一种基于网络演算的VOQ交换机通信确定性分析方法

技术领域

本发明属于分布式实时系统中高速时间触发网络的通信技术领域，尤其涉及一种基于网络演算的VOQ交换机通信确定性分析方法。

背景技术

与传统事件触发网络相比，时间触发网络(TT网络)具有良好的通信确定性，可满足实时系统硬实时通信的需要，在航空航天、高速铁路、汽车电子等实时系统中具有广阔的应用空间。时间触发网络通常都要求同时支持时间触发消息和事件触发消息的传输，以同时满足强实时数据和一般实时数据混合传输的需要。不管是强实时数据还是一般实时数据通信，都需要在规定的时间范围内完成数据通信，实现确定性通信。高速时间触发网络交换机通常采用VOQ(虚拟输出队列)机制进行通信调度，在VOQ交换机中需要同时支持时间触发消息与率限制事件触发消息的混合调度。时间触发消息(简称TT消息)基于全局时间进行通信，率限制事件触发消息(简称RC消息)保证消息在一个消息周期内得到传输。

VOQ交换机的存储器带宽只与端口速率有关，与交换机的端口数无关，适合高密度高速交换机研制，满足了吉比特高速交换网络的通信需要，VOQ交换机在高速交换网络中得到了广泛的应用。但VOQ交换机的消息队列在输入端口中，数据交换延迟会受到其它端口负载的影响，导致消息传输延迟与实际负载有关，具有不确定性，影响VOQ交换机在航空电子等实时系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供时间触发网络中VOQ交换机的通信确定性分析方法，支持交换机通信延迟确定性分析，来满足时间触发网络应用范围不断增加的需要。

本发明的技术方案：

一种基于网络演算的VOQ交换机通信确定性分析方法，所述方法包括：

定义通信确定性分析模型：所述通信确定性分析模型包含TT消息确定性分析模型和RC消息确定性分析模型；

所述TT消息确定性分析模型定义为：针对VOQ交换机中的TT消息，按照通信配置表中的接收窗口和发送窗口进行确定性分析；

所述RC消息确定性分析模型定义为：针对VOQ交换机中的RC消息，按照通信配置表中的发送周期，并采用网络演算方法进行确定性分析。

进一步的，TT消息的优先级高于RC消息的优先级，TT消息的确定性分析会影响RC消息的确定性分析，而RC消息的确定性分析不会影响TT消息的确定性分析。

进一步的，VOQ交换机中的TT消息，其最大时延为接收窗口开始时间与发送窗口开始时间的最大间隔。

进一步的，VOQ交换机中的RC消息，其确定性分析过程为：

S1，确定RC消息的到达曲线；

S2，确定RC消息的服务曲线；

S3，确定RC消息的技术时延；

S4，根据所述RC消息的达到曲线、服务曲线以及技术时延，得到RC消息延迟。

进一步的，S1具体为：

RC消息的到达曲线公式为：

其中：

进一步的，S2具体为：

若VOQ交换机有N个输入端口，当前输入端口接收发往同一输出端口的流包括M个TT消息、K个RC消息，输出端口总速率为C，服务曲线公式为：

其中：C

其中，

进一步的，S3具体为：到达曲线和服务曲线的最大横向距离

进一步的，S4具体为：

第i个RC消息RC

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D

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本发明的有益效果为：本发明通过VOQ交换机通信消息的确定性分析，为高速VOQ交换机在航空电子等实时系统中的应用建立了技术基础。分析的消息包括TT消息和RC消息，既能满足强实时通信任务分析的需要，也能满足一般实时通信任务确定性分析的需要。

附图说明

图1为时间触发网络交换机传输模型的实施例示意图；

图2为本发明的基于网络演算的延迟分析模型定义；

图3为本发明确定性分析方法的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

在实际应用中，强实时消息通信任务对实时传输要求很高，可采用时间触发机制进行通信，而一般实时通信任务对实时性要求相对弱一些，可采用事件触发方式进行通信，根据实时系统通信任务的这一特点，本发明通过定义基于网络演算的VOQ交换机通信确定性分析模型，来实现本发明的目的。其中通信确定性分析模型包括TT消息确定性分析模型和RC消息确定性分析模型。强实时通信任务生成的TT消息按照通信配置表定义的接收时间窗口，进入TT消息确定性分析模型，模型根据配置表定义的接收时间窗口和发送时间窗口进行消息确定性分析。一般实时通信任务生成的RC消息则按照配置表定义的发送周期进入RC消息确定性分析模型，模型采用网络演算的方法，对消息进行确定性分析。

通信确定性分析模型实现特征如下：

A针对VOQ交换机中的TT消息，严格按照接收时间窗口和发送时间窗口进行分析，RC消息不会影响TT消息的分析过程。

B针对VOQ交换机中定义的RC消息，采用网络演算方法进行分析，如图2所示。TT消息优先级高于RC消息，会影响RC消息的分析过程。

服务器采用离线方式，依据本发明的确定性分析模型，对输入的通信任务进行分析，形成消息的最坏传输延迟。时间触发网络通信设备(包括节点机和交换机)需要严格依据通信配置表进行数据收发。

以下段落以可能的例子显示该发明方法的实施例，在该例子中交换机定义了3个通信端口。通信端口0连接了一台离线计算的服务器节点，在交换机运行之前，服务器节点依据确定性分析模型采用离线方式来对消息进行确定性分析，完成分析的配置加载到交换机中。服务器节点通过管理口与交换机连接，不参与时间触发通信。交换机定义的通信端口1和通信端口2，可连接到两个节点机，构成网络系统。

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

图1显示了交换机1组成示意图。该交换机包括3个通信端口，通信端口0为管理端口，连接到服务器，用于通信配置表加载。服务器中经过确定性分析的通信配置表通过通信端口0加载到交换机中。输入端口1和输出端口1构成通信端口1，输入端口2和输出端口2构成通信端口2。

强实时通信任务发送的TT消息若早于配置表配置的时间到达交换机端口，则需要进行缓冲，形成TT队列，直至到达配置表规定的时刻进行数据通信。对于在通信中出现的不符合配置表配置要求的TT数据处理方式则可以有多种，可以丢弃，也可以延迟发送。一般实时通信任务发送的RC消息进入交换机端口，也需要进行缓冲，形成RC队列。交换机按照通信调度算法进行通信调度。

按照VOQ交换机的设计，输入端口具有VOQ队列，用于分别存储到达各个输出端口的队列。针对TT与RC消息，在输入端口中针对每一个输出端口，都分别形成TT队列和RC队列。例如在图1中，端口1包括四个队列，分别为到达输出端口1的TT和RC队列及到达输出端口2的TT和RC队列。

在图1中，输入端口1发送到输出端口1的TT队列中包括TT消息M11，RC队列中包括RC消息M12和M13；输入端口1发送到输出端口2的TT队列中包括TT消息M14，RC队列中包括RC消息M15和M16；输入端口2发送到输出端口1的TT队列中包括TT消息M21，RC队列中包括RC消息M22和M23；输入端口2发送到输出端口2的TT队列中包括TT消息M24，RC队列中包括RC消息M25和M26。

TT消息M11、M14、M21、M24按照配置表定义的接收时间窗口到达。TT数据由于TT数据传输都依据配置表来驱动，所以交换机在数据交换过程中没有通信冲突，保证了实时数据的传输。M11、M14、M21、M24消息传输时刻相互不冲突。

RC消息M12、M13、M15、M16、M22、M23、M25、M26按照配置表定义的周期到达。RC消息传输时，若与TT冲突，则数据需缓冲，直至没有冲突为止，RC消息M12/M13、M15/M16、M22/M23、M25/M26消息在与TT消息M11、M14、M21、M24传输冲突时，则在队列中缓冲等待，保证TT消息的优先传输，在链路空闲时转发数据。

通信确定性分析模型包括TT消息确定性分析模型和RC消息确定性分析模型。

TT消息确定性分析模型的定义：在交换机中的TT数据帧在一个基本周期内，配置接收窗口时间间隔以及发送窗口时间间隔。交换机仅在窗口时间内提供TT数据帧的接收或发送处理。最大时延为接收窗口开始时间与发送窗口开始时间的最大间隔：

其中：T

在上述A中，TT消息分析严格按照时间窗口进行分析，RC消息不会影响TT消息的确定性分析。

在上述B中，RC消息采用网络演算方法进行分析，TT消息优先级高于RC消息，会影响RC消息的分析。图2为VOQ交换机RC消息分析模型的定义。

在交换机中RC流量转发不需要严格保证发送时刻，是一种拥有优先级的持续发送数据流，其优先级低于TT，并在输入端口的VOQ中进行排队，在输出端口不需要排队。由于交换机在转发数据帧时会轮询检测输入端口和输出端口是否空闲，只有端口空闲后才能处理消息的转发，因此考虑在最坏情况下，交换机其他所有输入端口的数据帧可能会对目标流造成一个空闲等待的技术延时，该延时需要叠加到目标流服务曲线公式中。

由于RC帧到达速率为经过流量整形所约束，RC数据流的到达曲线公式为：

其中：

在获取服务曲线时，低优先级通信流可获得的服务速率受限于高优先级通信流，若交换机有N个输入端口，当前输入端口接收发往同一输出端口的流包括M个TT消息流、K个RC消息流，以γ

其中：

C

表示非/>

B

表示非RC

根据到达曲线和服务曲线的最大横向距离

D

D

RC消息延迟D

图3为本发明基于网络演算的VOQ交换机通信确定性分析工具的实施例，具体流程如下：

1)首先进行初始化。导入ICD(接口控制文档)文件，确定交换机通信消息参数的完整性，包括消息ID号、消息周期、消息类型、消息延迟约束等；导入通信配置表，确定消息配置的完整性。

2)初始化完成后，检查所有消息参数及配置参数，分析TT消息时间窗口是否冲突。每一条TT消息和RC消息在配置文件中都是否有配置定义。若参数检查失败，则分析流程结束，否则执行步骤3。

3)针对VOQ交换机，建立交换机传输模型，包括VOQ交换机的TT消息队列和RC消息队列。

4)建立确定性分析模型，开展通信确定性分析：

针对TT消息，形成TT消息确定性分析模型，并计算每一条TT消息的延迟。

针对RC消息，形成RC消息确定性分析模型，包括每一条消息的到达曲线和服务曲线，计算出RC消息服务延迟。根据分析模型，结合VOQ空闲等待技术时延，计算RC消息延迟。

5)确定所有计算的消息延迟是否满足通信延迟约束需求，若不满足，则显示不满足的消息信息，否则表示所有消息的通信延迟满足需求，分析过程结束。

VOQ交换机在高速交换网络中得到了广泛的应用。VOQ交换机的消息队列在输入端口中，消息传输延迟与实际负载相关，导致通信延迟的不确定性，影响VOQ交换机在航空电子等实时系统中的应用。本发明通过基于网络演算的VOQ交换机通信确定性分析，为高速VOQ交换机在航空电子等实时系统中的应用建立了技术基础。分析的消息包括TT消息和RC消息，既能满足强实时通信消息确定性分析的需要，也能满足一般实时消息确定性分析的需要。

本发明的目的是提供时间触发网络中VOQ交换机的通信确定性分析方法及分析工具，支持交换机通信延迟确定性分析，来满足时间触发网络应用范围不断增加的需要。项目成果也适用于基于VOQ交换机的事件触发网络确定性分析。本发明通过网络演算的方法，来开展VOQ交换机的通信确定性分析，来实现本发明的目的。其中针对VOQ交换机中的TT消息，严格按照时间窗口进行分析，RC消息不会影响TT消息的分析。针对VOQ交换机中定义的RC消息，采用网络演算方法进行分析，TT消息优先级高于RC消息，会影响RC消息的分析。本发明的上述具体实施例仅代表本发明很多实施的可能性中的一种。本发明也可以与其它确定性分析方法配合使用。