CN102497310B - Afdx交换机级联端口的业务流整形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种AFDX交换机级联端口的业务流整形方法及装置，主要解决现有技术的分组的交换时延抖动较大以及高优先级分组无法准时发送的问题，便于系统级联。其方法步骤包括：(1)提取分组调度信息；(2)提取时间注册表信息；(3)接收调度分组；(4)选择排序；(5)更新时间标签；(6)发送调度分组；(7)更新时间注册表。其设备包括：输入缓存模块、接收调度模块、时间注册表模块、分组信息存储区模块、时间标签模块、输出队列模块、发送调度模块和输出缓存模块。本发明具有能够保证分组时延抖动的确定性，有效的减少分组转发的时延抖动和能够保证高优先级分组准时发送的优点，适用于AFDX交换机的流量整形方面。

Description

AFDX交换机级联端口的业务流整形方法及装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及航空全双工以太网(Avionics Full DuplexSwitched Ethernet，AFDX)交换机级联端口的业务流整形方法及装置。本发明可用于流量整形方面，能够在系统允许的延时范围内，减少分组交换引入的时延抖动以及保证高优先级分组准时发送，便于系统级联。

背景技术

在分组数据交换机中，交换时延和时延抖动通常都需要被控制到一定的数值之下，以满足用户业务的较高要求。在一些特殊应用中，分组经由交换机转发所引入的时延抖动不但要求尽可能小，而且还必须具有确定性。随着航空航天技术的发展，飞机、航天器等飞行器中会使用数据交换机来逐步取代目前使用的专线连接，其典型代表为AFDX。由于所处的环境和应用领域的特殊，AFDX对数据通过交换机后引入的时延抖动有严格限制。

西北工业大学在提出的专利申请“一种航空电子全双工交换式以太网交换机调度方法”(申请日：2011.05.12，申请号：201110123250.0，公告号：CN102201988A)中公开了一种航空电子全双工交换式以太网交换机调度方法，用于解决高优先级消息的延迟时间。该方法的实施步骤是：第一，源端系统将要发送的消息封装成标准的以太网帧格式，发送到虚链路上等待传输；第二，将步骤一得到的消息传输到AFDX的交换网络后，AFDX交换机对到来的消息进行过滤，若不满足AFDX帧要求则丢弃，满足要求继续下一步；第三，根据路由配置表，将接受的消息发送到AFDX交换机的输出缓存区；第四，为将要发送的消息建立一个虚拟的输出队列，排队等待转发；第五，计算每一条虚拟输出队列中的消息的紧迫程度，并根据消息进入队列时的截止时间对消息设置初始优先级，具体包括以下步骤：a)在每一个虚拟输出链路中，设置一个技术其，计算每一个进入虚拟输出队列的消息的截止时间di(t)-t，其中di(t)为该消息的任务时限，由发送消息的源端系统决定，t为当前时间；b)比较当前队列中个消息的截止时间大小，对新消息设置初始优先级，截止时间越小的消息初始优先级越高；第六，若当前进入虚拟输出队列的消息的截止时间最短，则初始优先级最高，则转发此消息到物理端口，完成对消息的转发了，若当前进入虚拟输出链路的消息截止时间不是最短，即初始优先级较低，则进入下一步；第七，消息在虚拟输出链路中继续等待，并每隔一个指定的时间段后，对虚拟输出链路中的所有的消息优先级加一，每次选择优先级最高的消息发送；第八，每当虚拟输出队列有新消息到来时，进入步骤五。该方法能够有效地减少高优先级分组的时延。

该方法的不足之处在于，它没有考虑在大业务量负荷条件下，分组的交换时延可能较大的问题，这可能导致实时要求比较高的分组的时延过大；它没有在分组转发的过程中，引入预计发送时间的概念，这可能导致交换机转发分组的时延抖动较大的问题；分组优先级的确定方式是依据分组进入虚拟输出队列的截止时间而定的，而与业务流的实时性无关，当实时分组晚于非实时分组到达AFDX交换机时，可能会导致实时分组的优先级降低，进而无法保证实时性；它提到的调度方法中没有作整形处理，没有协调高、低优先级分组的输出调度，只是尽可能的减少高优先级分组的转发时延，这会无法满足AFDX分组发送到达时间确定性的要求。因此，从本质上看，该方法减少了高优先级分组的延迟时间，但总体上不能提高AFDX交换机的性能。

中国航空无线电电子研究所提出的专利申请“航空全双工交换式以太网终端的无抖动发送调度方法”(申请日：2010.10.09，申请号：201010501532.5，公告号：CN101964750A)中公开了航空全双工交换式以太网终端的无抖动发送调度方法，该方法在带宽分配间隔(Bandwidth Allocation Gap，BAG)和抖动的基础上，提出了周期和偏移两个参数，通过这两个参数将时间轴划分为若干时隙，再将不同的时隙分配给每一条虚拟链路，而且这些时隙的分配在满足各条虚拟链路BAG要求的同时也避免了多条虚拟链路数据在时间轴上的冲突。这样每条虚拟链路就可以按照分配的时隙发送数据帧，实现帧的无抖动传输。该方法能够在保证BAG和发送带宽的情况下，避免任意两条虚链路同时被调度发送，从而能够降低分组转发过程中的时延抖动。

该方法的不足之处在于，该发送调度方法会在源端引入较大的等待时延，待发送的数据分组需要等待其虚链路计数器超时才能发送，这可能会给实时分组引入过大的时延。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种AFDX交换机级联端口的业务流整形方法及装置，可以用于流量整形方面，能够在协议允许的时延范围内最大程度减少数据分组的时延抖动。

为了实现上述目的，本发明方法的思路是：它采用一种时间注册和预约发送的方法，根据分组的实际发送时间和带宽分配间隔，预约后继分组发送的时间；根据时间注册表，控制分组在预计发送时间之前发送到输出队列，从而在系统允许的延时范围内，消除分组交换引入的时延抖动，保证高优先级分组准时发送，便于系统级联。

本发明的装置包括八个模块：输入缓存模块，接收调度模块，时间注册表模块，分组信息存储区模块，时间标签模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块；其中：输入缓存模块，用于接收并缓存数据分组，为接收调度提供分组调度信息；接收调度模块，用于轮询输入端口分组，根据分组的调度信息作接收调度；时间注册表模块，用于为每条虚链路上的分组估算合适的预计发送时间和允许发送抖动量；分组信息存储区模块，用于将满足发送提前量要求和预计发送时间最小的分组筛选出来，向输出队列模块提供筛选通过的分组；时间标签模块，用于管理分组进入输出队列模块，保证高优先级分组准时发送；输出队列模块，用于缓存即将被发送调度的分组；发送调度模块，用于对高优先级和低优先级分组采用基于虚拟时钟的非抢占式优先级排队策略作发送调度，记录分组的实际发送时间；输出缓存模块，用于缓存发送调度模块发送的分组，向输出端口发送该分组。

本发明方法的实现步骤如下：

(1)输入缓存模块接收数据分组并提取分组调度信息；

(2)提取时间注册表信息

2a)提取时间注册表模块中的预计发送时间；

2b)判断分组的预计发送时间与数据分组的到达时间之差是否大于延时阈值，若大于，则执行步骤2c)；否则，将预计发送时间和允许发送抖动量添加到数据分组，执行步骤(3)；

2c)比较预计发送时间和最大的发送提前量之差与预计发送时间和发送允许抖动量之差的大小，将得到的较大值作为调整后的预计发送时间；比较发送抖动量和最大的发送提前量之差与零的大小，将得到的较大值作为调整后的允许发送抖动量；将调整后的预计发送时间和允许发送抖动量添加到数据分组，执行步骤(3)；

(3)接收调度分组

接收调度模块按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则按照步骤(1)中的分组调度信息作接收调度，将发往级联端口的数据分组送入分组信息存储区模块，同时将发往非级联端口的数据分组送入输出队列模块；

(4)选择排序

4a)将数据分组写入先入先出寄存器中；

4b)将数据分组依次从先入先出寄存器中读出，并写入双口随机存取存储器；

4c)根据步骤(2)提供的预计发送时间和允许发送抖动量，检查双口随机存取存储器中分组的预计发送时间与当前时间标签值之差是否小于提前量阈值，若是，则按照预计发送时间从小到大排序，输出预计发送时间最小的数据分组到输出队列模块，其余的数据分组继续存储在双口随机存取存储器中，等待与下一个数据分组作选择排序，执行步骤(5)；否则，执行步骤4a)；

(5)更新时间标签

5a)判断输出队列模块中是否存在高优先级分组，若存在，则更新时间标签值为高优先级队列队尾分组的最后一个比特离开输出队列的时间，执行步骤(6)；否则，执行步骤5b)；

5b)判断输出队列模块中是否存在低优先级分组，若存在，则等待虚拟时钟计数到时间标签值，此时更新时间标签值为低优先级队列队尾分组的最后一个比特离开输出队列的时间，执行步骤(6)；否则，等待分组进入输出队列模块；

(6)发送调度分组

根据步骤(1)中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤(5)提供的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块，并记录分组的实际发送时间，执行步骤(7)；

(7)更新时间注册表

根据步骤(6)提供的分组实际发送时间和系统预设的带宽分配间隔，将预计发送时间调整为该虚链路上的分组实际发送时间与带宽分配间隔之和；比较系统设置的最大允许发送抖动量与上一个分组的允许发送抖动量加实际发送抖动量之和的大小，将得到的较小值作为调整后的允许发送抖动量，将调整后的预计发送时间和允许发送抖动量写入更新时间注册表模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明使用预计发送时间和分组到达时间估计分组的交换时延，并提前发送超过交换时延阈值的分组，克服了现有技术存在的分组在交换机内过大的时延抖动问题，使得本发明能够保证分组时延抖动的确定性，提高了AFDX交换机的时延性能。

第二，由于本发明采用时间标签管理分组进入输出队列的时间，克服了现有技术存在的分组实际发送时间和预计发送时间相差较大的问题，使得本发明能够有效的减少分组转发的时延抖动。

第三，由于本发明采用基于虚拟时钟的非抢占式优先级排队策略和最小预计发送时间筛选的方法，使得本发明能够克服低优先级分组对高优先级分组引入较大时延的问题，从而最大程度上地减小高优先级分组的时延抖动，保证高优先级分组准时发送。

附图说明

图1为本发明装置的方框图；

图2为本发明方法的流程图；

具体实施方式

下面结合附图1，附图2，对本发明作进一步描述：

参考附图1，本发明的装置包括八个模块：输入缓存模块，接收调度模块，时间注册表模块，分组信息存储区模块，时间标签模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块。

输入缓存模块，用于接收并缓存数据分组，为接收调度提供分组调度信息，其中分组调度信息包括：目的端口、优先级、多播/单播以及长度等等，数据分组进入输入缓存模块，输入缓存模块会将分组缓存在输入缓存中，同时从分组中提取出有用的分组调度信息，接收调度模块轮询输入缓存模块，若输入缓存非空，则将分组和调度信息送入接收调度模块，若输入缓存为空，则不向接收调度模块发送信息。

接收调度模块，用于轮询输入端口分组，根据分组的调度信息作接收调度；分组进入接收调度模块，接收调度模块会根据调度信息判断该分组是否发往级联端口，若不是级联端口的分组，则该分组将不做业务流整形，而直接为其选择输出端口，并发往输出队列，用于发送调度模块调度并输出；若是级联端口的分组，则接收调度模块会根据调度信息为其选择相应的级联端口，并根据时间注册表中的预计发送时间和允许的发送抖动量为其预约发送时间和设置允许抖动量，之后将该分组发往信息存储区单元。

时间注册表模块，用于为每条虚链路上的分组估算合适的预计发送时间和允许发送抖动量；根据当前虚拟时钟值和预计发送时间估计交换时延，超过阈值80us的分组需要调整到在预计发送时间之前发送。时间注册表表项包括预计发送时间、允许的发送抖动量、带宽分配间隔、最大允许发送抖动量，如下表：

表中，带宽分配间隔、最大允许发送抖动量，用于快速更新预计发送时间和预计发送抖动量。

分组信息存储区模块，用于将满足发送提前量要求和预计发送时间最小的分组筛选出来，向输出队列模块提供筛选通过的分组，同时根据时间标签模块提供的输出队列队尾分组发送完毕的时间，动态更新允许的发送提前量。该模块包括先入先出寄存器和双口随机存取存储器，先入先出寄存器，用于缓存接收调度模块发送的分组和双口随机存取存储器筛选未通过的分组，避免两者在双口随机存取存储器入口冲突，双口随机存取存储器，用于对输入的分组进行选择排序，并向输出队列模块输出通过筛选的分组。

时间标签模块，用于管理分组进入输出队列模块，保证高优先级分组准时发送。

输出队列模块，用于缓存即将被发送调度的分组，该模块包括高优先级输出队列和低优先级输出队列，分组由分组信息存储区或接收调度模块送到特定的输出队列中，输出队列模块向时间标签模块报告分组进入输出队列的时间，从而动态更新时间，用于管理分组进入输出队列模块的时间，尤其是为了保证高优先级分组的准时发送。

发送调度模块，用于对高优先级和低优先级分组采用基于虚拟时钟的非抢占式优先级排队策略作发送调度，记录分组的实际发送时间。

输出缓存模块，用于缓存发送调度模块发送的分组，向输出端口发送该分组。

参照附图2，对本发明的实现方法作进一步描述。

步骤1，输入缓存模块接收数据分组并提取分组调度信息；

若有分组需要发送，则将其依次缓存在输入缓存中，并提取分组的调度信息，主要包括：目的端口、优先级、多播/单播以及长度，等待接收调度模块的调度。

步骤2，提取时间注册表信息

首先，提取时间注册表模块中的预计发送时间；

其次，判断分组的预计发送时间与数据分组的到达时间之差是否大于延时阈值80us；

若大于，比较预计发送时间和最大的发送提前量10us之差与预计发送时间和发送允许抖动量之差的大小，将得到的较大值作为调整后的预计发送时间；比较发送抖动量和最大的发送提前量10us之差与零的大小，将得到的较大值作为调整后的允许发送抖动量；将调整后的预计发送时间和允许发送抖动量添加到数据分组，执行步骤3；否则，将预计发送时间和允许发送抖动量添加到数据分组，执行步骤3。

步骤3，接收调度分组

接收调度模块按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则按照步骤1中的分组调度信息作接收调度，将发往级联端口的数据分组送入分组信息存储区模块，同时将发往非级联端口的数据分组送入输出队列模块。

步骤4，选择排序

首先，将数据分组写入先入先出寄存器中；

其次，将数据分组依次从先入先出寄存器中读出，并写入双口随机存取存储器；

最后，根据步骤2提供的预计发送时间和允许发送抖动量，检查双口随机存取存储器中分组的预计发送时间与当前时间标签值之差是否小于提前量阈值，其中，提前量阈值为允许发送抖动量和最大的发送提前量10us的较小值；

若是，则按照预计发送时间从小到大排序，输出预计发送时间最小的数据分组到输出队列模块，其余的数据分组继续存储在双口随机存取存储器中，等待与下一个数据分组作选择排序，执行步骤5；否则，将未筛选通过的分组重新送入先入先出寄存器。

步骤5，更新时间标签

判断输出队列模块中是否存在高优先级分组，若存在，则更新时间标签值为高优先级队列队尾分组的最后一个比特离开输出队列的时间，执行步骤6；

否则，判断输出队列模块中是否存在低优先级分组，若存在，则等待虚拟时钟计数到时间标签值，此时更新时间标签值为低优先级队列队尾分组的最后一个比特离开输出队列的时间，执行步骤6；否则，等待分组进入输出队列模块。

步骤6，发送调度分组

根据步骤1中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤5提供的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块，并记录分组的实际发送时间，其中，发送调度策略指，发送调度模块优先调度高优先级分组，其次再调度低优先级分组，在同一优先级的分组，优先发送预计发送时间最小的分组，当低优先级分组正在被调度时，高优先级分组不打断低优先级分组的调度过程；执行步骤7。

步骤7，更新时间注册表

根据步骤6提供的分组实际发送时间和系统预设的带宽分配间隔，将预计发送时间调整为该虚链路上的分组实际发送时间与带宽分配间隔之和；比较系统设置的最大允许发送抖动量与上一个分组的允许发送抖动量加实际发送抖动量之和的大小，将得到的较小值作为调整后的允许发送抖动量，将调整后的预计发送时间和允许发送抖动量写入更新时间注册表模块。

Claims (5)

1.航空全双工以太网AFDX交换机级联端口的业务流整形装置，包括八个模块：输入缓存模块，接收调度模块，时间注册表模块，分组信息存储区模块，时间标签模块，输出队列模块，发送调度模块，输出缓存模块；其中：

所述输入缓存模块，用于接收并缓存数据分组，为接收调度提供分组调度信息，其中分组调度信息包括：目的端口、优先级、多播/单播以及长度；数据分组进入输入缓存模块，输入缓存模块会将分组缓存在输入缓存中，同时从分组中提取出有用的分组调度信息，接收调度模块轮询输入缓存模块，若输入缓存非空，则将分组和调度信息送入接收调度模块，若输入缓存为空，则不向接收调度模块发送信息；

所述接收调度模块，用于轮询输入端口分组，根据分组的调度信息作接收调度；分组进入接收调度模块，接收调度模块会根据调度信息判断该分组是否发往级联端口，若不是级联端口的分组，则该分组将不做业务流整形，而直接为其选择输出端口，并发往输出队列，用于发送调度模块调度并输出；若是级联端口的分组，则接收调度模块会根据调度信息为其选择相应的级联端口，并根据时间注册表中的预计发送时间和允许的发送抖动量为其预约发送时间和设置允许抖动量，之后将该分组发往分组信息存储区模块；

所述时间注册表模块，用于为每条虚链路上的分组估算合适的预计发送时间和允许发送抖动量；根据当前虚拟时钟值和预计发送时间估计交换时延，超过阈值80us的分组需要调整到在预计发送时间之前发送；时间注册表表项包括预计发送时间、允许的发送抖动量、带宽分配间隔、最大允许发送抖动量；

所述分组信息存储区模块，用于将满足发送提前量要求和预计发送时间最小的分组筛选出来，向输出队列模块提供筛选通过的分组，同时根据时间标签模块提供的输出队列队尾分组发送完毕的时间，动态更新允许的发送提前量；

所述时间标签模块，用于管理分组进入输出队列模块，保证高优先级分组准时发送；

所述输出队列模块，用于缓存即将被发送调度的分组；该模块包括高优先级输出队列和低优先级输出队列，分组由分组信息存储区模块或接收调度模块送到特定的输出队列中，输出队列模块向时间标签模块报告分组进入输出队列的时间，从而动态更新时间，用于管理分组进入输出队列模块的时间；

所述发送调度模块，用于对高优先级和低优先级分组采用基于虚拟时钟的非抢占式优先级排队策略作发送调度，记录分组的实际发送时间；

所述输出缓存模块，用于缓存发送调度模块发送的分组，向输出端口发送该分组。

2.根据权利要求1所述的AFDX交换机级联端口的业务流整形装置，其特征在于，所述分组信息存储区模块包括先入先出寄存器和双口随机存取存储器。

3.根据权利要求1所述的AFDX交换机级联端口的业务流整形装置，其特征在于，所述输出队列模块包括高优先级寄存器和低优先级寄存器。

4.航空全双工以太网AFDX交换机级联端口的业务流整形方法，包括如下步骤：

(1)输入缓存模块接收数据分组并提取分组调度信息；所述分组调度信息包括目的端口、优先级、多播/单播以及长度；

(2)提取时间注册表信息

2a)提取时间注册表模块中的预计发送时间；

2b)判断分组的预计发送时间与数据分组的到达时间之差是否大于延时阈值，若大于，则执行步骤2c)；否则，将预计发送时间和允许发送抖动量添加到数据分组，执行步骤(3)；

2c)比较预计发送时间和最大的发送提前量之差与预计发送时间和发送允许抖动量之差的大小，将得到的较大值作为调整后的预计发送时间；比较发送抖动量和最大的发送提前量之差与零的大小，将得到的较大值作为调整后的允许发送抖动量；将调整后的预计发送时间和允许发送抖动量添加到数据分组，执行步骤(3)；

(3)接收调度分组

接收调度模块按照令牌轮询算法的公平轮询策略，轮询输入缓存模块，若输入缓存模块中存在数据分组等待发送，则按照步骤(1)中的分组调度信息作接收调度，将发往级联端口的数据分组送入分组信息存储区模块，同时将发往非级联端口的数据分组送入输出队列模块；

(4)选择排序

4a)将数据分组写入先入先出寄存器中；

4b)将数据分组依次从先入先出寄存器中读出，并写入双口随机存取存储器；

4c)根据步骤(2)提供的预计发送时间和允许发送抖动量，检查双口随机存取存储器中分组的预计发送时间与当前时间标签值之差是否小于提前量阈值，若是，则按照预计发送时间从小到大排序，输出预计发送时间最小的数据分组到输出队列模块，其余的数据分组继续存储在双口随机存取存储器中，等待与下一个数据分组作选择排序，执行步骤(5)；否则，执行步骤4a)；其中，所述提前量阈值为允许发送抖动量和最大的发送提前量中的较小值；

(5)更新时间标签

5a)判断输出队列模块中是否存在高优先级分组，若存在，则更新时间标签值为高优先级队列队尾分组的最后一个比特离开输出队列的时间，执行步骤(6)；否则，执行步骤5b)；

5b)判断输出队列模块中是否存在低优先级分组，若存在，则等待虚拟时钟计数到时间标签值，此时更新时间标签值为低优先级队列队尾分组的最后一个比特离开输出队列的时间，执行步骤(6)；否则，等待分组进入输出队列模块；

(6)发送调度分组

根据步骤(1)中提供的分组调度信息，采取相应的发送调度策略，将步骤(5)提供的高、低优先级数据分组发送调度到相应的输出缓存模块，并记录分组的实际发送时间，执行步骤(7)；

所述发送调度策略为发送调度模块优先调度高优先级分组，其次再调度低优先级分组，在同一优先级的分组，优先发送预计发送时间最小的分组，当低优先级分组正在被调度时，高优先级分组不打断低优先级分组的调度过程；

(7)更新时间注册表

根据步骤(6)提供的分组实际发送时间和系统预设的带宽分配间隔，将预计发送时间调整为虚链路上的分组实际发送时间与带宽分配间隔之和；比较系统设置的最大允许发送抖动量与上一个分组的允许发送抖动量加实际发送抖动量之和的大小，将得到的较小值作为调整后的允许发送抖动量，将调整后的预计发送时间和允许发送抖动量写入更新时间注册表模块。

5.根据权利要求4所述的AFDX交换机级联端口的业务流整形方法，其特征在于，步骤2b)所述延时阈值的范围为50～100us，步骤2c)所述最大的发送提前量的范围为0～50us。