时间触发以太网综合业务调度算法与管控平台研究

摘要

为了将实时确定性和安全可靠性集成于具有高带宽、低成本和结构简单优势的传统以太网中，时间触发以太网（Time-Triggered Ethernet, TTE）应运而生。但是，时间触发以太网仍然存在着一定的缺陷，如网络可管控性较差以及业务调度严重依赖人工手动配置。借鉴软件定义网络（Software Defined Network, SDN）中由控制器统一管理网络的思想，本文尝试对时间触发以太网进行集中化管控，并针对实时确定性业务的综合调度部署提出相应的解决方案。 本文根据时间触发以太网当前所面临的问题来设计具有实用价值的时间触发综合管控系统平台，同时利用集中化管控的优势设计时间触发综合业务调度算法以自动化综合调度部署所有实时确定性业务。本文的主要研究成果如下： （1）基于时间触发以太网的管控需求，设计和实现了包括网元层、管控层和应用层在内的三层时间触发综合管控系统（Time-triggered Integrated Management and Control System, TTIMCS），并将整个时间触发综合管控系统划分为时间触发业务管控协议、时间触发管控中心和网元节点管控代理三个组成部分。其中，时间触发业务管控协议为时间触发以太网提供了一套包括网元设备管控、网络拓扑发现以及数据可靠传输等功能的完整的网络管控解决方案。时间触发管控中心依托于插件层、服务层和适配层完成了网元节点的统一管理，同时支持资源拓扑管理和用户业务调度等功能，并完成了对核心功能服务的 API 接口化。网元节点管控代理则运行于网元节点之上，提供与时间触发管控中心的可靠协议连接，并使用时间触发业务管控协议进行信息交换。 （2）基于时间触发综合业务调度问题，设计和实现了两阶段多业务调度算法（Two-phase Multi-business Scheduling Algorithm, TPMBSA）。由于实时确定性业务的最终部署结果包括业务数据传输路径和业务节点调度规则两部分，本文基于分阶段处理思想设计了时间触发综合业务的两阶段调度算法。在第一阶段，利用改进的 K 短路算法为每个业务计算出相应的备选数据传输路径集合，并使用遗传算法以网络负载均衡为目标完成对业务的数据传输路径的组合优化；在第二阶段，基于业务时延最小贪心搜索以及迭代设置业务优先级思想来完成业务的传输时隙分配。经仿真测试验证，该算法具有一定的实用价值，能够为一些业务应用场景提供业务调度支持。

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1. 第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究背景与研究意义

1.3 时间触发网络研究现状

1.3.1 基础技术发展

1.3.2 业务调度研究

1.4 主要工作及内容安排

2. 第二章 时间触发以太网相关技术

2.1 基本概念

2.1.1 实时确定性

2.1.2 安全可靠性

2.2 体系结构

2.2.1 整体架构

2.2.2 拓扑结构

2.2.3 时钟同步

2.3 业务调度算法

2.3.1 列表调度算法

2.3.2 单调速率调度算法

2.4 本章小结

3. 第三章 时间触发综合管控系统

3.1 总体架构

3.2 时间触发业务管控协议设计

3.2.1 设计剖析

3.2.2 协议模型

3.2.3 协议消息

3.2.4 协议交互

3.3 时间触发管控中心架构设计

3.3.1 设计剖析

3.3.2 架构设计

3.3.3 服务功能模块

3.3.4 TTBMCP协议插件

3.3.5 核心服务API化

3.4 网元节点管控代理架构设计

3.4.1 设计剖析

3.4.2 架构设计

3.5 系统功能验证

3.5.1 验证环境

3.5.2 功能测试

3.6 本章小结

4. 第四章 时间触发综合业务调度算法

4.1 问题描述

4.1.1 输入参数

4.1.2 输出参数

4.1.3 问题总结

4.2 算法概述

4.3 算法设计

4.3.1 业务传输路径计算子算法

4.3.2 业务调度规则计算算法

4.4 算法仿真测试

4.4.1 仿真环境

4.4.2 仿真测试

4.5 本章小结

5. 第五章 结束语

5.1 工作总结

5.2 工作展望

6. 致 谢

7. 参考文献

8. 攻读硕士学位期间的研究成果