一种嵌入于时间触发以太网交换机的可变时间触发流量仲裁中心保卫系统

摘要

本发明公开了一种嵌入于时间触发以太网交换机的可变时间触发流量仲裁中心保卫系统，该系统包括有固定TT流量通断中心保卫模型CGM和可变TT流量仲裁模型AM。利用本发明系统可以防止端系统出现任意失效，并且当多个端系统争用同一条物理链路发送动态事件触发的流量申请消息时，可以提供仲裁，避免直接发送可变TT流量发生的冲突。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于时间触发以太网交换机中进行TT流量传输的处理方法， 更特别地说，是指一种采用可变时间触发流量仲裁的中心保卫机制以防止多个外联端 系统争用一条链路时出现的路径访问冲突。

背景技术

《电光与控制》于2014年12月第21卷第12期公开了“时间触发以太网时 钟同步的仿真与性能验证”，作者王梦迪等。在图1中介绍了单通信信道时间触发以 太网(Time-TriggeredEthernet，TTE)网络的物理拓扑结构，端系统(End System，ES)和交换机(switch)通过双向通信链路连接。根据通信任务“端到端” (end-to-end)的角色充当源端系统和目的端系统；交换式网络中的交换设备中含 有转发和多路复用功能的模块被称为“交换节点”。将端系统和交换节点统称为“节 点”。

TTE的时钟同步机制可以保障网络中各个设备的时钟是完全同步的，为建立按 照时刻表发送周期性调度提供了必备条件，在特里的时刻表的设计下，可以保证帧之 间绝对不会发生争用物理链路的情况。在实际应用中，TTE网络除了支持特有的时 间触发数据帧TT外还兼容速率受限(RC，ratecontrol)流量以及普通的以太网“尽 力传”(BE，besteffort)流量。其中RC流量的优先级高于BE流量，而TT流量可 以与RC和BE流量分时占用物理链路。

时间触发以太网的时间触发流量的调度策略是基于时分多路复用(TDMA)，对 于不同节点的时间触发流量中消息，都有自己的调度时刻点。每条TT流量传输时占 据一个或多个时间槽(slot)，每个时刻仅有一个时间槽。所有节点维持一个全局时 间轴，并且都有一个统一的集成周期(integrationcycle)，一个或者多个集成周期 组成了一个集群周期(ClusterCycle)。各个节点在一个集群周期内发送的TT流量的 调度时刻点组成了TT流量的离线调度表(offline-schedulelist，简称“OSL”)。

时间触发以太网中的交换机通过配置来执行中心保卫功能，所谓“中心保卫功能” 是通过交换机对流量进行检查和过滤，达到屏蔽一条或多条具有冲突或具有潜在冲突 的流量对整体系统的影响的作用。

201031stIEEEReal-TimeSystemsSymposium公开的“AnEvaluation ofSMT-basedScheduleSynthesisForTime-TriggeredMulti-Hop Networks”，提出将TT流量未用到的剩余时间资源根据“调度解释”(schedule interpretation)转供RC流量使用。

2010年10月27日，AutomaticControlandRobotics公开的 “NETWORKEDCONTROLSYSTEMS”，在图11介绍了流量占用时间轴的典型 分配。

已有的中心保卫功能包含用于TT通信流量的语义过滤器和用于RC通信流量的 漏桶算法。文献TTEthernetSpecification第79页中介绍了保卫功能。其中，语 义过滤器(SemanticFilter)检查协议控制帧(ProtocolControlFrame)的内容， 将不符合语义的帧丢弃。漏桶算法(LeakyBucket)针对事件触发中的RC流量， 防止其无意义发送。文献SAEAS6802，第104页中介绍了指令器/监视器对 (Commander/MonitorPair)，用于高完整性设计的设备，这种诊断机制用于检测 设备的不一致故障。文献SAEAS6802中的故障封闭提出窗口强制(window enforcement)和速率强制(rateenforcement)的概念，通过例子给出了的窗口 强制算法(window-enforcementalgorithm)在接收设备接收TT流量时执行，接 收设备仅转发窗口内的TT流量。速率强制算法用于RC流量，漏桶算法是速率强制 算法的一种。上述文献都没有根据加载的离线调度表制定先验的中心保卫功能。交换 机在同一个接收窗内可能会接收到多个外联设备发送的TT流量，这可能引起的路径 访问冲突。网络中多个节点设备可能复用同一物理链路，这可能引起流量冲突。

为了保持TTE网络对于故障的隔离，上述文献未公开不同TT流量情况下的、 有针对性的中心保卫机制。

发明内容

本发明的目的是设计了一种嵌入于时间触发以太网交换机的可变时间触发流量 仲裁中心保卫系统，该中心保卫仲裁系统能够保证交换机所连接的端系统不出现TT 流量冲突，并且当多个端系统争用同一条物理链路传输可变TT流量时，不会出现路 径访问冲突的现象。本发明中心保卫仲裁系统在端系统需要发送可变TT流量时，首 先在源端系统将申请的时间封装在数据包中，并以BE流量的形式，向发送TT流量 的数据包传输路径上的各个交换机发送申请数据包进行链路申请。交换机收集各个申 请端系统发送的数据包，根据其中的申请时刻点、申请发送数据包的时刻点t_发和目 的端系统进行比较是否存在路径重合。申请时间越早，延迟越大，申请发送的优先级 越高。交换机确定好各个端系统的发送优先级，然后按原数据包传输路径发回一个确 认申请数据包，告知申请的端系统是否可以发送TT流量。本发明的中心保卫功能可 以与已有的固定TT通信流量的语义过滤器、用于RC通信流量的漏桶算法在TTE 网络交换机中共存，互不影响。

本发明的一种适用于时间触发以太网交换机的中心保卫仲裁系统，其内嵌在时间 触发以太网交换机中，其特征在于：所述中心保卫仲裁系统包括有固定TT流量通断 中心保卫模型CGM和可变TT流量仲裁模型AM；

时间触发以太网交换机一方面根据布尔型变量来选择断开或者连接对应的物理 链路，另一方面根据设置在时间触发以太网交换机中的离线调度表 中的来执行中心保卫模型CGM；

固定TT流量通断中心保卫模型CGM在传输保卫窗开启t_启时，时间触发以太网 交换机对布尔型变量进行二进制赋值，开启赋值为1，关闭赋值为0，用数 学形式表达为${\mathrm{flag}}_{{\mathrm{ES}}_m}^{S_n}=\{0,1\};$

当时，时间触发以太网交换机S_n的端口上连接的端系统ES_m能够进 行TT消息的传输，同时，按照离线调度表中的来 执行中心保卫模型CGM，达到同一条物理链路只允许一个端系统ES_m发送TT流量；

当时，时间触发以太网交换机S_n的端口上连接的端系统ES_m为断 开；

可变TT流量仲裁模型AM是在收到确认-申请BE流量时，任意一 时间触发以太网交换机S_n将可变TT流量加入到离线调度表 中，并采用来更新最后用更新后的来调 度可变TT流量，从而避免可变产生的TT流量争用同一条物理链路时出现的访问冲 突；

当时，端系统ES_m不能在申请-发送时刻经传输路径发送可变 TT流量。

本发明适用于时间触发以太网交换机的可变时间触发流量仲裁中心保卫系统的 优点在于：

①本发明方法充分考虑到时间触发以太网络的拓扑特性，提供的中心保卫机制适用 于以星形拓扑连接的时间触发以太网络。

②本发明方法考虑到时间触发以太网络的特征，在TT流量传输期间，中心保卫机 制可以防止来自外部接口的接入流量出现的冲突，保证时间触发以太网的稳定性。

③本发明方法考虑到时间触发以太网交换机所连设备的故障模式，交换机提供中心 保卫机制，可以防止外联设备出现任意故障，屏蔽故障设备对整个网路的影响。

④本发明方法考虑到时间触发以太网可变发送TT流量的特殊性，提出了仲裁机制， 保证多个设备复用物理链路不会出现访问冲突。

⑤考虑到所发明的该种中心保卫功能嵌入于交换机运行的时候，与原有几种中心保 卫功能的相容性，发明了基于通断的模型方法对固定TT流量进行管制。

⑥本发明方法提供的仲裁机制，提供了延迟优先原则，减少设备等待的开销。

附图说明

图1是典型的单通信信道TTE网络的物理拓扑如图。

图2是时间触发以太网交换机与端系统的连接示意图。

图3是本发明时间触发以太网交换机的流量调度的示意图。

图4是本发明时间触发以太网交换机保卫TT流量发送的示意图。

图5是本发明时间触发以太网交换机多节点申请发送TT流量的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明设计的可变时间触发流量仲裁中心保卫系统的主要应用环境包括SAE AS6802标准定义的TTE(Time-TriggeredEthernet，时间触发以太网)网络， 该种网络也通过TTTech公司的TTEthernetSpecification技术规范定义；但本发 明设计的流量仲裁中心保卫系统也并不限于TTE网络，当网络中包含可以被交换节 点配置和识别的固定TT流量和可变TT流量，即可以使用本发明系统。

本发明设计的可变时间触发流量仲裁中心保卫系统内嵌在时间触发以太网交换 机中，所述中心保卫仲裁系统包括有固定TT流量通断中心保卫模型CGM和可变TT 流量仲裁模型AM。

交换机与端系统

参见图2所示，ES₁表示第一个端系统，ES₂表示第二个端系统，ES₃表示第 三个端系统，ES₄表示第四个端系统，ES₅表示第五个端系统，ES_m表示第m个端 系统，m表示端系统的标识号，在本发明中将ES_m也称为任意一端系统。S₁表示第 一个时间触发以太网交换机，S₂表示第二个时间触发以太网交换机，S_n表示第n个 时间触发以太网交换机，n表示时间触发以太网交换机的标识号，在本发明中S_n也 称为任意一时间触发以太网交换机。

在本发明中，将时间触发以太网交换机的布尔型变量记为即连接在第 n个时间触发以太网交换机S_n上的第m个端系统ES_m，也称为连接在任意一时间触 发以太网交换机上的任意一端系统。第m个端系统ES_m向第n个时间触发以太网交 换机S_n发送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为 所述的传输窗口结束时刻记为

在图2中，将连接在第一个时间触发以太网交换机S₁上的第一个端系统ES₁的 布尔型变量记录为第一个端系统ES₁向第一个时间触发以太网交换机S₁发 送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所述 的传输窗口结束时刻记为

将连接在第一个时间触发以太网交换机S₁上的第三个端系统ES₃的 布尔型变量记录为第三个端系统ES₃向第一个时间触发以太网交换机S₁发 送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所述 的传输窗口结束时刻记为

将连接在第一个时间触发以太网交换机S₁上的第m个端系统ES_m的 布尔型变量记录为第m个端系统ES_m向第一个时间触发以太网交换机S₁发送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所述的传输窗口结束时刻记为

将第一个时间触发以太网交换机S₁与第二个时间触发以太网交换机 S₂的连接记录为

将连接在第二个时间触发以太网交换机S₂上的第二个端系统ES₂的 布尔型变量记录为第二个端系统ES₂向第二个时间触发以太网交换机S₂发 送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所 述的传输窗口结束时刻记为

将连接在第二个时间触发以太网交换机S₂上的第六个端系统ES₆的 布尔型变量记录为第六个端系统ES₆向第二个时间触发以太网交换机S₂发 送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所 述的传输窗口结束时刻记为

将第二个时间触发以太网交换机S₂与第一个时间触发以太网交换机 S₁的连接记录为

将连接在第n个时间触发以太网交换机S_n上的第四个端系统ES₄的 布尔型变量记录为第四个端系统ES₄向第n个时间触发以太网交换机S_n发 送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所 述的传输窗口结束时刻记为

将连接在第n个时间触发以太网交换机S_n上的第五个端系统ES₅的 布尔型变量记录为第五个端系统ES₅向第n个时间触发以太网交换机S_n发 送的固定TT流量记为所述的传输窗口启动时刻记为所述 的传输窗口结束时刻记为

将第二个时间触发以太网交换机S₂与第n个时间触发以太网交换机 S_n的连接记录为

在图2中，当源端系统ES₁向目的端系统ES₄发送TT消息所经过的传输路径记 为则有$L_{{\mathrm{ES}}_4}^{{\mathrm{ES}}_1}={\mathrm{ES}}_1\to S_1\to S_2\to S_n\to {\mathrm{ES}}_4.$

当源端系统ES_m向目的端系统ES₂发送TT消息所经过的传输路径 记为则有$L_{{\mathrm{ES}}_2}^{{\mathrm{ES}}_m}={\mathrm{ES}}_m\to S_1\to S_2\to {\mathrm{ES}}_2.$

当源端系统ES₆向目的端系统ES₅发送TT消息所经过的传输路径 记为则有$L_{{\mathrm{ES}}_5}^{{\mathrm{ES}}_6}={\mathrm{ES}}_6\to S_2\to S_n\to {\mathrm{ES}}_5.$

离线调度表OSL

在本发明中，基于时间触发以太网交换机网络中各个节点在一个集群周期内发送 的TT流量的调度时刻点组成了TT流量的离线调度表(OSL)。所述OSL为4列多 行格式，如下表所示。

离线调度表OSL

数据包传输路径 发送时刻 集成周期 传输保卫窗宽 …… …… …… ……

在本发明中，传输路径的符号记为L，是指发送TT流量的源端系统到接收TT 流量的目的端系统之间的物理链路。

在本发明中，固定-发送时刻的符号记为是指网络节点将固定TT流量发 送到通信物理链路上的时刻点。为了保证固定TT流量的可靠传输，所述 为启动传输保卫窗后发送TT流量之前的一段时间，一般设置 为0.5～1微秒。

在本发明中，集成周期的符号记为R，是指TT流量的发送周期。一个集成周期 R里有v个保卫时刻，即第一个保卫时刻记为第二个保卫时刻记为第三个 保卫时刻记为最后一个保卫时刻记为

在本发明中，传输保卫窗宽的符号记为TGW，是指保卫TT流量传输的时间段。 所述TGW中包括有窗口保卫启动时刻t_启和窗口保卫结束时刻t_止，即 TGW＝[t_启,t_止]。传输保卫窗宽TGW为一个时间区间，一般地，最小的TGW_min为 30～90微秒。

采用集合形式表达每个节点的离线调度表为故存在 有端系统的离线调度表为交换机的离线调度表为

在本发明中，将依据离线调度表进行调度的TT流量称为固定TT流量(fixedTT traffic)；将不依据离线调度表进行调度，而是要在网络运行时向本发明中的流量仲 裁系统发起申请以确认是否可调度的TT流量称为可变TT流量(variableTT traffic)。

固定TT流量通断中心保卫模型CGM

参见图2、图3所示，在本发明中，时间触发以太网交换机一方面根据布尔型变 量来选择断开或者连接对应的物理链路，另一方面根据设置在时间触发以太网交换机 中的离线调度表中的来执行中心保卫模型CGM。

第一个时间触发以太网交换机S₁上的布尔型变量有和第一个时间触发以太网交换机S₁的离线调度表为 且$L=\{L_{{\mathrm{ES}}_4}^{{\mathrm{ES}}_1},L_{{\mathrm{ES}}_2}^{{\mathrm{ES}}_m}\},$

第二个时间触发以太网交换机S₂上的布尔型变量有和 第二个时间触发以太网交换机S₂的离线调度表为 且$L=\{L_{{\mathrm{ES}}_5}^{{\mathrm{ES}}_6},L_{{\mathrm{ES}}_2}^{{\mathrm{ES}}_m}\},$

第n个时间触发以太网交换机S_n上的布尔型变量有和 第n个时间触发以太网交换机S_n的离线调度表为 且$L=\{L_{{\mathrm{ES}}_4}^{{\mathrm{ES}}_1},L_{{\mathrm{ES}}_5}^{{\mathrm{ES}}_6}\},$

在本发明中，当传输路径复用一条物理链路时，此时时间触发以太网交换机将使 用本发明设计的TT流量通断中心保卫模型CGM。所述的TT流量通断中心保卫模 型CGM在传输保卫窗开启t_启时，时间触发以太网交换机对布尔型变量进行 二进制赋值，开启赋值为1，关闭赋值为0，用数学形式表达为

当时，时间触发以太网交换机S_n的端口上连接的端系统ES_m能够进 行TT消息的传输，同时，按照离线调度表中的来 执行中心保卫模型CGM，达到同一条物理链路只允许一个端系统ES_m发送TT流量。

当时，时间触发以太网交换机S_n的端口上连接的端系统ES_m为断 开。

参见图2、图4所示，端系统ES₁、端系统ES_m和端系统ES₃通过交换机S₁向 交换机S₂发送固定TT流量；则有：

端系统ES₁在向端系统ES₄发送TT流量，交换机S₁的离 线调度表中则添加的传输保卫窗如表 1所示。

端系统ES_m在向端系统ES₂发送TT流量，交换机S₁的离 线调度表中则添加的传输保卫窗如 表1所示。

端系统ES₃在向端系统ES₂发送TT流量，交换机S₁的离 线调度表中则添加的传输保卫窗如 表1所示。

当端系统ES₁的窗口保卫启动时刻到来时(即)，此时交换机 S₁设置与交换机S₁连接的其余端系统的

若在时，端系统ES_m试图向端系统ES₂发送可变TT消息， 交换机S₁将不接收ES_m发送的可变TT消息。因为交换机S₁对端系统ES₁执行中心 保卫功能(从时刻85到时刻200)，并且端系统ES_m连接的端口对应的所以交换机S₁连接端系统ES_m的开关处于断开状态，因而交换机S₁将不接收端系统 ES_m发送的可变TT消息，保证端系统ES₁的TT流量的可靠传输。交换机S₁保证端 系统ES₁发送固定TT流量期间不会出现其他设备的干扰，从而实现中心保卫功能。

在时，端系统ES₃试图向端系统ES₂发送可变ET消息。 由于此时交换机S₁对端系统ES_m执行中心保卫功能(从时刻400到时刻480)，ES₃连接的端口对应的所以交换机S₁连接端系统ES₃的开关处于断开状态， 而且TT消息的优先级高于ET消息，因而交换机S₁将忽略ES₃发送的ET消息。当 传输保卫窗开启时，交换机S₁保卫端系统ES_m离线调度表中的TT消息的可靠传输， 屏蔽其他设备发出的消息对该TT消息的干扰。

表1CGM模型下的离线调度表

在本发明中，申请时刻的符号记为是指任意一端系统ES_m向传输路径 中的第一个时间触发以太网交换机发送申请数据包的时刻点。

在本发明中，申请-发送时刻的符号记为是指任意一端系统ES_m将可变TT 流量发送到通信物理链路上的时刻点。

在本发明中，申请BE流量的符号记为是指任意一端系统ES_m向传输 路径中第一个时间触发以太网交换机发出申请的BE流量。

在本发明中，确认-申请BE流量的符号记为是指传输路径中执行可 变TT流量仲裁模型AM的时间触发以太网交换机，发回到端系统ES_m的确认信息。 对进行二进制赋值，确认收到允许发送可变TT流量赋值为1，确认收到不 允许发送可变TT流量赋值为0，用数学形式表达为

可变TT流量仲裁模型AM

参见图3所示，在本发明中，当传输路径争用同一条物理链路可变发送TT流量 时，此时时间触发以太网交换机使用本发明设计的可变TT流量仲裁模型AM。执行 可变TT流量仲裁模型AM是在收到确认-申请BE流量时，任意一时间 触发以太网交换机S_n将可变TT流量加入到离线调度表中，并采用来更新最后用更新后的来调度可变TT流量，从而避免 可变产生的TT流量争用同一条物理链路时出现的访问冲突。

当时，端系统ES_m不能在申请-发送时刻经传输路径发送可变 TT流量。

参见图2、图5所示，端系统ES₁、端系统ES₃和端系统ES_m连接在时间触发 以太网交换机S₁上。端系统ES₂和端系统ES₆连接在时间触发以太网交换机S₂上。 端系统ES₄和端系统ES₅连接在时间触发以太网交换机S_n上。

当端系统ES₁(源端系统)向端系统ES₄(目的端系统)发送TT消息所经过的 传输路径为$L_{{\mathrm{ES}}_4}^{{\mathrm{ES}}_1}={\mathrm{ES}}_1\to S_1\to S_2\to S_n\to {\mathrm{ES}}_4.$

当端系统ES_m(源端系统)向端系统ES₂(目的端系统)发送TT消息所经过的 传输路径为$L_{{\mathrm{ES}}_2}^{{\mathrm{ES}}_m}={\mathrm{ES}}_m\to S_1\to S_2\to {\mathrm{ES}}_2.$

当端系统ES₆(源端系统)向端系统ES₅(目的端系统)发送TT消息所经过的 传输路径为$L_{{\mathrm{ES}}_5}^{{\mathrm{ES}}_6}={\mathrm{ES}}_6\to S_2\to S_n\to {\mathrm{ES}}_5.$

在本发明中，任意一时间触发以太网交换机S_n记录与其连接的任意一端系统的 申请-发送时刻即时间触发以太网交换机S₁记录了端系统ES₁需要在申请-发 送时刻经数据传输路径向端系统ES₄发送TT消息。时间触发 以太网交换机S₁记录了端系统ES_m在申请-发送时刻需要经数据 传输路径向端系统ES₂发送TT消息。时间触发以太网交换机S₂记录了端系统 ES₆需要在申请-发送时刻经数据传输路径向端系统ES₅发送 TT消息。经对比数据传输路径和发现彼此存在有重合。

为防止冲突发生，任意一时间触发以太网交换机S_n需要执行本发明设计的可变 TT流量仲裁模型AM。具体处理为：

(A)端系统ES₁在申请时刻(即)到来时，端系统ES₁会 将申请时刻和申请-发送时刻点封装到申请BE流量中，以BE流量 的形式向时间触发以太网交换机S₁发出申请。

(B)端系统ES_m在申请时刻(即)到来时，端系统ES_m会 将申请时刻和申请-发送时刻封装到申请BE流量中，以BE流量 的形式向时间触发以太网交换机S₁发出申请。

(C)由于数据传输路径和数据传输路径 有共同的物理链路，即时间触发以太网交换机S₁和 时间触发以太网交换机S₂，因此时间触发以太网交换机S₁和S₂需要执行可变TT流 量仲裁模型AM。

由于与之间的时刻间隔小于设定的传输保卫窗宽 TGW_min＝90，因此交换机S₁根据端系统ES₁的端系统ES_m的 的时刻来确定申请的优先级。申请时间越早，端系统发送可变TT流量 的优先级越高。由于端系统ES₁的申请时间早于端系统ES_m，因而S₁会按照传输路 径向端系统ES_m发回一个确认-申请BE流量告知端系统ES_m不能发送可变 TT消息，故端系统ES_m不能在时刻经数据传输路径发送可变TT流 量。

(D)交换机之间转发申请BE流量，若端系统ES₁的申请BE流量被交 换机S₁转发到交换机S₂上，由于端系统ES₆在申请时刻向交换机S₂发 出申请BE流量而端系统ES₆的申请-发送时刻因而交换机S₂需 要执行可变TT流量仲裁模型AM。

由于端系统ES₆的早于端系统ES₁的因而交换机S₂将向端系统ES₁发回一个确认-申请BE流量告知端系统ES₁此次申请失败， 故端系统ES₁不能在时刻经数据传输路径发送可变TT流量。

交换机S₂将端系统ES₆的申请BE流量转发到交换机S_n上。由于此时只 剩下ES₆的申请BE流量S_n也是数据传输路径中的最后一级交换机。 此时交换机S_n将向端系统ES₆发回一个确认-申请BE流量告知端系统ES₆ 申请成功，则端系统ES₆将在经数据传输路径向端系统ES₅发送可变 TT消息，并用更新离线调度表中的时刻值；最 后用更新后的来调度可变TT流量，如表2所示，从而避免可变产生的TT流量 争用同一条物理链路时出现的访问冲突。

表2AM模型下的离线调度表

本发明提出了一种嵌入于时间触发以太网交换机的可变时间触发流量仲裁中心 保卫系统，所要解决的是如何提高时间触发以太网在传输TT流量时发生的暂态干扰 与路径访问冲突的技术问题，该系统通过执行计算机程序实现对时间触发以太网在传 输TT流量的控制，利用中心保卫模型CGM和可变TT流量仲裁模型AM的技术手 段，从而实现对时间触发以太网在传输TT流量不受暂态干扰造成的丢包，以及路径 访问冲突发生时的网络拥塞。