一种用于RapidIO网络的路由配置生成方法与流程

一种用于rapidio网络的路由配置生成方法
技术领域
1.本发明属于机载嵌入式系统互连高速通讯领域，特别涉及一种用于rapidio网络的路由配置生成方法。


背景技术：

2.航空电子系统涉及通信、导航、显控、飞控等诸多方面，强实时、高安全性是航电系统的基本关注点，其系统各组件间的连接要求灵活高效。rapidio是一种面向于高性能嵌入式系统需求设计的开放式互连技术标准，它具有高性能、低引脚数和基于数据包交换等特征，由motorola和mercury等公司率先倡导并于2001年正式发布规范，如今已更新至4.1版本。rapidio网络通常采用基于交换机的互连结果，信息包的转发、反馈等通常通过底层链路即可完成，无需应用层操作，因而具有较高的效率，已广泛应用于机载嵌入式信号处理平台。
3.随着电子、信息、计算机、软件等技术的迅猛发展，航电系统也朝着更加敏捷、高效、智能、灵活的方向升级，同时系统组件规模和功能也变得更加庞杂，对于rapidio网络来说，其网络中的设备数量也不断增多，连接关系愈发复杂，在这种应用场景之下，就要求rapidio网络在满足更多设备互连的同时有效保证网络信息传输延迟等要求，这与rapidio网络交换设备表现密切相关。
4.现有的rapidio网络交换机路由主要有静态和动态两种配置方式，前者根据网络节点信息提前生成好交换机路由表，然后逐个配置，主要适和网络拓扑较小和固定的情况，灵活性较差；后者则是通过rapidio网络主控节点根据查询到的实际网络信息生成路由并配置，具有更强的适应性和灵活性，该方式的路由生成的方法对网络传输特性有重要影响，需考虑其方法在真实机载场景中的效率和优越性。


技术实现要素：

5.本技术提供一种用于rapidlo网络的路由配置生成方法，能够适应不同网络拓扑，生成的网络交换路由计及端到端延时和交换机负载均衡等因素，进而优化rapidlo网络传输时间特性。
6.本发明的技术方案为：一种用于rapidlo网络的路由配置生成方法，所述方法包括：
7.步骤1：采用动态配置，获得rapidlo网络的网络拓扑信息；
8.步骤2：根据所述网络拓扑信息，对优先业务组的最优路径进行加权求取优先业务路径加权w1[i][j]，对普通业务组的最优路径进行加权求取普通业务路径加权w2[i][j]，从而获得rapidio网路的全源最优路径；
[0009]
步骤3：根据所述rapidlo网路的最优路径，生成与部署交换机路由。
[0010]
优选的，所述网络拓扑信息包括网络中各端设备和交换机端口连接设备情况、端口速率。
[0011]
优选的，步骤2包括：
[0012]
步骤21：根据所述网络拓扑信息得出网络交换机连接矩阵r[i][j]；
[0013]
步骤22：根据所述网络交换机连接矩阵r[i][j]，获得rapidlo网络交换机端口之间的初始端口带宽l0[i][j]；
[0014]
步骤23：根据端到端信息传输优先级p[i][j]，将全网端到端业务分为优先业务和普通业务；
[0015]
步骤24：根据所述初始端口带宽l0[i][j]，计算优先业务路径加权w1[i][j]，并根据所述w1[i][j]，获得优先业务组的最优路径min w1[i][j]；
[0016]
步骤25：根据所述初始端口带宽l0[i][j]，获得普通业务组的路径端口带宽l1[i][j]；
[0017]
步骤26：根据所述l1[i][j]，计算普通业务路径加权w2[i][j]，并根据所述w2[i][j]，获得普通业务组的最优路径min w2[i][j]。
[0018]
优选的，步骤22具体包括：
[0019]
根据公式l0[i][j]＝lr[i][j]
×
lw[i][j]，获得rapidlo网络交换机端口之间的初始端口带宽l0[i][j]；
[0020]
其中，lr[i][j]为交换机i和j之间的链路速率，lw[i][j]为交换机i和j之间的链路宽度，l0[i][j]为交换机i和j之间的初始端口带宽。
[0021]
优选的，步骤23具体包括：
[0022]
所述端到端信息传输优先级p[i][j]中，端设备i与端设备j之间无业务则为0，优先业务为1，普通业务为2。
[0023]
优选的，步骤24具体包括：
[0024]
根据所述初始端口带宽l0[i][j]，利用公式w1[i][j]＝α
×
t
si
×ihop
β
×
∑1/l0[i][j]，求取优先业务组的最优路径min w1[i][j]；
[0025]
其中，α为优先业务路径加权表达式w1(i，j)的第一权重系数、β为优先业务路径加权表达式w1(i，j)的第二权重系数、t
si
表示交换机固有时延、i
hop
表示路由条数、l0[i][j为业务路径的初始端口带宽。
[0026]
优选的，步骤25具体包括：
[0027]
利用公式获得普通业务组的路径端口带宽l1[i][j]；
[0028]
其中，l0[x][y]为路径的初始端口带宽，t0[x][y]为已分配的端口带宽。
[0029]
优选的，步骤26具体包括：
[0030]
根据所述路径端口带宽l1[i][j]，利用公式计算普通业务组的最优路径min w2[i][j]；
[0031]
其中，a为普通业务路径加权w2[i][j]的第一权重系数、β为普通业务路径加权w2[i][j]的第二权重系数、t
si
表示交换机固有时延、i
hop
表示路由条数、l1[i][j]普通业务组的路径端口带宽。
[0032]
发明效果：
[0033]
1本发明用于rapidio网络路由的动态生成与配置，相较于传统的静态路由生成方法，具有更强的灵活性和适应性；
[0034]
2相较于当前较多采用的条数最短的路径寻优方法，本发明在计及业务优先级、端到端延迟和负载均衡分配的基础上有效求解全源最优路径，网络具有更优异的时间特性；
[0035]
3本发明充分考虑实际应用场景，网络发现和路径寻优采用的方法易于代码实现和数据的运算与维护，在优化目标的同时保持较高的可操作性。
附图说明
[0036]
图1为本技术提供的一种用于rapidio网络的路由配置生成方法的总流程图；
[0037]
图2为本技术提供的一种dfs搜索示意流程图；
[0038]
图3为本技术提供的一种网络拓扑和dfs搜索结果示意图；
[0039]
图4为本技术提供的一种网络有权边l0示意图；
[0040]
图5为本技术提供的一种网络边权边l1示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0042]
实施例一
[0043]
如图1所示，本技术提供一种用于rapidio网络的路由配置生成方法，方法包括：
[0044]
步骤1：采用动态配置，获得rapidio网络的网络拓扑信息，所述网络拓扑信息包括网络中各端设备和交换机端口连接设备情况、端口速率；
[0045]
实际应用中，rapidio网络的交换路由有静态和动态两种配置方式，相较而言后者更加灵活实用，本发明采用动态配置的方法。对于动态配置，首先需要rapidio网络主节点经由连接的交换机寻找全网节点，通过遍历得出该网络拓扑信息。可将网络抽象为连通图模型，于是网络发现问题可转化为图的搜索问题，对此主要有广度优先搜索(breadth-first-search，bfs)和深度优先搜索(depth-first-search，dfs)。两种方法都是从起点(rapidlo网络主节点)开始顺着连接的交换机展开搜索，主要区别在于bfs会依照距离起点从近到远的顺序进行搜索，而dfs会按顺序沿着一条路径不断往下直到不能再继续搜索为止，然后再退回继续搜索下一条路径。由此可知bfs的搜索形式类似于一个先进先出的队列，而dfs的搜索形式更像是一个先进后出的栈。通过分析对比可发现两种方法的时间复杂度相同，bfs更易于表达非加权图的邻近节点，dfs在纵深复杂的拓扑上具有一定优势，此外考虑算法的代码实现和应用，dfs的栈形式通过递归描述更加方便易于维护，因此采用dfs应用于rapidlo网络发现，其实意图如图3。
[0046]
举例来说，每发现一个交换机，判定其是否为该网络未被发现的新设备，若是的话便遍历所有端口，记录其连接的端设备和交换机，然后沿着其连接的交换机继续查找，若无新设备就后退回上一层继续遍历，待全网再无新设备后，依此建立全网拓扑信息，流程图如图2所示。网络拓扑信息主要包括两组对象：交换机id和主节点跳数，每个端口对应连接的端设备或交换机ld，端口速率等；端设备id，所连接的交换机id和端口等。
[0047]
步骤2：根据所述网络拓扑信息，对优先业务组的最优路径进行加权求取优先业务路径加权w1[i][j]，对普通业务组的最优路径进行加权求取普通业务路径加权w2[i][j]，从
而获得rapidlo网路的全源最优路径；
[0048]
具体的，步骤2包括：
[0049]
步骤21：根据所述网络拓扑信息得出网络交换机连接矩阵r[i][j]；
[0050]
步骤22：根据公式l0[i][j]＝lr[i][j]
×
lw[i][j]，获得rapidlo网络交换机端口之间的初始端口带宽l0[i][j]；其中，lr[i][j]为交换机i和j之间的链路速率，lw[i][j]为交换机i和j之间的链路宽度，l0[i][j]为交换机i和j之间的初始端口带宽；
[0051]
步骤23：所述端到端信息传输优先级p[i][j]中，端设备i与端设备j之间无业务则为0，优先业务为1，普通业务为2；
[0052]
步骤24：根据所述初始端口带宽l0[i][j]，利用公式w1[i][j]＝a
×
t
si
×ihop
β
×
∑1/l0[i][j]，求取优先业务组的最优路径min w1[i][j]；其中，α为优先业务路径加权表达式w1(i，j)的第一权重系数、β为优先业务路径加权表达式w1(i，j)的第二权重系数、t
si
表示交换机固有时延、i
hop
表示路由条数、l0[i][j]为业务路径的初始端口带宽；
[0053]
步骤25：利用公式获得普通业务组的路径端口带宽l1[i][j]；其中，l0[x][y]为路径的初始端口带宽，t0[x][y]为已分配的端口带宽；
[0054]
步骤26：根据所述路径端口带宽l1[i][j]，利用公式计算普通业务组的最优路径min w2[i][j]；其中，α为普通业务路径加权w2[i][j]的第一权重系数、β为普通业务路径加权w2[i][j]的第二权重系数、t
si
表示交换机固有时延、i
hop
表示路由条数、l1[i][j]普通业务组的路径端口带宽。
[0055]
实际应用中，网络最优路径判断可简化为全网端到端信息传输时延最小，当前较多采用的方法是通过遍历全网可达路径，计算求出跳数最小的那一条作为最终选择。该方法主要存在两个问题：一是只考虑了交换机跳数这一个因素，二是全网搜索寻路隐含的假设是在不考虑带宽因素的前提下先来先分配，而在现实物理世界中网络带宽资源有限，会影响网络传输时延。此外，rapidlo交换机的路由分配是目的ld与路由端口唯一对应，即一旦某一交换机配置了其端口与raoidio网络中某一目的id的映射关系，后续其他经过该交换机同时目的也是此id的端到端消息都需要遵从这一映射关系，即这些端到端业务路径的可选择性便受到了限制，因此可认为路径寻优对计算时的先后顺序是较为敏感的。
[0056]
为解决上述问题，本发明提出一种基于floyd-warshall算法、计及端到端优先级和交换机跳数与网络带宽因素的路径寻优方法，将rapidlo全网路径寻优问题转化为求解有权无向图的全源最佳路径。
[0057]
由于dfs搜索生成的拓扑是以主节点为根的一个树形结构，对网络连接关系的表达具有局限性，需对其进行处理优化。根据搜索信息建立全网交换机连接关系矩阵r[i][j]，表示交换机i与交换机j的连接关系，有连接为1，无连接为0。在此基础上对rapidlo网络时间特性进行进一步的量化表达。通过矩阵lr[i][j]表示交换机i和j之间的链路速率，在rapidlo 2.1标准规范中，链路速率有1.25gb/s、2.5gb/s、5gb/s、3.125gb/s、6.25gb/s几种。通过矩阵lw[i][j]表示交换机i和j之间的链路宽度，主要有1x，2x，4x三种模式，另外在实际应用中存在交换机间多端口冗余连接的情况，在路径寻优的过程中可将其简化为链路宽度，例如若两交换机之间有2个2x端口相连，则将其简化视为4x(待端口分配时再分开考
虑)，由此可以得出交换机i和j之间的初始端口带宽的表达l0[i][j]＝lr[i][j]
×
lw[i][j]。
[0058]
rapidlo网络通信端到端时延主要包含几个部分，交换机转发时延和信息在终端设备和交换机之间的链路传输时延，后者与链路特性和长度等相关，在机载应用场景中网络节点距离较近可忽略。在本方案中通过两个参数进行表征，交换机固有时延t
si
和网络带宽l[i][j，二者分别与网络时延具有正相关和负相关特性，网络端到端时延的可以用路径经过的交换机数目及路径带宽表示。
[0059]
如前文所述，路径带宽有限且交换机路由配置存在一一对应关系，因而路径资源分配存在先后顺序问题。用p[i][j]表示端到端信息传输优先级，端设备i与端设备j之间无业务则为0，优先业务为1，普通业务为2，由此可以将全网的端到端业务划分为两组，优先组和普通组。
[0060]
对于优先组业务，基于floyd-warshall算法计算全源最优路径，路径权重表达式为：
[0061]
w1[i][j]＝α
×
t
si
×ihop
β
×
∑1/l0[i][j]
[0062]
其含义为端设备i至j路径经过的端到端时延，具体包含交换机跳数时延和路径带宽性能，α和β分别是它们的权重系数，则最优判据可以表示成min w1[i][j]。全源最优的编码表达如下：
[0063][0064][0065]
通过计算，可以求出优先业务的全源最优路径，然后求解普通业务。由于网络带宽资源有限，链路上承载的业务量对网络时延也会产生影响，随着拥堵情况的加重，其对时延的影响可能会超过交换机跳数造成的时延。因此普通业务的路径寻优需考虑先前优先业务分配对链路带宽的影响，其网络路径权重的表达式如下：
[0066]
[0067][0068]
和w1相比，w2在网络带宽部分加入了优先业务已分配于该段路径的业务量信息由矩阵t0表示，由此再用floyd-warshall算法求取普通业务的全源最优路径。与优先业务结果叠加即为rapidlo网络的全源最优路径。
[0069]
步骤3：根据所述rapidlo网路的最优路径，生成与部署交换机路由。
[0070]
需要说明的是，rapidlo网络全网路径生成之后便可生成网络中每一个交换机路由，由于在实际应用中存在交换机间多端口冗余连接的情况，在求解路径时将其视为一条连接，但是在分配交换机路由端口时，可以根据负载均衡的原则将两交换机间业务在冗余连接端口中进行分配。每个交换机的路由表生成完毕后，主节点以维护包的形式再度遍历全网部署交换机路由，完成rapidlo网络路由生成与配置。
[0071]
实施例二
[0072]
本发明针对rapidlo网络提供了一种路由配置优化方法，包含网络发现、全网路径寻优和路由生成与部署。本实施例以一个rapidlo网络为例对其路由进行生成配置，具体内容包含三部分。
[0073]
1 rapidlo网络发现
[0074]
如图3所示为一个小型rapidlo网络，共包含5个交换机和7个端设备。以端设备1作为主控，依照dfs算法枚举全网可以得出一个树型结构，通过遍历可知网络中各端设备和交换机端口连接设备情况、端口速率等信息，作为后续路径寻优的数据。
[0075]
2 rapidlo全网路径寻优
[0076]
根据获取的信息得出网络交换机连接矩阵r[i][j]：
[0077][0078]
交换机链路速率假设为2.5g，链路宽度为2x，则该rapidlo网络交换机端口之间的初始端口带宽l0[i][j]为：
[0079][0080]
其等效的有权边网络如图4所示。
[0081]
端设备间业务的优先级p[i][j]为：
[0082][0083]
由此可将全网端到端业务分为两部分，优先业务7条和普通业务6条。t
si
设置为10，优先业务路径加权表达式w1(i，j)的系数α和β分别为0.5和15。
[0084][0085]
根据计算结果迭代更新路径权重l1[i][j]
[0086][0087]
其等效的有权边网络如图5所示。
[0088]
再求解普通业务路径加权，其结果w2[i][j]为：
[0089][0090]
通过计算可发现相较于单纯考虑跳数的算法，由于考虑了交换机间带宽限制和优先业务的部署影响，普通业务的路径规划有所调整，例如端设备1和5的业务路径优化为交换机1-2-3、端设备2与7的业务路径优化为2-3-4。两次路径寻优结果加和即为全网业务路径寻优结果。
[0091]
3交换机路由生成与部署
[0092]
基于求得的rapidlo全网业务路径，对各交换机进行配置，建立交换机端口与目的设备id一一映射关系，当交换机间存在多端口冗余时(交换机1与2，交换机3与4)，采取负载均衡分配的原则，具体路由配置表如表1所示。
[0093]
表1交换机路由配置表
[0094]
[0095][0096]
主节点根据配置表配置每个交换机路由，至此，rapidio网络路由配置生成完成。
[0097]
综上所述，本技术提供的一种用于rapidio网络的路由配置生成方法，面向航电系统高速互连网络需求，针对rapidio网络需在规模和复杂度不断提升的前提下保持网络传输时延要求的问题，提出了一种用于rapidio网络路由动态配置生成的优化方法。该方法能够适应不同网络拓扑，生成的网络交换路由计及端到端延时和交换机负载均衡等因素，进而优化rapidio网络传输时间特性。