一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法与流程

1.本发明属于机载航空电子系统中的机载总线通信技术领域，具体涉及一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法。


背景技术：

2.现有主流的航空机载总线网络，由于采用基于事件触发通信机制，网络的端系统随时接入通信，有消息即可发送，不可避免的造成传输竞争，给端到端数据流传输带来不可控的延时和抖动，无法满足新型的航空电子系统对不同时间关键性和安全性相关的分布式通信应用的需求。时间触发以太网(tte)属于时间触发架构下的新一代航空机载总线，在引入了时钟同步机制的基础上建立了全局的网络同步时钟，通过确定性的时间触发通信机制保证无竞争的时间触发tt帧通信，极大提高了网络通信的时间确定性和实时性；同时支持事件触发通信帧的传输，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。但tte技术体制下通过时分复用多路接入tdma划分通信带宽时隙映射到每条消息流这种细颗粒度上，需要对系统相应类别的应用进行强耦合的绑定，使得系统承载的时间触发tt业务过于封闭，缺失了灵活性设计的空间，从而不利于在工作模式变化多样的机载环境下系统集成和迭代维护。面向未来智慧化机载系统中对网络架构设计与应用需求，在分层分级多业务集成的通信架构场景下，对智能化航电的数据收集、处理以及交换需要有一定的确定性和可靠性的同时，还需要一定的开放性和灵活性，面向不断迭代更新的系统需求和变化多端的工作模式存在通信资源重构和迁移规划，需要一种具备灵活动态接入的、面向差异化业务场景的在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法。


技术实现要素：

3.发明目的：提供一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法。
4.技术方案：
5.提供了一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法，所述方法基于以太网传输系统进行，所述以太网传输系统包括网络资源规划控制器、通信节点设备，通信链路以及通信网桥，其中，网络资源规划控制器与通信节点设备以及通信网桥之间通信连接，各个网桥之间以及网桥与通信节点设备之间通过通信链路连接，所述方法包括：
6.网络资源规划控制器收集全局通信信息，所述全局通信信息包括核心资源视图；
7.网络资源规划控制器基于核心资源视图，按业务源设备、中继网桥逐级规划确定性的乒乓队列通信配置；
8.网络资源规划控制器基于逐级规划确定性的乒乓队列通信配置进行系统级的优化迭代，最终得出确定性的乒乓队列通信统一规划；
9.网络资源规划控制器将确定性的乒乓队列通信统一规划拆分为逐级规划的每个源端通信节点设备、中继网桥设备和目的通信节点设备的配置文件，并将对应的配置文件通信分发到时间敏感确定性以太网传输系统的各设备；
10.源端通信节点设备、中继网桥设备按照配置文件定义的规则，为乒队列以及乓队列分别安排一个时间感知业务的调度队列的调度管理；
11.网络资源控制器根据第一梯队设备构建的同步的全局时基值来快速决策定义一个全局调度时间基准，并分发到终端节点设备和网桥设备，其中，所述第一梯队设备指第一批首先上电并组成同步集的设备；
12.网桥根据配置文件依据时间敏感确定性以太网传输系统的全局调度时间基准进行设备端的乒乓调度队列的时隙门控管理；
13.终端节点设备和网桥设备根据全局调度时间基准编辑门控列表；
14.源端节点设备、中继网桥依据时间感知业务的调度队列的调度管理采用基于门控列表的开关控制进行通信调度来执行乒乓队列操作。
15.进一步地，收集全局通信信息，具体包括：
16.以独立硬件方式部署并接入太网传输系统通信，在基于尽力传输be业务的自学习路由、支持即插即用的通信模式下收集全局通信信息；或者
17.以软件组件方式的部署并接入太网传输系统通信，借助通信节点设备或通信网桥接入网络收集全局通信信息。
18.进一步地，基于核心资源视图，按业务源设备、中继网桥逐级规划确定性的乒乓队列通信配置，具体包括：
19.对业务源端设备进行规划：采用层次化的第一通信资源集描述作为业务源端的通信节上收集到的全局信息，第一通信资源集的元素包括通信节点的应用业务吞吐量、业务关键性特征、业务周期和时延特性、差异化输入业务的各自带宽容量、差异化输出业务的各自带宽容量和通信节点总体的带宽容量、业务传输余度特性，通过第一通信资源集，将业务分配到对应的乒门控队列或者乓门控队列；
20.基于粗颗粒度，根据第一通信资源集，将源端设备的业务集划分为：时间敏感高确定的业务子集、带宽预留业务子集、尽力传输业务子集，并且将不同业务子集在源设备端口的带宽进行占比统计以初步划分乒乓门控周期和门控开关控制点，以及基于细颗粒度划分业务的优先级；
21.对网桥设备进行规划：采用层次化的第二通信资源集描述网桥收集到的全局信息，第二通信资源集的元素分别对应于本网桥业务传输路径、差异化输入业务的各自带宽容量、差异化输出业务的各自带宽容量和网桥各端口总体的带宽容量；
22.基于网桥设备收集的全局信息以及上一级设备规划状态进行联动分配。
23.进一步地，所述通信分发基于网络资源控制器收集来自各设备全局信息的通信通道和寻址方式实现。
24.进一步地，源端节点设备、中继网桥依据时间感知业务的调度队列的调度管理采用基于门控列表的开关控制进行通信调度来执行乒乓队列操作，具体为：
25.从全局调度时间基准开始，将整个同步时间轴划分为等长时隙，并从零开始进行时隙的连续编号，编号取值依次0、1、2、3、
…
i、i 1
…
、j、j 1、
…
；按照所述等长时隙进行调度。
26.进一步地，终端节点设备和网桥设备根据全局调度时间基准编辑门控列表；具体为：
27.按照时隙编号值的奇偶特性进行门控列表映射规则编辑，其中，所述源端设备和中继网桥的门控列表由相邻编号为奇偶值的两个时隙元素组成。
28.进一步地，源端设备调度周期以及网桥各端口调度周期为门控列表的两个时隙时间的和值。
29.进一步地，终端的门控列表映射规则包括：
30.第一方式：编号值的奇数时隙分配给终端的乒队列发送以及乓队列接收，编号值的偶数时隙分配给终端的乓队列发送以及乒队列接收；或者
31.第二方式：编号值的偶数时隙分配给终端的乓队列发送以及乒队列接收，编号值的偶数时隙分配给终端的乒队列发送以及乓队列接收。
32.进一步地，网桥的门控列表映射规则包括：
33.所述网桥的门控列表映射规则通过协同终端的门控列表映射规则进行定义，当终端的门控列表映射规则为第一方式时，编号值的奇数时隙分配给网桥的乒队列接收以及乓队列发送，编号值的偶数时隙分配给网桥的乓队列接收以及乒队列发送；
34.当终端的门控列表映射规则为第二方式时，编号值的奇数时隙分配给网桥的乓队列接收以及乒队列发送，编号值的偶数时隙分配给网桥的乒队列接收以及乓队列发送。
35.有益效果：
36.时间敏感确定性以太网传输的资源规划控制器为以太网传输系统中不可或缺的组成部分，嵌入到每个航电通信子系统中，为各通信子系统与网络系统交换机之间的连接提供全局资源分配和通信逻辑关系规划映射，实现了网络设备间在可靠地配置规划下，保障不同时间关键性的数据传输的资源需求和传输服务特性。
附图说明
37.图1为以太网传输系统的架构图。
具体实施方式
38.新一代主流的航电任务系统在系统架构和通信传输服务上提升了对灵活性和开放性的需求，航电系统集成功能域增多，涉及任务系统的作战样式多样，飞行过程中变化带来了系统应用和通信业务组织逻辑的变化，从而对网络架构的在线灵活规划和重构，应用重部署和迁移提出了较大的需求，传统的离线规划模式下生成的网络配置规划很难满足和适用于在线按需分配和在线规划切换的工作场景。本发明提供了一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法，适用于基于时间敏感确定性以太网的航电系统在线通信资源分配和通信业务逻辑规划实现，在约定的在线运行的规则下，提供对应业务的确定性和可靠性的同时，还提供较大的开放性和灵活性。
39.本技术涉及机载系统中多种业务接入到统一网络集成传输需求，面向不同接口接入业务特性提供不同服务质量(qos)能力集成服务，有效控制各接口业务接入的时效性，满足控制和缓冲能力，实现基于动态灵活性和高确定性通信架构下提供分布式同步协同、分时门控调度通信的、面向差异化业务场景的在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法。
40.本发明揭示了一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法，面向差异
化业务场景的时间敏感确定性以太网传输系统，定义了在线集中式的网络资源规划控制设计模式以及网络资源规划控制器提供确定性的乒乓通信传输全局规划。所述的乒乓通信传输全局规划是一种面向系统业务流提供动态可变的乒乓资源规划，在系统构建的高精度的网络时钟同步基础上，进行全局规划从而构建出用于业务调度的乒乓门控列表，实现确定性网络系统的确定性调度传输机制，能够实现乒乓队列中时间感知调度tas数据流在网络中无竞争的传输，通过在乒乓门控时隙中预留带宽实现承载带宽预留类型业务的传输，从而实现带宽预留类与tas类数据流在同一物理链路上集成。如图1，所述时间敏感确定性以太网传输系统由网络资源规划控制器、通信节点设备，通信链路以及通信网桥组成。其中，网络资源规划控制器与通信节点设备以及通信网桥之间通信连接，各个网桥之间以及网桥与通信节点设备之间通过通信链路连接。通信节点设备包括发起端和目的端，即附图1中左右两侧的端站。所述时间敏感确定性以太网传输系统基于资源规划控制器的统一规划调度模式下工作，所述乒乓控制的参数信息来源于资源规划控制器的规划分配。所述时间敏感确定性以太网传输系统中各设备乒乓通信传输运行状态按照资源规划控制器的全局规划进行自主工作运行。
41.步骤1、所述在线集中资源规划控制模式下，资源规划控制器在构建的时间敏感确定性以太网传输系统上部署运行，通过接入网络系统通信收集全局通信信息：
42.步骤1.1，资源规划控制器以独立硬件方式部署并接入系统通信，所述的在线运行的集中式网络资源规划控制器可采用物理实体设备形式定义在时间敏感确定性以太网传输系统中，通过物理实体设备接入到时间敏感确定性以太网传输系统，在基于尽力传输be业务的自学习路由、支持即插即用的通信模式下收集全局通信信息；和/或
43.步骤1.2，资源规划控制器以软件组件方式的部署并接入系统通信，所述的在线运行的集中式网络资源规划控制器可以作为一个软件组件运行在通信节点设备或者通信网桥上，借助通信节点设备或者通信网桥接入网络收集全局通信信息；
44.所述全局通信信息包括核心资源视图，主要包括拓扑，流特征和设备资源；所述的拓扑信息主要描述所有节点，包括通信网桥，终端和他们之间的连接关系，支持拓扑信息管理；管理拓扑信息，能够实现周期性的监测链路状态和探测新节点；流特征指用于乒乓队列调度传输的时间敏感流、带宽预约流和尽力转发流调度的关键信息，流特征包括源节点，目的节点，性能要求；设备资源包括时间敏感确定性以太网传输系统中设备包含的可配置资源和已分配资源。
45.步骤2、资源规划控制器基于收集信息的核心资源视图，按业务源设备(数据或业务的起端，图1中的左侧端站)、中继网桥逐级规划确定性的乒乓队列通信配置。
46.步骤2.1，全局性配置规划第一步，针对业务源端设备进行规划。采用层次化的通信资源集，来描述作为业务源端的通信节上收集到的全局信息，所述组成通信资源集的元素分别对应于本通信节点的应用业务吞吐量、业务关键性特征、业务周期和时延特性、差异化输入业务的各自带宽容量、差异化输出业务的各自带宽容量和通信节点总体的带宽容量、业务传输余度特性；通过抽象不同业务关键性特性和带宽，将业务分配到对应的乒门控队列或者乓门控队列，其中乒队列门控起始位置放置tas业务，并满足其带宽，同时门控列表开启持续时间满足约束到乒队列承载数据的带宽；其中乓队列门控起始位置放置tas业务，并满足其带宽，同时门控列表开启持续时间满足约束到乓队列承载数据的带宽；
47.步骤2.2，采用粗颗粒度分层的模式对业务源端设备的业务集划分，根据业务源端设备的通信资源集，将源端设备的业务集划分三种不同服务等级特性的业务子集，包括时间敏感高确定的业务子集、带宽预留业务子集、尽力传输业务子集，将不同子集在业务源设备端口的带宽进行占比统计，来初步划分乒乓门控周期和门控开关控制点；基于粗颗粒度划分子集基础上，进行第二层级的细粒度的业务的优先级划分；所述细颗粒只针对同类型的业务子集进行进一步细化，所述基于粗细颗粒度划分，基于业务对应的应用场景细分层级和各业务的权重来决策，所述决策每个门控内部各子集业务的调度权限。
48.步骤2.3，全局性配置规划第二步，针对网桥设备进行规划。
49.采用层次化的通信资源集，来描述网桥收集到的全局信息，所述组成网桥通信资源集的元素分别对应于本网桥业务传输路径、差异化输入业务的各自带宽容量、差异化输出业务的各自带宽容量和网桥各端口总体的带宽容量。
50.基于网桥设备的收集的全局信息以及上一级设备规划状态进行联动分配；所述网桥设备的收集的全局信息包括网桥业务传输路径、差异化输入业务的各自带宽容量、差异化输出业务的各自带宽容量和网桥各端口总体的带宽容量等能力；所述上一级设备包括业务源端设备以及上一级网桥设备；所述联动分配指：1)本设备接收乒队列门控列表对应前一级相邻连续乓队列门控列表，所述对应关系为门控id一致，且全局同步下的开关时间刻点设置一致；2)本设备接收乓队列门控列表对应前一级相邻连续的乒队列门控列表，所述对应关系为门控id一致，且全局同步下的开关时间刻点设置一致；通过上述乒乓门控配置实现与上一级设备之间的乒乓调度对接；
51.步骤3，基于源端设备和网桥设备逐级规划基础上，进行系统级的优化迭代，结合步骤2，最终得出确定性的乒乓队列通信统一规划，所述优化迭代原则优先规划tas业务带宽和传输路径的预留保障，传输路径的预留保障包括冗余的tas业务的冗余路径。基于满足tas业务传输总路径相对最优以及各端口的tas发送带宽相对平衡组合机制下，寻找节点间路径和带宽资源分配。利用tas业务流在节点间的传输路径长度以及业务流各端口的带宽消耗均衡性的元素组合为适应度函数的单调下降来指导链路的优化部署。
52.步骤4，资源规划控制器将系统生成的乒乓队列通信统一规划配置，拆分到逐级规划过程中的每个源端设备、中继网关设备和目的接收设备的配置文件，在资源规划控制器管理的数据库型文件系统中独立的保存，资源规划控制器将对应的配置文件通信分发到时间敏感确定性以太网传输系统各设备，所述通信分发是基于控制器收集来自各设备全局信息的通信通道和寻址方式来实现。
53.步骤5、基于所述网络资源规划控制器分发的配置文件基础上，源端设备、中继网桥按照配置文件定义的规则，为乒队列以及乓队列分别安排一个时间感知业务的调度队列的调度管理，所述建立的规则不排除在乒或者乓的单个队列中设计多个时间感知业务的调度队列进行共享模式的调度管理，该模式下用户可自定义形式预先划分多个时间感知业务的优先级，按照优先级方式实现调度队列的共享时隙调度，或者采用其他机制完成多个时间感知业务的调度队列的共享时隙调度。
54.步骤6、网桥根据配置文件完成设备端的乒乓调度队列的时隙门控管理；所述乒乓队列调度队列的时隙门控管理依据时间敏感确定性以太网传输系统的全局调度时间基准，所述全局调度时间基准基于第一梯队构建同步的设备当前同步的全局时基值(所述第一梯
队设备指第一批首先上电并组成同步集的设备)；网络资源控制器根据第一梯队设备构建的同步的全局时基值来快速决策定义一个全局调度时间基准，并分发到终端和网桥设备。
55.步骤7、源端设备、中继网桥的乒乓队列实际执行时，采用基于门控列表的开关控制进行通信调度，所述的调度从全局调度时间基准开始，将整个同步时间轴划分为等长时隙，并从零开始进行时隙的连续编号，编号取值依次0、1、2、3、
…
i、i 1
…
、j、j 1、
…
；
56.步骤7.1、根据步骤5和7，所述源端设备和中继网桥的门控列表由相邻编号为奇偶值的两个时隙元素组成，分别对应到乒乓队列的调度时隙，所述源端设备调度周期以及网桥各端口调度周期为门控列表的两个时隙时间的和值，乒乓队列两个门控时隙的切换边界预留保护带宽；所述乒乓门控的等长时隙的长度满足业务传输延时需求、乒乓队列的业务负载容量以及业务刷新周期；所述时隙按照编号值的奇偶特性进行门控列表映射规则编辑，并将编辑后的门控列表分配给系统中的终端和网桥设备。
57.所述终端的门控列表映射规则如下两种相对的选择方式：
58.第一种方式
59.编号值的奇数时隙分配给终端的乒队列发送以及乓队列接收，编号值的偶数时隙分配给终端的乓队列发送以及乒队列接收，即门控列表指向奇数编号的时隙，乒队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定规则进行数据分类调度发送；门控列表指向偶数编号的时隙，乓队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定调度规则进行数据分类调度发送；所述系统约定调度规则为优先级调度规则：时间感知型tas业务》流量控制型cbs业务》尽力传输型be业务，其中tas业务内部无优先级差异，cbs业务和be业务内部均存在优先级差异，所述优先级决定了乒乓队列内承载传输的业务的调度顺序：时间感知型tas业务先于流量控制型cbs业务先于尽力传输型be业务，cbs内部高优先级先于低优先级，be业务内部高优先级先于低优先级。
60.第二种方式
61.编号值的偶数时隙分配给终端的乓队列发送以及乒队列接收，编号值的偶数时隙分配给终端的乒队列发送以及乓队列接收，即门控列表指向偶数编号的时隙，乓队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定规则进行数据分类调度发送；门控列表指向偶数编号的时隙，乓队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定调度规则进行数据分类调度发送；所述系统约定调度规则如一种方法中所述。
62.所述网络资源规划控制器规划出的网桥门控列表映射规则如下两种相对的选择方式：
63.第一种方式
64.所述网桥的门控列表映射规则通过协同终端的门控列表映射规则进行定义。所述的协同定义如下：当终端的门控列表映射规则为第一种方式时，编号值的奇数时隙分配给网桥的乒队列接收以及乓队列发送，编号值的偶数时隙分配给网桥的乓队列接收以及乒队列发送，即网桥传输端口的门控列表指向奇数编号的时隙，乓队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定规则进行数据分类调度发送；门控列表指向偶数编号的时隙，乒队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定调度规则进行数据分类调度发送。
65.第二种方式
66.当终端的门控列表映射规则为第二种方式时，编号值的奇数时隙分配给网桥的乓
队列接收以及乒队列发送，编号值的偶数时隙分配给网桥的乒队列接收以及乓队列发送，即网桥传输端口的门控列表指向奇数编号的时隙，乒队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定规则进行数据分类调度发送；门控列表指向偶数编号的时隙，乓队列的门控打开，该队列存放的数据按照系统约定调度规则进行数据分类调度发送；所述系统约定调度规则如终端门控列表映射规则的一种方法中所述。
67.所述乒乓队列调度模式下，终端设备和网桥设备在基于系统统一的同步功能基础上构建的全局时基上，识别奇偶时隙以及时隙切分边界。所述的时隙识别，指系统所有通信设备的不同时段的计时时间，同时处于基于全局时基计时下的奇时隙或者同时处于偶时隙，所述识别时隙切分边界指各设备按照协同的节拍同时完成奇偶时隙的切换。
68.所述网络系统中可设计一对或者多对相应的乒乓队列，所述多对边界为4对，所述4对乒乓队列组成8个独立的调度队列，可映射到通用以太网的8级优先级队列；多对乒乓队列中任意一对的队列管理均按照上述单对模式进行调度，所述多对乒乓队列时隙的调度周期相同或者不同，多对乒乓队列时隙的调度周期构建乒乓队列全局的调度周期，所述构建方式是系统全局的调度周期为多对乒乓队列时隙的调度周期最小公倍数；单对乒乓队列时，两个参数大小一致。
69.与现有tte技术体制下通过tdma划分通信带宽时隙映射到每条消息流这种细颗粒度上，需要对系统相应类别的应用进行强耦合的绑定，使得系统承载的tt业务过于封闭，缺失了灵活性设计的空间，从而不利于在工作模式变化多样的机载环境下系统集成和迭代维护。本发明提供的一种在线集中资源规划控制模式下确定性乒乓传输方法，面向未来智慧化机载系统中对网络架构设计与应用需求，在分层分级多业务集成的通信架构场景下，对智能化航电的数据收集、处理以及交换需要有一定的确定性和可靠性的同时，还需要一定的开放性和灵活性，面向不断迭代更新的系统需求和变化多端的工作模式存在通信资源重构和迁移规划。
70.时间敏感确定性以太网传输的资源规划控制器为该网络架构中不可或缺的组成部分，嵌入到每个航电通信子系统中，为各通信子系统与网络系统交换机之间的连接提供全局资源分配和通信逻辑关系规划映射，实现了网络设备间在可靠地配置规划下，保障不同时间关键性的数据传输的资源需求和传输服务特性，有效地推进时间敏感确定性以太网络发展，在网络传输安全性上和数据服务的确定性提供了较好的保障，并且极大的丰富了在安全性要求高的机载任务系统、高铁控制系统以及工业现场控制等应用场合网络选型等环节的方法；同时本发明的应用独立于硬件平台，适用范围广，具有显著的市场前景和经济效益。
71.可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。