一种实时保证的交换式互连缓冲容量确定方法技术

本发明专利技术一种实时保证的交换式互连缓冲容量确定方法，针对目前在强实时保证下ＡＦＤＸ交换机的缓冲容量确定技术欠缺的情况，通过建立消息模型和交换机队列等效结构模型、分组调度和缓冲模型、消息实时调度条件，并确定关键参数，依据ＡＦＤＸ协议的交换机消息调度原则，指明了在交换机中运用负载匹配进行分组调度所应确定的基本参数，并以此为基础确定了分组调度与入线、出线队列缓冲容量之间的关系，给出了强实时条件下ＡＦＤＸ交换机中的入线、出线队列缓冲容量的确定方法。本发明专利技术的方法能确保实时消息流的强实时要求，确保实时消息流不发生溢出，同时通过合理设置缓冲容量，降低容量开销，该方法简单易行，可重复性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术针对航空航天安全关键任务，对平台电子系统综合化互连技术中交换机缓 冲容量，提出一种保证消息传输延时的缓冲容量确定方法，属于航空航天电子综合化系统 互连

技术介绍
随着航空航天任务需求(高性能处理、高接口带宽、强实时性、高可靠性等需求) 的进一步提升，空天飞行器电子互连技术及体系架构经历了从分离式、联合式向综合式发 展过程。航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full Duplex Switched Ethernet, AFDX)，作为综合化系统的支撑互连技术之一，具有更高的可靠性、抗恶劣环境适应性和确 定的实时性，成为美国国家航空航天局NASA构建未来空间飞行器综合化体系架构互连候 选，并已应用于先进大型客机项目(如空中客车A380和B787)，成为构筑新一代民机航空电 子系统的基础。AFDX交换机是互连系统的重要部件和关键因素。对于空天飞行器综合化系 统中的安全关键任务通常要满足强实时和高可靠性。如何在AFDX交换机中对缓冲容量进 行合理设置，使之不仅满足消息调度的强实时要求，同时避免交换机入线、出线队列缓冲区 消息溢出，从而提高系统的可靠性，具有重要意义。入线、出线队列缓冲容量的分配与交换机分组调度方法密切相关。AFDX协议只给 出了入线、出线队列缓冲容量的缺省值，并没有给出强实时保证下的缓冲容量的确定方法。目前为止，研究强实时条件下交换机缓冲的公开资料不多见。现有资料记载有针 对FDDI局域网和FC-AL环网建立了分析性模型，为确定消息实时传输和溢出的条件提供有 益借鉴，但针对的是共享介质型网络，没有涉及交换式网络的研究。还有人提出基于随机网 络演算(Network Caculus)方法，开展AFDX网络节点缓冲溢出的概率研究，但并没有探究 强实时条件下交换机缓冲容量与消息参数的定量关系。
技术实现思路
本专利技术针对目前在强实时保证下AFDX交换机的缓冲容量确定技术欠缺的情况， 针对空天飞行器安全关键任务需求，提供， 从而满足消息调度的强实时要求，同时避免交换机入线、出线队列缓冲区消息溢出，提高系 统的可靠性。本专利技术提供，其中，所述方法包括 步骤步骤一、建立消息模型和交换机队列等效结构模型；所建立的消息模型，包括实时消息流Si =Si = (Ci5Pi)；实时消息集合Ms =Ms = (S1, S2,…，SJ ；其中,Ci表示实时消息流最大长度，Pi表示实时消息流产生周期，也表示实时消 息流最大允许延迟时间。所述的建立的交换机队列等效结构模型为将具有m个队列的交换机转化为一个具有η个队列的等效交换机，其中转换后的每个队列中只有一个实时消息流，其中，m、η为 大于0的整数。步骤二、建立分组调度和缓冲模型；所建立的分组调度和缓冲模型具体包括如下1)设定交换机工作最差情况η条入线队列同时竞争一条出线队列；2)设置调度轮转的最大长度Lmk 指交换机在分组调度中每次轮转所允许的最大 时隙数，分组调度轮转周期的上限；每个入线队列Qi按照调度时间轴被分配Lme中的Wi个 时隙用于调度本队列的实时消息流，当Qi待调度的实时消息量小于Wi个时隙应发生的消息 量，则在Qi发送完待调度的实时消息后，Qdf发送非实时消息直到Wi中剩余调度时间结束， 然后，下一队列Qi+1将被调度；其中，Wi为轮转权值；3)进入交换机的消息帧根据时隙大小重新打包；步骤三、建立消息实时调度条件，并确定关键参数；所述消息实时调度条件包括时限约束条件和轮转权值约束条件；时限约束条件 为当t = Pi时，Xi(t)≥Ci,其中， 表示入线队列Qi被调度并发送实时消息的最小时开销时间量；间量；轮转权值Wi约束条件 其中，θ代表调度程序进行连接轮转的切换所述确定的关键参数x州为 其中，Hli = [t/Lffi]，[ ·]表示对实数取整，Hli彡1，t代表时间。步骤四、给出实时确保的分组调度方法，其分组调度方法采用下式表示 ,其中，Hii = [PiZlJ，Hii > 1 ； Ci-(Pi-m,-Lm)步骤五、确定分组调度方法与输入、输出缓冲容量的关系模型；其中，入线队列可达缓冲容量的关系模型 能被q整除其中，代表入线队列可达缓冲容量，代表实时消息流Si的入线队列可达缓冲余度；任意时刻，在步骤四所述的分组调度方法下，实时消息流Si缓冲在入线队列Qi中 的关系模型 其中，_ ρω代表输入缓冲区中的最大消息数。其中，出线队列可达缓冲容量的关系模型N:r=ISfIc^, SS,其中，c代表出线队列可达缓冲容量，表实时消息流Si的出线队列可达缓冲余度；任意时刻，在步骤四所述的分组调度方法下，实时消息流Si缓冲在出线队列中的关系模型=[Pi+L^+T]+i，其中，代表输出缓冲区中含实时消息流Si的最大八 “max消息数；τ代表交换机出线队列响应时间。步骤六、确定实时确保的输入缓冲容量和输出缓冲容量；输入缓冲容量为WpHCi，其中，表示入线队列Qi的缓冲容量，输出缓冲容量为，其中表示出线队列的缓冲容量。1=1Si本专利技术一种用于实时保证的交换式互连缓冲容量确定方法，其优点与积极效果在 于(1)针对空天飞行器安全关键任务需求，能确保实时消息流的强实时要求；(2)确保实 时消息流不发生溢出；(3)合理设置缓冲容量，降低容量开销；(4)方法简单易行，可重复性 强。附图说明图1是本专利技术交换机互连缓冲容量确定方法的整体步骤流程图；图2是本专利技术步骤一中建立交换机队列等效结构模型的示意图；图3a是本专利技术步骤二中建立的分组调度模型和缓冲模型的示意图；图3b是图3a中调度方法的调度时间轴的示意图；图4是本专利技术步骤三中AFDX交换机消息调度规则下的关键参数Xi (t)的示意图；图5是本专利技术出线队列的缓冲容量与所有入线队列实时消息流关系模型的示意 图；图6是实施例二中实时消息流在不同入线队列缓冲容量下的消息溢出率的示意 图。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术依据AFDX协议的交换机消息调度原则，指明了在交换机中运用负载匹配 进行分组调度所应确定的基本参数，并以此为基础研究了分组调度与入线/出线队列缓冲 容量之间的关系，给出了强实时条件下AFDX交换机中的入线、出线队列缓冲容量的确定方法。本专利技术提供，如图1所示，具体包 括步骤如下步骤一、建立消息模型和交换机队列等效结构模型。首先建立消息模型。采用实时通信中的周期性任务模型假设有η个实时消息流 要在交换机中调度，分别用S1, S2,…，Si,…，Sn表示，由这些实时消息流组成一个实时消息集合Ms Ms = (S1, S2,…，Si,…，SJ(1)其中，η为大于0的整数，i = 1，2，...，n。对于实时消息流Si和交换机，有如下设定1)实时消息流产生周期Pi 表示第i个实时消息流Si的消息产生周期，对于非周 期性消息，则表示消息产生最小时间间隔；实时消息流产生周期Pi的最小值用Pmin表示；2)实时消息流最大长度Ci 表示第i个实时消息流Si的传输时间，包括网络协议 规定的分隔符、帧头、信息域和校验域等帧的全部内容；3)实时消息流最大允许延迟时间，等于实时消息流产生周期Pi ；4)实时消息流与交换机参数均以时隙为基本时间单位进行归一化，时隙归一化结 果为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时保证的交换式互连缓冲容量确定方法，其特征在于，该交换式互连缓冲容量确定方法具体包括如下步骤：步骤一、建立消息模型和交换机队列等效结构模型；所建立的消息模型，包括实时消息流Ｓ↓［ｉ］：Ｓ↓［ｉ］＝（Ｃ↓［ｉ］，Ｐ↓［ｉ］）；实时消息集合Ｍ↓［Ｓ］：Ｍ↓［Ｓ］＝｛Ｓ↓［１］，Ｓ↓［２］，…，Ｓ↓［ｎ］｝；其中，Ｃ↓［ｉ］表示实时消息流最大长度，Ｐ↓［ｉ］表示实时消息流产生周期，ｉ＝１，２，…，ｎ，ｎ为大于０的整数；所述的交换机队列等效结构模型为：将ｍ个交换机队列转化为一个↓［ｉ］的最大消息数；τ代表交换机出线队列响应时间；步骤六、确定实时确保的输入缓冲容量和输出缓冲容量；在输入缓冲容量为：ｇ↓［ｉ］↑［ｉｎｐｕｔ］＝２.Ｃ↓［ｉ］，其中，ｇ↓［ｉ］↑［ｉｎｐｕｔ］表示入线队列Ｑ↓［ｉ］的缓冲容量，输出缓冲容量为：ｇ↑［ｏｕｔｐｕｔ］≥＊３Ｃ↓［ｉ］，其中ｇ↓［ｉ］↑［ｏｕｔｐｕｔ］表示出线队列的缓冲容量。ｎ个等效交换机队列，其中转换后的每个队列中只有一个实时消息流，其中，ｍ、ｎ为大于０的整数；步骤二、建立分组调度和缓冲模型；所建立的分组调度和缓冲模型具体包括：１）设定交换机工作最差情况：ｎ条入线队列同时竞争一条出线队列；２）设置调度轮转的最大长度Ｌ↓［ＭＲ］：指交换机在分组调度中每次轮转所允许的最大时隙数，分组调度轮转周期的上限；每个入线队列Ｑ↓［ｉ］按照调度时间轴被分配Ｌ↓［ＭＲ］中Ｗ↓［ｉ］个时隙用于调度本队列的实时消息流，当Ｑ↓［ｉ］待调度的实时消息量小于Ｗ↓［ｉ］个时隙应发生的消息量，则在Ｑ↓［ｉ］发送完待调度的实时消息后，Ｑ↓［１］将发送非实时消息直到Ｗ↓［ｉ］中剩余调度时间结束，然后，下一队列Ｑ↓［ｉ＋１］将被调度；其中，Ｗ↓［ｉ］为轮转权值；３）进入交换机的消息帧根据时隙大小重新打包；步骤三、建立消息实时调度条件，并确定关键参数；所述消息实时调度条件包括时限约束条件和轮转权值约束条件；对于实时消息流Ｓ↓［ｉ］，时限约束条件为：当ｔ＝Ｐ↓［ｉ］时，Ｘ↓［ｉ］（ｔ）≥Ｃ↓［ｉ］，其中，Ｘ↓［ｉ］（ｔ）表示入线队列Ｑ↓［ｉ］被调度并发送实时消息的最小时间量；轮转权值Ｗ↓［ｉ］约束条件：＊Ｗ↓［ｉ］≤Ｌ↓［ＭＲ］－θ，其中，θ代表调度程序进行连接轮转的切换开销时间量；所述确定的关键参数Ｘ↓［ｉ］（ｔ）为：＊＊＊，其中，ｍ↓［ｉ］＝［ｔ／Ｌ↓［ＭＲ］］，ｍ↓［ｉ］≥１，ｔ代表时间；步骤四、给出实时确保的分...

【技术特征摘要】
一种实时保证的交换式互连缓冲容量确定方法，其特征在于，该交换式互连缓冲容量确定方法具体包括如下步骤步骤一、建立消息模型和交换机队列等效结构模型；所建立的消息模型，包括实时消息流SiSi＝(Ci，Pi)；实时消息集合MSMS＝{S1，S2，…，Sn}；其中，Ci表示实时消息流最大长度，Pi表示实时消息流产生周期，i＝1，2，…，n，n为大于0的整数；所述的交换机队列等效结构模型为将m个交换机队列转化为一个n个等效交换机队列，其中转换后的每个队列中只有一个实时消息流，其中，m、n为大于0的整数；步骤二、建立分组调度和缓冲模型；所建立的分组调度和缓冲模型具体包括1)设定交换机工作最差情况n条入线队列同时竞争一条出线队列；2)设置调度轮转的最大长度LMR指交换机在分组调度中每次轮转所允许的最大时隙数，分组调度轮转周期的上限；每个入线队列Qi按照调度时间轴被分配LMR中Wi个时隙用于调度本队列的实时消息流，当Qi待调度的实时消息量小于Wi个时隙应发生的消息量，则在Qi发送完待调度的实时消息后，Q1将发送非实时消息直到Wi中剩余调度时间结束，然后，下一队列Qi+1将被调度；其中，Wi为轮转权值；3)进入交换机的消息帧根据时隙大小重新打包；步骤三、建立消息实时调度条件，并确定关键参数；所述消息实时调度条件包括时限约束条件和轮转权值约束条件；对于实时消息流Si，时限约束条件为当t＝Pi时，Xi(t)≥Ci，其中，Xi(t)表示入线队列Qi被调度并发送实时消息的最小时间量；轮转权值Wi约束条件其中，θ代表调度程序进行连接轮转的切换开销时间量；所述确定的关键参数Xi(t)为其中，mi＝[t/LMR]，mi≥1，t代表时间；步骤四、给出实时确保的分组调度方法，其分组调度方法采用下式表示其中，mi＝[Pi/LMR]，mi＞1；步骤五、确定步骤四的分组调度方法下，输入、输出缓冲容量的关系模型；任意时刻，在步骤四所述的分组调度方法下，确定的实时消息流Si缓冲在入线队列Qi中的关系模型为其中，代表输入缓冲区中的最大消息数；任意时刻，在步骤四所述的分组调度方法下，确定的实时消息流Si缓冲在出线队列中的关系模型为其中，代表输出缓冲区中含实时消息流Si的最大消息数；τ代表交换机出线队列响应时间；步骤六、确定实时确保的输入缓冲容量和输出缓冲容量；在输入缓冲容量为其中，表示入线队列...

【专利技术属性】
技术研发人员：周强，辛惠娟，曲振亮，史燕华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]