焦文喆，翟正軍，王國慶，2.西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安70292.中國航空無線電電子研究所，上海200233

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時間觸發(fā)AFDX調(diào)度策略設(shè)計(jì)與實(shí)時性分析

焦文喆1，翟正軍1，王國慶1，2
1.西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安710129
2.中國航空無線電電子研究所，上海200233

摘要：為了解決航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX，Avionics Full Duplex Switched Ethernet）時間關(guān)鍵消息傳輸?shù)拇_定性問題，本文提出一種時間觸發(fā)AFDX（Time-Triggered AFDX，TTAFDX）網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計(jì)了基于周期優(yōu)先的端系統(tǒng)時間觸發(fā)虛擬鏈路調(diào)度算法。通過網(wǎng)絡(luò)演算方法對比了TTAFDX與采用FIFO調(diào)度算法的AFDX網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性能。計(jì)算結(jié)果表明：TTAFDX中的時間觸發(fā)虛擬鏈路的延遲主要由固定延遲部分組成，而且速率限制虛擬鏈路的實(shí)時性也較AFDX有所提高。證明了TTAFDX體系結(jié)構(gòu)和調(diào)度算法在兼容AFDX的同時能夠改善網(wǎng)絡(luò)的時間確定性，并適用于具有硬實(shí)時傳輸要求的航空電子系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)；時間觸發(fā)；調(diào)度算法；實(shí)時性分析；網(wǎng)絡(luò)演算

AFDX[1]作為應(yīng)用于空客A380和波音B787上的新一代航空電子網(wǎng)絡(luò)，具有全雙工、高速率、雙冗余、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)[2]，但當(dāng)多任務(wù)傳輸時可能產(chǎn)生的競爭鏈路共享沖突，仍會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和通信系統(tǒng)的時間確定性。對于時間關(guān)鍵消息，其在AFDX網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延及時延抖動的確定性界限仍不易得到保證。

為了提高航電系統(tǒng)中時間關(guān)鍵消息的時間確定性，并盡可能降低既有設(shè)備改造的技術(shù)與商業(yè)風(fēng)險，本文在AFDX網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上引入時間觸發(fā)機(jī)制，設(shè)計(jì)完成了時間觸發(fā)AFDX（Time-Triggered AFDX，TTAFDX）的體系結(jié)構(gòu)，并提出了基于周期優(yōu)先原則的端系統(tǒng)調(diào)度策略。通過采用網(wǎng)絡(luò)演算的方法分別對TTAFDX及AFDX網(wǎng)絡(luò)的時延進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了TTAFDX網(wǎng)絡(luò)傳輸時間確定性的特點(diǎn)。

1　時間觸發(fā)AFDX體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

AFDX網(wǎng)絡(luò)通過采用虛擬鏈路技術(shù)、冗余傳輸技術(shù)和流量管制技術(shù)對通信任務(wù)的速率進(jìn)行了約束，稱此類傳輸數(shù)據(jù)為速率限制（Rate Constraint，RC）流量[3]。TTAFDX在AFDX基礎(chǔ)上引入了時間觸發(fā)機(jī)制，通過合理地調(diào)度將通信任務(wù)定時觸發(fā)發(fā)送，稱此類數(shù)據(jù)傳輸為時間觸發(fā)（Time-Triggered，TT）流量。時間觸發(fā)機(jī)制建立在全局時鐘精確同步的前提下，因而TTAFDX需要加入時間同步技術(shù)，并對虛擬鏈路技術(shù)，冗余傳輸技術(shù)做出適應(yīng)性改造以兼容AFDX網(wǎng)絡(luò)。

1.1.1時鐘同步技術(shù)精確的全局時鐘同步能夠確保任一時刻僅有一個節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，能夠避免排隊(duì)所造成的時間延遲和抖動，使得數(shù)據(jù)傳輸延遲可預(yù)測[4]。TTAFDX采用SAE AS6802協(xié)議中所提出的同步技術(shù)，并在每個調(diào)度周期的固定時刻使用時鐘同步協(xié)議控制幀（Protocol Control Frame，PCF）進(jìn)行時鐘同步。TTAFDX網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)采用IEEE 1588 V2提出的透明時鐘（Transparent Clock，TC）概念，使用PCF幀中的8字節(jié)透明時鐘域，以216ns為計(jì)時單位累計(jì)同步協(xié)議控制幀的傳輸延遲。

1.1.2虛擬鏈路技術(shù)TTAFDX網(wǎng)絡(luò)按照所支持的流量類型定義了兩類VL：用以承載時間關(guān)鍵消息的時間觸發(fā)VL（Time-Triggered VL，TTVL）和繼承AFDX網(wǎng)絡(luò)中VL的速率限制VL（Rate-Constrained VL，RCVL）[6]。TTVL的發(fā)送活動嚴(yán)格按照時刻調(diào)度表的規(guī)劃時刻來觸發(fā)，在全局時鐘精確同步的條件下，可以避免數(shù)據(jù)在鏈路上發(fā)生共享沖突，確保其時間確定性和實(shí)時性。RCVL的優(yōu)先級低于TTVL，在保障TTVL按規(guī)劃傳輸?shù)幕A(chǔ)上才能進(jìn)行傳輸。

1.1.3冗余管理技術(shù)TTAFDX設(shè)計(jì)了兩種冗余管理機(jī)制：異步冗余管理（asynchronous Redundancy Management，aRM）和同步冗余管理（synchronous Redundancy Management，sRM）。

TTAFDX網(wǎng)絡(luò)中的RC流量數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時刻具有一定的不確定性，目的端系統(tǒng)無法通過接收時間窗進(jìn)行冗余管理，因此沿用符合標(biāo)準(zhǔn)ARINC 664 Part 7的異步冗余管理機(jī)制[5]。

同步冗余管理（synchronous Redundancy Management，sRM）以全局時鐘同步為基礎(chǔ)，對TT消息進(jìn)行冗余管理。目的端系統(tǒng)通過查詢調(diào)度表能夠知道TTVL中數(shù)據(jù)幀的最壞接收時間點(diǎn)，當(dāng)最壞接收時間點(diǎn)到達(dá)時，控制器將通過完整性檢查的拷貝傳遞至應(yīng)用層并清除所有臨時存儲的冗余拷貝。

1.2時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

TTAFDX網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)協(xié)議與AFDX相同，按照OSI分層模型共分為7層，其中網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層與普通的以太網(wǎng)相同。為了完全兼容AFDX，TTAFDX僅在數(shù)據(jù)鏈路層中增加了VL的時間觸發(fā)通信機(jī)制，所增加的VL時間調(diào)度層不影響數(shù)據(jù)鏈路層以上的協(xié)議。TTAFDX同樣采用端口、隊(duì)列端口以及SAP與應(yīng)用程序進(jìn)行通信。

普通AFDX數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址具有32位的常量域和16位的VL標(biāo)志符，可將32位的常量域改造為8位固定域與24位的虛擬鏈路類型設(shè)置域。當(dāng)端系統(tǒng)檢測到TT標(biāo)識符域的高4位為“0110”時，則數(shù)據(jù)幀所在的虛擬鏈路為時間觸發(fā)虛擬鏈路，采用時間觸發(fā)調(diào)度策略進(jìn)行調(diào)度；若不是，則為速率限制虛擬鏈路，采用常規(guī)調(diào)度策略。

2　時間觸發(fā)虛擬鏈路端系統(tǒng)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

TTAFDX中時間觸發(fā)調(diào)度本質(zhì)上是一種基于表的靜態(tài)調(diào)度，但不同與TTCAN等總線結(jié)構(gòu)的時間觸發(fā)調(diào)度[7]——它們的各個端系統(tǒng)具有相同的調(diào)度表，TTAFDX網(wǎng)絡(luò)中每個TT幀的發(fā)送端都存有一個TT幀發(fā)送時刻調(diào)度表。VL時刻調(diào)度表包含一個矩陣周期（Matrix Cycle，MC），它由若干個基本周期（Basic Cycle，BC）組成[3]。其中MC表示為時間觸發(fā)虛擬鏈路數(shù)據(jù)幀調(diào)度的任務(wù)周期；BC為時間觸發(fā)虛擬鏈路數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)淖钚≈芷?。對于系統(tǒng)中的N個周期消息，取最小周期作為BC。為了保證每一消息的平均周期，MC的持續(xù)時間必須是所有消息周期的最小公倍數(shù)或最小公倍數(shù)的整數(shù)倍。根據(jù)AFDX協(xié)議中規(guī)定的BAG取值范圍為2kms，k＝0，...，7，可以設(shè)定VL時刻調(diào)度表的MC為所有BAG取值的最小公倍數(shù)，即128 ms，BC為所有BAG取值的最大公約數(shù)1 ms。

VL時刻調(diào)度表中的每個BC都開始于一個時鐘同步數(shù)據(jù)幀（SYNC），并且以下一個SYNC的開始作為結(jié)束。SYNC采用SAE AS6802協(xié)議中的PCF格式，具有28字節(jié)長度，其中前4個字節(jié)用于記錄時間所處的BC位置，最后8個字節(jié)用于累計(jì)SYNC幀的傳輸延遲。以BC為時間單位進(jìn)行時鐘同步可以保障網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的時鐘是完全同步的，使得完善的離線設(shè)計(jì)VL時刻調(diào)度表能夠保證TT幀在端系統(tǒng)不會發(fā)生爭用物理鏈路的情況。每個BC又分為兩段，前一段專用于發(fā)送TT流量數(shù)據(jù)（包含SYNC幀），后一段用于發(fā)送RC流量數(shù)據(jù)[6]。RC端的最后可預(yù)留出一個當(dāng)前所有通信任務(wù)中最大幀長的傳輸時間作為保護(hù)間隔，以避免對下一BC內(nèi)TT幀的發(fā)送造成延遲。在TT段中，時間資源又被分為時窗（Time window）。由于TTAFDX中TT流量的幀長不固定，BC中各個時窗的大小也不確定，但MC中同一列時窗的大小相同，其大小等于在此時窗中傳輸消息的最大幀長。

2.1周期優(yōu)先的調(diào)度表設(shè)計(jì)

每個端系統(tǒng)對TTVL發(fā)送時刻的規(guī)劃都將按照如下的調(diào)度算法執(zhí)行。

1）對端系統(tǒng)發(fā)送的N條TTVL按照BAG從小到大的順序排序，若BAG相同則按照Lmax長度由從大到小的順序排序，排序后的TTVL對應(yīng)標(biāo)記為VLk（k從1到N），相應(yīng)的最大線路幀長記為Lk，轉(zhuǎn)到第2步；

2）按照標(biāo)記順序?qū)TVL發(fā)送時刻進(jìn)行規(guī)劃，初始狀態(tài)令k＝1，Lsum＝LSYNC，其中Lsum表示基本周期已配置的幀長和，轉(zhuǎn)至第3步；

4）該端系統(tǒng)已完成所有TTVL的發(fā)送時刻規(guī)劃；

5）帶寬有限，無法對該端系統(tǒng)中所有TTVL的發(fā)送時刻完成規(guī)劃。

2.2時間觸發(fā)虛擬鏈路交換機(jī)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

交換機(jī)每個輸出端口都維護(hù)一張通過此端口轉(zhuǎn)發(fā)的TTVL轉(zhuǎn)發(fā)時刻調(diào)度表。TTVL數(shù)據(jù)幀到達(dá)交換機(jī)輸出端口的時刻不由交換機(jī)端口決定，所以轉(zhuǎn)發(fā)表的規(guī)劃將不采用基本周期組成矩陣周期的方式，而是直接以128 ms為周期進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時刻表的規(guī)劃。當(dāng)所有VL的靜態(tài)路由和所有TTVL的發(fā)送時刻配置完成后，交換機(jī)內(nèi)部的所有端口的轉(zhuǎn)發(fā)時刻調(diào)度表配置算法如下：

1）按照BAG從小到大的順序?qū)π枰D(zhuǎn)發(fā)的N條TTVL排序，若BAG相同則按照Lmax長度由從大到小的順序排序，排序后的TTVL對應(yīng)標(biāo)記為VLk（k從1到N），相應(yīng)的最大線路幀長記為Lk轉(zhuǎn)到第2步；

2）按照標(biāo)記順序規(guī)劃TTVL在交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)時刻，初始狀態(tài)令k1＝，其轉(zhuǎn)到第3步；

4）該交換機(jī)端口已完成所有TTVL的轉(zhuǎn)發(fā)時刻規(guī)劃；

5）帶寬有限，無法對該交換機(jī)端口中所有TTVL的轉(zhuǎn)發(fā)時刻完成規(guī)劃。

3　TTAFDX 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性分析

式中，Dpropagation是數(shù)據(jù)幀在物理鏈路上傳輸所引起的時延，由于物理介質(zhì)上傳播速度是固定的，這一時延具有確定值；數(shù)據(jù)在發(fā)送端的時延Dtx,k可用公式（2）定義：

式中，Gk為虛擬鏈路VLk的帶寬分配間隔；τtech為源端系統(tǒng)的技術(shù)時延，ARINC 664協(xié)議中規(guī)定端系統(tǒng)的技術(shù)延時不超過150μs；τframe，k是虛擬鏈路VLk將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至物理鏈路層所造成的延遲；EJmax，k為復(fù)用調(diào)度策略所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)隊(duì)列等待時延。Drx，k主要為技術(shù)延時，ARINC 664協(xié)議中規(guī)定目的端的技術(shù)延時不得超過150μs。

TTAFDX數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)中將經(jīng)過數(shù)據(jù)幀過濾、數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)幀發(fā)送三個步驟，其時延計(jì)算方法為：

式中，τfilter為數(shù)據(jù)幀過濾時延，AFDX協(xié)議規(guī)定每個交換機(jī)端口必須能及時過濾以線速到達(dá)的任意大小的有效數(shù)據(jù)幀，通常設(shè)為8μs；τfw為數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)時延，AFDX規(guī)定交換機(jī)在1 ms內(nèi)要求轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀數(shù)量一般為交換機(jī)的端口數(shù)*125，則τfw可設(shè)為8μs；τrv是交換機(jī)接收端口在接收數(shù)據(jù)幀時產(chǎn)生的時延，由各虛擬鏈路所傳輸?shù)淖畲髱L度決定；SJmax，i為交換機(jī)系統(tǒng)多路復(fù)用時延。

3.1TTAFDX網(wǎng)絡(luò)模型

TTAFDX采用與傳統(tǒng)AFDX相同的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)發(fā)速度快，時延小，實(shí)時性好，能夠降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等特點(diǎn)。本文采用的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，包括3個交換機(jī)SW1，SW2，SW3，8個端系統(tǒng)ES1，…，ES8和12條虛擬鏈路VL1，…，VL12，各個虛擬鏈路均為單播虛擬鏈路，且相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離為100 m，所使用物理鏈路的傳輸速率為2×108m/s 。

圖1　時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)模型圖Fig.1　Time-triggered AFDX network model

表1列出了圖1中12條虛擬鏈路的相關(guān)參數(shù)：

表1　時間觸發(fā)AFDX網(wǎng)絡(luò)模型虛擬鏈路配置表Table 1 Virtual link configuration of time-triggered AFDX network model

3.2TTAFDX時間觸發(fā)虛擬鏈路實(shí)時性分析

以時間觸發(fā)虛擬鏈路VL6為例進(jìn)行分析，VL6、VL7和VL8由ES3發(fā)送至SW2，按照周期優(yōu)先調(diào)度表設(shè)計(jì)方法可得ES2的時刻調(diào)度表，如圖2所示。

圖2　端系統(tǒng)ES3調(diào)度時刻表示意圖Fig.2　End system ES3 schedule time diagram

VL6、VL7和VL8三條TTVL到達(dá)交換機(jī)SW2之后轉(zhuǎn)發(fā)至交換機(jī)SW3的時刻調(diào)度表如圖3：

圖3　SW2對VL6、VL7和VL8的時刻調(diào)度表示意圖Fig.3　Schedule time diagram at SW2 for VL6、VL7 and VL8

依照公式（3）可得VL6在交換機(jī)SW2中第一次被調(diào)度的時刻為：

TTVL6到達(dá)交換機(jī)SW3之后將轉(zhuǎn)發(fā)至端系統(tǒng)ES7，其第一次被調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)時刻為：

根據(jù)對各TTVL在傳輸路徑中的調(diào)度時刻，能夠計(jì)算出各個TTVL的端到端延遲，如表2所示：

表2　TTAFDX中時間觸發(fā)虛擬鏈路端到端時延統(tǒng)計(jì)表Table 2 Time-triggered virtual link end-to-end delay statistics in TTAFDX

由于TTVL數(shù)據(jù)流在配置的時域內(nèi)獨(dú)享整個帶寬，且在傳輸路徑中完全按照調(diào)度時刻表進(jìn)行發(fā)送，無需進(jìn)行排隊(duì)等待，所以TTVL的端到端時延僅包含固定時延部分，也不存在時延抖動的現(xiàn)象。表2中各VL的時延能夠有效地證明以上結(jié)果。

3.3AFDX中FIFO調(diào)度算法實(shí)時性分析

以虛擬鏈路VL6為例，其串聯(lián)服務(wù)曲線為：

根據(jù)表2中所設(shè)定的各虛擬鏈路參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，得到12條虛鏈路的延遲上界（表3）。

表3　AFDX采用FIFO調(diào)度機(jī)制虛擬鏈路端到端時延統(tǒng)計(jì)表Table 3 Virtual link end-to-end delay statistics in AFDX using FIFO schedule strategy

3.4TTAFDX速率限制虛擬鏈路實(shí)時性分析

對于RCVL聚合流GRC的組成虛擬鏈路VLi，其在GRC中仍以FIFO調(diào)度策略接受交換機(jī)的服務(wù)，按照3.3小節(jié)中FIFO調(diào)度策略部分的相關(guān)推導(dǎo)，可得：

根據(jù)表2中所設(shè)定的各虛擬鏈路參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，得到5條速率限制虛鏈路的延遲上界（表4）。

表4　TTAFDX中速率限制虛擬鏈路端到端時延上界統(tǒng)計(jì)表Table 4 Rate-constraint virtual link end-to-end delay statistics in TTAFDX

4　結(jié)束語

TTAFDX網(wǎng)絡(luò)在時間同步的基礎(chǔ)上，將時間觸發(fā)機(jī)制引入AFDX，通過對虛擬鏈路、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等進(jìn)行適應(yīng)性從而達(dá)到在兼容速率限制流量的同時，能夠確保時間關(guān)鍵消息的時間確定性和實(shí)時性。針對時間觸發(fā)虛擬鏈路的特性，提出了周期優(yōu)先的端系統(tǒng)調(diào)度時刻設(shè)計(jì)算法以及相應(yīng)的交換機(jī)調(diào)度算法。采用網(wǎng)絡(luò)演算方法對AFDX所支持的“先到先服務(wù)”調(diào)度算法進(jìn)行了時延分析。通過與TTAFDX中的時間觸發(fā)虛擬鏈路和速率限制虛擬鏈路時延進(jìn)行比較，能夠發(fā)現(xiàn)時間觸發(fā)虛擬鏈路能夠支持硬實(shí)時特性的數(shù)據(jù)傳輸，同時速率限制虛擬鏈路的時延也能夠有所降低。

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SchedulingStrategyDesignandReal-timeAnalysisofTime-triggeredAFDX

JIAO Wen-zhe1，ZHAI Zheng-jun1，WANG Guo-qing1，2
1. School of Computer Science/Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129，China
2. China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200233，China

Abstract:To solve the temporal determinism problem of time-critical message transmission in Avionics Full Duplex Switched Ethernet（AFDX），this paper proposed the network architecture of Time-triggered AFDX（TTAFDX）and designed the scheduling algorithm of time-triggered virtual link based on cycle-prior end system to contrast the real-time performance between TTAFDX and AFDX by the method of network calculus. The results showed that the delay of time-triggered virtual link in TTAFDX mainly consisted of fixed part and the real-time of the rate constraint virtual link was higher than AFDX. At the same time，TTAFDX architecture was compatible to AFDX and could enhance temporal determinism to be suitable for the avionics with hard real-time transmission requirement.

Keywords:AFDX；time-triggered；scheduling strategy；real-time analysis；network calculus

作者簡介：焦文喆（1985-），男，博士，主研方向:航電網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)，數(shù)據(jù)安全. E-mail:wenzhejiao@163.com

收稿日期：2014-10-20修回日期：2014-11-06

中圖法分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）01-0111-07