面向差异化业务场景的确定性通信的冗余传输管理方法与流程

1.本发明涉及航空电子系统中的机载总线通信技术领域，具体涉及一种面向差异化业务场景的确定性通信的冗余传输管理方法。


背景技术：

2.随着航空电子领域的传感器技术高速发展，机载飞机系统集成的传感器的种类和数量越来越多，系统用户对不同传感器数据的传输需求特性不用，就要求航空电子通信能够面向不同安全关键性和实时性的分布式通信。传统的航空机载通信网络如光纤以太网、afdx以及fc采用基于事件触发通信机制的网络，由于其随机接入传输的方式导致传输竞争，不可避免的给系统带来不可控的延时和抖动，无法满足不同时间安全关键性需求的应用。基于时钟同步基础的时间确定性传输通信机制为提高机载总线的确定性和实时性提供了契机，交换式的时间确定性网络属于时间触发架构下的航空机载总线，通过分布式时间同步算法为网络建立全局同步时钟，在全局同步时钟基础上，通过tdma划分通信带宽，实现数据帧基于全局时钟分配的接收时隙的流量管理和基于发送时隙的时间触发转发传调度，tdma分配的时隙根据通信流的id与数据帧绑定，保证无竞争的时间触发通信，满足不同时间关键性等级的应用任务集成。
3.传统机载网络中，如afdx在余度处理上采用双交换平面互为备份，终端双端口冗余传输相同数据的体制，提供架构模式固定，余度能力单一化；如fc网络借鉴了afdx体制，其本身的标准体系中并为定义余度，余度自定义模式，可靠性保障能力有限；如1553采用双余度切换模式。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种面向差异化业务场景的确定性通信的冗余传输管理方法，用以解决现有技术中存在的余度能力化单一、可靠性保障能力有限的问题。
5.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
6.一种面向差异化业务场景的确定性通信的冗余传输管理方法，包括：
7.根据面向差异化业务确定性传输网络系统部署的通信业务，收集业务在网络系统中的路径，构建全局业务的传输路径视图，并确定冗余业务流的有效路径；
8.根据全局视图下冗余业务流的有效路径，在冗余发起端进行冗余业务流数据的冗余复制；复制时，冗余业务流数据的冗余数据帧在组帧过程中插入用于识别不同业务的冗余标签，该标签包括识别业务类型和管理同一数据帧的冗余管理序列号；
9.所述冗余复制发起在网桥设备或发送端设备，冗余复制的发起端通过单路端口仅进行冗余数据帧传输；
10.冗余数据帧途经预留的多冗余路径，到达冗余数据帧消除设备端汇聚进行冗余消除。
11.进一步地，所述根据面向差异化业务确定性传输网络系统部署的通信业务，收集
业务在网络系统中的路径，构建全局业务的传输路径视图，并确定冗余业务流的有效路径，包括：
12.检索全局业务的传输路径，根据数据源端到目的端的互联架构决定业务流的余度分配方法；
13.源端设备感知自身仅存单路通信端口，不存在双端口或者冗余多路径时，进一步搜索出冗余数据帧的下一级设备的有效路径；
14.根据业务在各级设备形成的传输路径形成全局业务的传输路径视图，搜索该全局视图上冗余业务流的有效路径，实现冗余业务流的多路径预留。
15.进一步地，所述的余度分配方法通过感知业务传输路径上的各设备自身端口的物理连接状态和连接冗余路径条数决定：
16.在源端设备实现冗余数据帧复制和传输；所述的源端设备包括面向差异化业务确定性传输网络系统中的发送端或者网桥设备；所述发送端感知自身存在独立的冗余端口设计，并检索到本设备预留的冗余多路径，即连接冗余路径条数，进行冗余数据帧复制，将冗余数据帧分发到冗余多路径下独立的端口传输；其中，为冗余数据传输预留的冗余多路径，其途径的传输跳数存在一致或者不一致的规划情况，允许其跳数上存在差异。
17.进一步地，所述冗余多路径为在路径不交叉基础上，采用最小化差异跳数的约束方式来实现；最小化差异跳数的约束方式指分配冗余路径的途径跳数之间差异最小，即检索不出跳数相等条件下的冗余路径或者相等条件下路径的资源分配无解，则按照差异为1的条件进行检索，以此类推，直到检索冗余路径差异条件值到达对应差异值的边界；针对冗余路径进行编号，按照路径跳数由小到大进行先后顺序编号，相同跳数按照路径检索生成顺序来进行先后顺序标号。
18.进一步地，所述感知自身仅存单路通信端口，可按用户配置需求进行冗余数据帧复制，并将冗余数据帧以及副本，通过单路端口背靠背传输到下一级网桥设备，冗余数据帧背靠背进入到下一级网桥设备，进行冗余路径查询，检索到该冗余数据帧在本网桥设备中存在冗余路径，则将背靠背进入的冗余数据帧按先后顺序与冗余路径标号小到大进行映射转发。
19.进一步地，针对不同冗余业务流独立管理一个循环滚动的序列号计数器，该计数器为对应类别的连续发送的冗余业务流打上连续冗余管理序列号：计数器值初始化为0，并对应为冗余业务流初始化发送的第一帧的序列号，冗余业务流每发送一帧计数器自增1，标识序列号的计数器位值全为1或者序列号自增到约定的最大值，下一拍自增归0。
20.进一步地，针对可能存在的前一级网桥设备，将所述冗余数据帧进行单播方式传输，网桥设备检索到本设备存在预留的多冗余路径，进行冗余数据帧复制，分发到预留的多冗余路径的映射输出端口传输。
21.进一步地，所述冗余复制发起在发送端设备时，按照两种不同方式进行冗余数据帧的发送传输：
22.第一种方式是发送端设备感知到设备自身，存在面向对应冗余数据帧接入的独立的通信端口，发送端设备完成所需余度数量的冗余数据帧的复制，并根据信息元组进行复制帧标识，同时同步地将冗余数据帧发送到对应的余度端口，按照预留的冗余路径进行冗余数据帧传输；
23.第二种方式是发送端设备感知到设备自身只存在一路通信端口，则设备完成所需余度数量的冗余数据帧的复制，并根据信息元组进行复制帧标识，背靠背的将冗余数据帧发送下一级网桥设备进行余度处理。
24.进一步地，所述冗余复制发起在网桥设备时：
25.所述冗余数据帧进入本网桥设备之前，系统中不对该冗余数据帧进行副本的复制；进入到本网桥设备后，网桥设备完成所需余度数量的冗余数据帧副本的复制，并根据信息元组进行复制帧标识；检索到系统给本网桥设备预留的冗余路径后，同时同步的将冗余数据帧发送到对应的余度端口，按照预留的冗余路径进行冗余数据帧传输。
26.进一步地，所述冗余数据帧消除功能针对冗余业务流的类别进行独立管理，识别为同一冗余业务流上的冗余数据帧按照先到有效机制通过冗余管理校验，先行到达的冗余数据帧被视为有效数据帧先行进行接收处理，按照这样的冗余数据帧保序机制管理同一冗余业务流上有效冗余数据帧的序列号；在系统预先规划的冗余数据帧处理窗口期内，通过序列号匹配方式接收后到的冗余数据帧从而进行冗余消除。
27.进一步地，先到的冗余数据帧的信息元组存入到余度管理队列，队列存储深度取决于余度管理持续时间，深度与管理持续时间成正比关系。
28.与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
29.1.本发明可根据网络系统中数据源端到目的端的互联架构，进行灵活的余度管理。通过通信源端设备感知端口的链接关系，感知到通信源端设备对外连接两路链路通路，则在通信源端设备启动数据复制，从两路链路进行数据余度传输；感知通信源端设备接入为单路端口连接，则将数据传递到下一级中继设备进行感知，感知到去向目的端存在延时偏差可控双路路径，则分路复制传输，实现融合感知，可选模式的、多样架构的冗余传输管理方法，解决传统机载网络余度模式单一，适应能力差的问题。
30.2.通过在时间确定性通信系统中设计冗余传输管理方法，提高了交换网络系统中通信传输的安全性和确定性的能力，有效地推进时间确定性网络发展，在网络传输安全性上和数据服务的可靠性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。
附图说明
31.图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
32.参见附图，本发明提供了一种面向差异化业务场景的确定性通信的冗余传输管理方法，包括以下步骤：
33.步骤1，根据面向差异化业务确定性传输网络系统部署的通信业务，收集业务在网络系统中的路径，构建全局业务的传输路径视图，并确定冗余业务流的有效路径。
34.其中，所述面向差异化业务确定性传输网络系统的构型为星型、线性型、树型、full mesh型、环型、蜂窝拓扑以及上述几种任意组合拓展型，该系统是支持多种不同传输特性的业务流传输的网络，包含具备时间感知通信业务，流量速率控制业务以及其他随机
插空发送的业务。
35.步骤1.1，检索全局业务的传输路径，根据数据源端到目的端的互联架构决定业务流的余度分配方法。
36.所述的余度分配方法通过感知业务传输路径上的各设备自身端口的物理连接状态和连接冗余路径条数决定：在源端设备实现冗余数据帧复制和传输；所述的源端设备包括面向差异化业务确定性传输网络系统中的发送端或者网桥；所述发送端感知自身存在独立的冗余端口设计，并检索到本设备预留的冗余多路径，即连接冗余路径条数，进行冗余数据帧复制，将冗余数据帧分发到冗余多路径下独立的端口传输；其中，为冗余数据传输预留的冗余多路径，其途径的传输跳数存在一致或者不一致的规划情况，允许其跳数上存在差异。所述跳数差异由系统全局定义，取决于冗余数据处理中容忍的最大传输延时差异，即在该传输延时差异基础上能够实现传输序列恢复，避免同一冗余业务流上相邻传输两帧发生序列翻转，该跳数差异作为系统全局性的生成确定性业务路径预留(包括冗余多径预留)求解的约束条件。所述冗余数据帧为时间感知通信业务、流量速率控制业务的数据帧。
37.其中，冗余管理面向时间感知通信业务，流量速率控制业务两种确定性业务通信提供冗余传输服务能力，不针对随机插空发送的、无确定性业务提供冗余管理。冗余通信建立在业务自身的源端到目的端路径检索基础上。所述网络系统在单网桥连接通信模式下不支持冗余服务能力，冗余业务的多径配置规划在系统拓扑无冗余多径状态下将无解。
38.本方案中，由用户决策相应业务流的冗余传输方式，支持将对应业务流设置为单路径传输、双冗余路径以及多路冗余路径传输的模式，通常所述的多路余度边界不超3。
39.所述冗余多路径为在路径不交叉基础上，采用最小化差异跳数的约束方式来实现。最小化差异跳数的约束方式指分配冗余路径的途径跳数之间差异最小，即检索不出跳数相等条件下的冗余路径或者相等条件下路径的资源分配无解，则按照差异为1的条件进行检索，以此类推，直到检索冗余路径差异条件值到达对应差异值的边界；针对冗余路径进行编号，按照路径跳数由小到大进行先后顺序编号，相同跳数按照路径检索生成顺序来进行先后顺序标号。
40.步骤1.2，源端设备感知自身仅存单路通信端口，不存在双端口或者冗余多路径时，进一步搜索出冗余数据帧的下一级设备的有效路径。
41.其中，所述感知自身仅存单路通信端口，可按用户配置需求进行冗余数据帧复制，并将冗余数据帧以及副本，通过单路端口背靠背传输到下一级网桥设备，冗余数据帧背靠背进入到下一级网桥设备，进行冗余路径查询，检索到该冗余数据帧在本网桥设备中存在冗余路径，则将背靠背进入的冗余数据帧按先后顺序与冗余路径标号小到大进行映射转发(先入的对标号小的)；所述感知自身仅存单路通信端口无用户配置需求时，默认源端设备不进行冗余数据帧复制，将帧复制功能的权限下放到下一级设备。
42.步骤1.3，根据业务在各级设备形成的传输路径形成全局业务的传输路径视图，按步骤1.2相同的方法搜索该全局视图上冗余业务流的有效路径，实现冗余业务流的多路径预留。
43.其中，所述全局业务的传输路径视图用于遍历索搜并显性规划整个系统的确定性业务的传输路径，生成全局的确定性业务传输路径预留解，包括冗余多径规划，实现冗余路径预留。本实施例中，冗余业务流为时间感知通信业务，流量速率控制业务等的业务流。
44.步骤2，根据全局视图下冗余业务流的有效路径，在冗余发起端进行冗余业务流数据的冗余复制；复制时，冗余业务流数据的冗余数据帧在组帧过程中插入用于识别不同业务的冗余标签，该标签包括识别业务类型tag和管理同一数据帧的冗余管理序列号。所述冗余发起端为进行帧复制，并为当前业务第一次感知存在冗余路径起源的设备。
45.其中，通过冗余标签的设置，使得冗余复制功能可以针对不同冗余业务流进行区分标识和独立管理；通过为每条冗余业务流定义冗余管理序列号，针对不同冗余业务流独立管理一个循环滚动的序列号计数器，该计数器为对应类别的连续发送的冗余业务流打上连续冗余管理序列号：计数器值初始化为0，并对应为冗余业务流初始化发送的第一帧的序列号，冗余业务流每发送一帧计数器自增1，标识序列号的计数器位值全为1或者序列号自增到约定的最大值，下一拍自增归0。
46.步骤3，所述冗余复制发起在网桥设备或发送端设备，冗余复制的发起端通过单路端口仅进行冗余数据帧传输。
47.针对可能存在的前一级网桥设备，将所述冗余数据帧进行单播方式传输，网桥设备检索到本设备存在预留的多冗余路径，进行冗余数据帧复制，分发到预留的多冗余路径的映射输出端口传输。
48.(1)所述冗余复制发起在发送端设备时，按照两种不同方式进行冗余数据帧的发送传输：
49.第一种方式是发送端设备感知到设备自身，存在面向对应冗余数据帧接入的独立的通信端口(双余度/双端口、三余度/三端口，通常该网络应用的场景三余度足够应对可靠性的要求)，发送端设备完成所需余度数量的冗余数据帧的复制，并根据信息元组进行复制帧标识，同时同步地将冗余数据帧发送到对应的余度端口，按照预留的冗余路径进行冗余数据帧传输。
50.第二种方式是发送端设备感知到设备自身只存在一路通信端口，则设备完成所需余度数量的冗余数据帧的复制，并根据信息元组进行复制帧标识，背靠背的将冗余数据帧发送下一级网桥设备进行余度处理。
51.冗余数据帧背靠背进入到下一级网桥设备，进行冗余路径查询，检索到该冗余数据帧在本网桥设备中存在冗余路径时，则将背靠背进入的冗余数据帧按先后顺序与冗余路径标号从小到大进行映射转发(先入的对标号小的)；检索到该冗余数据帧在本网桥设备中不存在冗余路径时，通过路由查询从对应的转发输出端口背靠背的发送再下一级网桥设备，依此类推。
52.(2)所述冗余复制发起在网桥设备时：
53.所述冗余数据帧进入本网桥设备之前，系统中不对该冗余数据帧进行副本的复制；进入到本网桥设备后，网桥设备完成所需余度数量的冗余数据帧副本的复制，并根据信息元组进行复制帧标识；检索到系统给本网桥设备预留的冗余路径后，同时同步的将冗余数据帧发送到对应的余度端口，按照预留的冗余路径进行冗余数据帧传输。
54.步骤4，冗余数据帧途经预留的多冗余路径，到达冗余数据帧消除设备端汇聚进行冗余消除；所述冗余数据帧消除设备可以是接收端设备或者网桥设备，所述冗余数据帧消除设备具备感知冗余路径汇聚的能力。
55.所述冗余数据帧消除功能针对冗余业务流的类别进行独立管理，识别为同一冗余
业务流上的冗余数据帧按照先到有效机制通过冗余管理校验，先行到达的冗余数据帧被视为有效数据帧先行进行接收处理，按照这样的冗余数据帧保序机制管理同一冗余业务流上有效冗余数据帧的序列号；在系统预先规划的冗余数据帧处理窗口期内，通过序列号匹配方式接收后到的冗余数据帧从而进行冗余消除。先到的冗余数据帧的信息元组存入到余度管理队列，队列存储深度取决于余度管理持续时间，深度与管理持续时间成正比关系(时间越长，最坏情况下互为余度帧处理的中间累计其他余度帧数量越多)。
56.余度发送处理：针对时间感知调度型tas业务类型的调度队列门控打开时，不存在与其他同业务类型或者不同业务类型竞争，队列缓存的所有数据进行背靠背调度，并通过预先定义的业务余度类型和本设备余度传输模式组合的余度处理后(打上冗余管理的序列号标识)，发送到物理链路；针对其它业务类型的调度队列门控打开时，针对cbs业务类型数据，先通过出对流量警管模块的处理，的出对流量警管模块根据针对cbs业务自身的流量管控机制进行其出队的第一级控制，该机控制保障该业务类型的流量按照系统规划的流量速率约束进行发送，第二级控制为cbs内部的优先级等级控制，高优先级先出队，并通过预先定义的业务余度类型和本设备余度传输模式组合的余度处理后，发送到物理链路；针对be业务第一级控制为内部的优先级等级控制，高优先级先出队，第二级控制与cbs优先级等级控制，cbs业务优先级高于be业务优先出队，通过上述调度控制的be业务采用单余度方式发送到物理链路。
57.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。