一种基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，涉及星载电子设备技术领域，该工具根据待调度网络的输入信息，计算调度周期，任务传输路径和业务时间长度，以网络设备节点接收和发送时刻为优化变量，以最小化网络各时间触发业务的响应时延为优化目标建立优化问题，通过解决问题得到各个网络节点的时间调度表，进而设置调度指令完成调度过程。该工具在满足约束条件的同时优化了星载高可靠时间触发网络的传输性能，保证了星载高可靠时间触发网络的严格时间确定性和网络流量传输高完整性。传输高完整性。传输高完整性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法


[0001]本专利技术涉及星载电子设备
，尤其涉及一种基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，可用于星载高可靠实时网络调度的实现。

技术介绍

[0002]星载电子设备是安装于空间站、人造卫星、航天飞机，用于完成测量、控制、计算、通信等任务的功能性部件。随着我国航天事业的迅速发展，星载设备之间的数据交互需求增大，行业领域对星上信息交换能力提出了更高的要求，多连互通的数据交互方式已成为发展趋势。
[0003]在此背景下，基于星上多平台组建分布式以太网络是解决这些问题的有效途径。传统的以太网适用于事件触发，当不同的数据流在时间上产生重叠就会存在数据传输冲突、时延、排序和可靠交付的问题，这对星上数据传输的实时性和可靠性带来严重的影响。
[0004]由于传统的以太网主要适用于事件触发，无法保证数据的时延和抖动，因此很多基于传统的以太网的研究需要进行实时性改良。在激烈的竞争中，时间触发以太网在工业领域进行了广泛实践，时间触发以太网是一种高实时性、高资源利用率和高容错性的新型实时工控以太网，它继承了传统的以太网传输速率高、应用广泛、共享资源丰富等优点，采用时间触发机制，克服了传统以太网通信时延的“不确定性”的缺点，并增强了通信实时性。同时时间触发以太网有着完备的故障容忍与重构机制，为网络系统的可靠性和安全性提供了保障。时间触发以太网以传统以太网为基础，具有极大的发展潜力，随着以太网的快速发展，可以确定时间触发以太网将会在航空航天领域有着更为广泛的前景。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种用于基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，实现了确定性的网络调度，保证了星载高可靠时间触发网络的无冲突的、确定性的高速网络流量传输方式。
[0006]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术实现：
[0007]本专利技术提供一种基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，步骤如下：
[0008]S1：获取待调度网络的输入信息，其中，所述输入信息包括网络参数和业务参数；
[0009]S2：确定调度时长，其中，确定所述调度时长所需变量包括调度周期、任务传输路径和调度的时间长度；
[0010]S3：生成调度结果，其中，生成所述调度结果过程包括创建约束条件、创建目标函数、构建优化方程求解、生成时间触发网络通信调度表、生成调度指令集。
[0011]进一步地，所述获取网络参数和业务参数，包括网络结构、确定性消息的周期和字节长度特征、各设备的延迟要求以及特殊路径要求在内的所述网络参数和所述业务参数。
[0012]其中，所述网络参数包括链路带宽bw、同步精度sy、端系统最小发送时延Esmin、端系统最大发送时延Esmax、端系统最小接收时延Ermin、端系统最大接收时延Ermax、链路最
小传播时延Lsmin、链路最大传播时延Lsmax、交换机最小接收时延Srmin、交换机最大接收时延Srmax、交换机最小发送时延Ssmin和交换机最大发送时延Ssmax；
[0013]所述业务参数包括业务ID、帧长fl、周期p、目的端系统编号、源端系统编号、产生时间gt、业务传输路径ph。
[0014]进一步地，所述调度周期，包括矩阵周期MC和基本周期BC；
[0015]所述矩阵周期MC即所有时间触发业务周期的最小公倍数，作为所有时间触发业务周期性传输一次所需的总时间；
[0016]所述基本周期BC即所有时间触发业务周期的最大公约数。
[0017]进一步地，所述任务传输路径，为整个网络中发送端到接收端的最短传输路径，采用Dijkstra算法求源点到网络中其它所有节点的最短路径，同时用所述Dijkstra算法维护两个集合，记为A和B，集合A包含的是最短路径树中所有的节点，集合B包含的是其它的节点。算法的每一步都从集合B中选出到源点最短的一个节点，具体的操作如下：
[0018]所述Dijkstra算法的时间复杂度为O(|V|^2)，其中|V|为网络设备的数目。将网络中每个通信链路的权值都看作是1，即看作是一个无权图，求两个设备最短的路径，就是求两个设备之间包含交换机最少的路径。获得了每个消息的最短传输路径之后，执行调度算法在每条通信链路上分配每个消息的传输时隙。
[0019]进一步地，所述调度的时间长度，将所有时间触发业务中端到端时延最长的业务所耗费的时间视为所述调度的时间长度，具体操作如下：
[0020]S21：计算一个集群周期内所有的所述时间触发业务中第一个数据帧的目的端系统的接受时刻的最小值t
rm
，将t
rm
从大到小排序，取其中的最大值作为传输时长t
r
；
[0021]S22：根据传输时长t
r
计算时间触发业务调度的集群周期数目：
[0022]S23：根据矩阵周期MC和时间触发业务调度的集群周期数目N计算所述调度的时间长度T，计算公式为：T＝MCxN；
[0023]所述调度的时间长度即时间触发数据帧从源端系统到目的端系统的时延，包括链路传播时延和设备处理时延，接收设备的接受时刻点就是上一级设备的派发时刻点与上一级设备的发送时延、链路传播时延、所述接收设备接收时延之和，交换机的转发时间等于所述交换机的接收时间点与所述交换机的接收时延，所述交换机的处理时延之和。
[0024]进一步地，所述约束条件，包括所述端系统发送无冲突约束条件D1、所述交换机接收无冲突约束条件D2、所述交换机发送无冲突约束条件D3、所述端系统接收无冲突约束条件D4和传输依赖约束条件D5。
[0025]进一步地，所述端系统发送无冲突约束条件D1，表示同一端节点上无法同时发送两个时间触发消息帧，具体约束公式D1如下：
[0026]k
i
*p
i
+a*BC+eso
i
+fl
i
/bw≤k
j
*p
j
+b*BC+eso
j
，或者k
j
*p
j
+b*BC+eso
j
+fl
j
/bw≤k
i
*p
i
+a*BC+eso
i
；
[0027]其中，i，j分别表示不同的业务编号，a，b分别表示i，j帧发送时刻所在的整合周期编号，k
i
表示时间长度T内第K
i
+1次调动业务i，K
i
取值范围为0～T/p
i
‑
1，p
i
是所述业务i的周期，eso
i
表示所述业务i的发送时刻在BC内的偏移，k
i
*p
i
+a*BC+eso
i
表示调度时长T内所述业务i的第k
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取待调度网络的输入信息，其中，所述输入信息包括网络参数和业务参数；S2：确定调度时长，其中，确定所述调度时长所需的变量包括调度周期、任务传输路径和调度的时间长度；S3：生成调度结果，其中，生成所述调度结果过程包括创建约束条件、创建目标函数、构建优化方程求解、生成时间触发网络通信调度表、生成调度指令集。2.根据权利要求1所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述待调度网络的输入信息，包括网络结构、确定性消息的周期和字节长度特征、各设备的延迟要求以及特殊路径要求在内的所述网络参数和所述业务参数；所述网络参数包括链路带宽bw、同步精度sy、端系统最小发送时延Esmin、端系统最大发送时延Esmax、端系统最小接收时延Ermin、端系统最大接收时延Ermax、链路最小传播时延Lsmin、链路最大传播时延Lsmax、交换机最小接收时延Srmin、交换机最大接收时延Srmax、交换机最小发送时延Ssm in和交换机最大发送时延Ssmax；所述业务参数包括业务ID、帧长fl、周期p、目的端系统编号、源端系统编号、产生时间gt、业务传输路径ph。3.根据权利要求1所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述调度周期，包括矩阵周期MC和基本周期BC；所述矩阵周期MC即所有时间触发业务周期的最小公倍数，作为所有时间触发业务周期性传输一次所需的总时间；所述基本周期BC即所有时间触发业务周期的最大公约数。4.根据权利要求1所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述任务传输路径，为整个网络中发送端到接收端的最短传输路径，采用Dijkstra算法求源点到网络中其它所有节点的最短路径，具体的操作如下：所述Dijkstra算法创建一个以源点为根的最短路径树，同时维护两个合集，分别为所述最短路径树中所有的节点和其它节点，从所述其它节点选出到所述源点最短的一个节点，获得所述最短传输路径后，执行调度算法在每条通信链路上分配每个消息的传输时隙。5.根据权利要求3所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述调度的时间长度即时间触发数据帧从源端系统到目的端系统的时延，包括链路传播时延和设备处理时延，接收设备的接受时刻点就是上一级设备的派发时刻点与上一级设备的发送时延、链路传播时延、所述接收设备接收时延之和，交换机的转发时间等于所述交换机的接收时间点与所述交换机的接收时延，所述交换机的处理时延之和；将所有所述时间触发业务中端到端时延最长的业务所耗费的时间视为所述调度的时间长度，具体操作如下：S21：计算一个集群周期内所有的所述时间触发业务中第一个数据帧的目的端系统的接受时刻的最小值t
rm
，将t
rm
从大到小排序，取其中的最大值作为传输时长t
r
；S22：根据传输时长t
r
计算时间触发业务调度的集群周期数目：S23：根据矩阵周期MC和时间触发业务调度的集群周期数目N计算所述调度的时间长度T，计算公式为：T＝MCxN。
6.根据权利要求1所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述约束条件，包括端系统发送无冲突约束条件D1、交换机接收无冲突约束条件D2、交换机发送无冲突约束条件D3、端系统接收无冲突约束条件D4和传输依赖约束条件D5。7.根据权利要求6所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，所述端系统发送无冲突约束条件D1，表示同一端节点上无法同时发送两个时间触发消息帧，具体约束公式D1如下：k
i
*p
i
+a*BC+eso
i
+fl
i
/bw≤k
j
*p
j
+b*BC+eso
j
，或者k
j
*p
j
+b*BC+eso
j
+fl
j
/bw≤k
i
*p
i
+a*BC+eso
i
；其中，i，j分别表示不同的业务编号，a，b分别表示i，j帧发送时刻所在的整合周期编号，k
i
表示时间长度T内第K
i
+1次调动业务i，K
i
取值范围为0～T/p
i
‑
1，p
i
是所述业务i的周期，eso
i
表示所述业务i的发送时刻在BC内的偏移，k
i
*p
i
+a*BC+eso
i
表示调度时长T内所述业务i的第k
i
+1个数据帧的所述源端系统发送时刻，fl
i
/bw表示当前传输所述业务i的传输时长即当前所述业务i帧长/链路带宽；k
j
表示时间长度T内第K
j
+1次调动业务j，K
j
取值范围为0～T/p
j
‑
1，p
j
是所述业务j的周期，eso
j
表示所述业务j的发送时刻在BC内的偏移，k
j
*p
j
+b*BC+eso
i
表示调度时长T内所述业务j的第k
i
+1个数据帧的所述源端系统发送时刻，fl
j
/bw表示当前传输所述业务j的传输时长即当前所述业务j帧长/链路带宽。8.根据权利要求7所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，所述交换机接收无冲突约束条件D2，表示所述交换机的各个接收端口在一个时刻只能接收一个时间触发数据帧，即只有当一个所述数据帧成功接收后，所述交换机的该端口才可以接收下一个所述时间触发数据帧，具体的约束公式D2为：k
i
xp
i
+arxBC+sro
i
+rl
i
≤k
j
xp
j
+brxBC+sro
j
+rl
j
，或者k
j
xp
j
+brxBC+sro
j
+rl
j≤
k
i
xp
i
+arxBC+sro
i
+rl
i
；其中，i，j分别表示不同的业务编号，ar，br分别表示i，j帧接收时刻所在的整合周期编号，k
i
表示时间长度T内第K
i
+1次调动所述业务i，K
i
取值范围为0～T/p
i
‑
1，p
i
是所述业务i的周期，sro
i
表示所述业务i的发送时刻在BC内的偏移，k
i
xp
i
+arxBC+sro
i
表示调度时长T内所述业务i的第K
i
+1个数据帧的链路上的接收时刻，rl
i
表示接收窗口长度；k
j
表示时间长度T内第K
j
+1次调动所述业务j，K
j
取值范围为0～T/p
j
‑
1，p
j
是所述业务j的周期，sro
j
表示所述业务j的发送时刻在BC内的偏移，k
j
xp
j
+brxBC+sro
i
表示调度时长T内所述业务j的第K
j
+1个数据帧的链路上的接收时刻，rl
j
表示接收窗口长度。9.根据权利要求8所述的基于星载时间触发的任务规划工具的设计方法，其特征在于，所述交换机发送无冲突约束条件D3，表示所述交换机的各个发送端口在一个时刻只能发送一个所述数据帧，即只有当一个所述数据帧成功发送后，所述交换机的该端口才可以发送下一个所述数据帧，具体的约束公式D3为：k
i
*p
i
+as*BC+sso
i
+fl
i
/bw≤k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯博瑞，双小川，程利甫，陈克寒，朱凯，
申请(专利权)人：上海航天计算机技术研究所，
类型：发明
国别省市：