑结构内各节点本地搭载端口调度表，其中网络平面搭载端系统端口调度表，每个网络平面内的核心交换机搭载交换机端口调度表；每一端口调度表包括正常状态下的主用调度项和与预设故障标识对应的备用调度项；

6、系统运行时，双冗余tte总线拓扑结构内各节点建立全局时间基准，并依据本地端口调度表的主用调度项，在指定时刻发送或转发tt流的帧；

7、在检测到链路或核心交换机故障后，根据端口调度表，激活与故障标识对应的备用调度项，使受影响tt流经冗余核心交换机的预留端口时隙转发；

8、主用调度项和备用调度项中的任一调度项包括tt流集合、rc流集合；

9、tt流集合的确定方法包括：根据各tt流的周期计算基本周期和超周期，并为各tt流生成位于两个网络平面且链路不相交的候选路径；针对正常状态和预设故障集合中的各故障状态，联合计算各tt流在各交换机端口上的主用发送时隙和备用发送时隙，使同一端口上的tt流的帧互不重叠并满足逐跳转发先后约束和端到端截止期约束；

10、rc流集合的确定方法包括：根据各rc流的最大帧长和带宽分配间隔计算各链路的rc流预留带宽；

11、扣除tt流等效占用带宽、rc流预留带宽和保护间隔后的剩余带宽部分作为be流可用带宽。

12、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述双冗余tte总线拓扑结构的节点还包括接入交换机和终端设备，接入交换机用于在终端设备和域控制器之间进行交互；域控制器与至少两台接入交换机或一台具有双上联端口的接入交换机连接，从而接入交换机的上联链路分别映射至网络平面a和网络平面b的独立通信通道。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述双冗余tte总线拓扑结构包括：飞行控制域控制器、动力域控制器和座舱智能域控制器，所述接入交换机上级联座舱智能域控制器，所述接入交换机下级联的终端设备包括以下至少一项：座椅显示终端、环境传感器和乘员服务终端。

14、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，网络平面a和网络平面b在物理传输介质、物理层收发器、核心交换机硬件平台、供电来源或线缆敷设区域中的至少一项采用不同的实现方式。

15、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，接收端设备为主控计算机的计算单元，主控计算机包括多个计算单元，各计算单元分别通过独立端口连接网络平面a和网络平面b，用于接收同一数据流在不同冗余路径上传输的数据帧。

16、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，设第条tt流的周期为，基本周期为各tt流周期的最小公倍数；当第条tt流为链路上的tt流时，第条tt流在链路上的一次占用时间按照计算，其中为tt流的最大帧长，为以太网帧协议开销，为链路的链路速率，为链路的覆盖时钟同步误差、交换抖动及收发切换时间的保护间隔；以同一链路同一故障状态下的时隙互斥约束、相邻转发链路的先后约束、冗余路径分离约束、时钟同步误差约束及端到端截止期约束构成约束模型，并采用混合整数规划、可满足性模理论或约束规划求解得到端口调度表。

17、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对于链路，rc流预留带宽按照计算，其中求和范围为路径经过链路的各rc流，为rc流的最大有效载荷长度，为帧协议开销，为rc流的带宽分配间隔，为不小于1的安全系数；并在rc流最坏端到端时延不大于其截止期且链路总利用率不超过预设上限的条件下，选取满足条件的最小。

18、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，针对在单故障假设下不会同时激活的多个备用调度项，允许多个备用调度项复用同一时间区间；对于同一故障状态下将从同一输出端口发出的主用帧和备用帧，则分配互不重叠的端口时隙，以使冗余核心交换机在接管故障流量时不与其原有tt流的流量发生冲突。

19、第二方面，提供了一种双冗余tte总线拓扑结构的调度方法，所述双冗余tte总线拓扑结构如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述，所述调度方法包括：

20、获取双冗余tte总线拓扑结构的网络拓扑及预设故障集合，并确定tt流集合、rc流集合、be流集合，以形成双冗余tte总线拓扑结构的端口调度表；其中，根据各tt流的周期计算基本周期和超周期，并为各tt流生成位于两个网络平面且链路不相交的候选路径；针对正常状态和所述预设故障集合中的各故障状态，联合计算各tt流在各交换机端口上的主用发送时隙和备用发送时隙，使同一端口上的tt流的帧互不重叠并满足逐跳转发先后约束和端到端截止期约束；根据各rc流的最大帧长和带宽分配间隔计算各链路的rc流预留带宽，并将扣除tt流占用带宽、rc流预留带宽和保护间隔后的剩余带宽分配给be流；

21、将计算得到的端口调度表写入双冗余tte总线拓扑结构的相应节点。

22、第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被处理器执行时，实现如上述第二方面中的任意一种实现方式中所述的调度方法。

23、与现有技术相比，本发明提供的方案至少包括以下有益技术效果：

24、1）两个物理隔离的网络平面与每一平面内的双核心交换机共同形成多层冗余，能够容忍预设的单链路或单核心交换机故障；通过可选的介质、硬件、供电和敷设差异降低共因故障风险。

25、2）将故障状态纳入离线时隙联合求解，备用核心交换机获得可执行的端口级备用调度项，避免故障发生后临时改路造成的同端口tt流冲突，切换时延可限定在预设基本周期或tt流实例边界内。

26、3）rc流带宽依据最大帧长、bag、路由聚合和最坏时延约束计算，能够在满足rc流截止期的同时减少固定比例预留造成的资源浪费；未激活的备用窗口可供be流的流量使用，提高正常状态下的链路利用率。

27、4）端系统和交换机只依据本地调度表及故障标识执行切换，故障后无需在线求解全网调度；接收端设备通过帧序号和校验结果消除重复帧，保证关键控制数据连续、确定地交付。