譚小虎，王 勇，褚文奎，劉 安

空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安 710038

1 引言

FC（Fibre Channel，光纖通道）憑借在延遲率、錯(cuò)位率以及傳輸速率等方面的優(yōu)勢(shì)，成為新型航電系統(tǒng)的首選協(xié)議[1]，可以滿(mǎn)足航電網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的要求。為支持FC協(xié)議在航電系統(tǒng)中的應(yīng)用，F(xiàn)C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)委員會(huì)專(zhuān)門(mén)組織建立一個(gè)分委會(huì)，該分委會(huì)制定出針對(duì)航空電子環(huán)境下的協(xié)議草案，即FC-AE（光纖通道航空電子環(huán)境），其內(nèi)容就是擴(kuò)展FC協(xié)議，同時(shí)發(fā)展以光纖通道為基本的航電增強(qiáng)型專(zhuān)用系統(tǒng)[2]。FC-AEASM（光纖通道-航空電子環(huán)境-匿名消息）作為FC-AE協(xié)議的子集，就是針對(duì)航電系統(tǒng)應(yīng)用而提供的上層協(xié)議，用于航電系統(tǒng)各設(shè)備間安全和低延遲的通信[3]。但是該協(xié)議中卻沒(méi)有給出終端系統(tǒng)中消息間的調(diào)度算法，對(duì)于大部分終端設(shè)備采用先來(lái)先服務(wù)（FCFS）的數(shù)據(jù)發(fā)送控制算法使得消息端到端延遲具有很大的不確定性，造成對(duì)系統(tǒng)的分析困難。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)光纖通道方面的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?、通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及上層協(xié)議的轉(zhuǎn)換方面。文獻(xiàn)[4-6]以網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模型為基礎(chǔ)，建立了可靠性模型，同時(shí)針對(duì)光纖通道三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出可靠性的表達(dá)式。文獻(xiàn)[7]對(duì)于FC在航空電子環(huán)境中的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)[8]對(duì)光纖通道的特性進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)典型的幾種網(wǎng)絡(luò)和總線進(jìn)行了分析比較。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中消息的發(fā)送控制算法，文獻(xiàn)[9]提出了基于實(shí)時(shí)排隊(duì)論的調(diào)度算法，它借助延時(shí)率可以反映系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

基于以上分析，提出時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法，通過(guò)靜態(tài)規(guī)劃消息的調(diào)度表，通過(guò)全局時(shí)鐘來(lái)觸發(fā)每個(gè)消息的發(fā)送，使得網(wǎng)絡(luò)中所有消息都擁有較強(qiáng)的時(shí)間確定性。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

航空電子系統(tǒng)中存在很多類(lèi)型消息，不同消息對(duì)時(shí)間延遲的要求也就不同。類(lèi)似警報(bào)和傳感器的消息就是具有硬實(shí)時(shí)要求的緊急消息，具有嚴(yán)格的時(shí)延要求，而對(duì)于文件發(fā)送等消息就是非緊急消息，時(shí)延要求相對(duì)較低[10]。所以在時(shí)間觸發(fā)FC終端接口中將具有高時(shí)延要求的緊急數(shù)據(jù)設(shè)置為時(shí)間觸發(fā)消息，其他非緊急消息設(shè)置為事件觸發(fā)消息。根據(jù)FC-AE-ASM消息幀格式，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中將消息幀幀頭中保留的8～11 Byte作為消息類(lèi)型的標(biāo)識(shí)，設(shè)定用0110表示該消息為時(shí)間觸發(fā)消息，其余除了0000表示形式外代表該消息為事件觸發(fā)消息，改進(jìn)的消息幀格式如圖1所示。對(duì)于時(shí)間觸發(fā)消息采用時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度形式進(jìn)行發(fā)送，而對(duì)于事件觸發(fā)消息則采用傳統(tǒng)的先來(lái)先服務(wù)策略進(jìn)行發(fā)送。

圖1 FC-AE-ASM消息格式

3 時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

調(diào)度算法主要涉及對(duì)基本周期和矩陣周期的確定。對(duì)于矩陣周期，首先根據(jù)消息種類(lèi)規(guī)劃初始系統(tǒng)矩陣MC0，然后對(duì)MC0進(jìn)行優(yōu)化，得到最終系統(tǒng)矩陣MC。

（1）對(duì)基本周期（BC）和矩陣周期（MC）的持續(xù)時(shí)間MCT進(jìn)行確定

首先對(duì)于周期消息按照周期遞增的順序排序，得到消息序列 T=[T1,T2,…,TM]，其中 Ti+1≥Ti，(i∈[1,M-1])。取輸入周期消息的最小周期T1作為基本周期BC。規(guī)定MC的持續(xù)時(shí)間MCT是輸入周期信號(hào)周期的最小公倍數(shù)或者最小公倍數(shù)的整數(shù)倍來(lái)保證滿(mǎn)足傳輸每一個(gè)消息的平均周期[11]，從式（1）的計(jì)算中可得矩陣周期（MC）的行數(shù)R。

式（3）中n是為防止非周期型號(hào)對(duì)周期信號(hào)造成干擾加在兩個(gè)周期間的隔離窗口[12]，IDLE是防止傳輸過(guò)程中上個(gè)基本周期未傳完消息對(duì)下一個(gè)周期影響所加入的保護(hù)間隔。式（4）中Ti是各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送周期，T1是所有消息的最小傳輸周期。如果a＜νmax，那么生成矩陣的列數(shù)為[a]+3，其中[a]用來(lái)傳輸TT消息，一列傳輸ET消息，一列為周期消息和非周期之間的隔離窗口，一列為兩個(gè)基本周期之間的保護(hù)間隔。如果a＞νmax，則說(shuō)明鏈路傳輸速率不夠，需要增加傳輸速率來(lái)完成消息的發(fā)送。

（3）生成待優(yōu)化的初始矩陣MC0

根據(jù)消息集合I，在滿(mǎn)足發(fā)送周期的情況下將消息按列依次裝入R列矩陣中，得到待優(yōu)化矩陣MC0。

（4）初始矩陣的優(yōu)化

采用價(jià)值函數(shù)P對(duì)初始矩陣進(jìn)行優(yōu)化，由此得到最終的優(yōu)化矩陣MC。

式（2）表示消息集合，其中ki(1≤i≤R)表示第i個(gè)消息的實(shí)例個(gè)數(shù)。

（2）確定一個(gè)基本周期（BC）可以傳輸?shù)南€(gè)數(shù)ν

根據(jù)總線的傳輸波特率B和周期消息比特?cái)?shù)Num以及消息的傳輸時(shí)間Lt等參數(shù)，由式（3）可以得出一個(gè)基本周期中可以傳輸消息的最大個(gè)數(shù)；再者根據(jù)式（4）可以得出基本周期中傳輸?shù)钠骄€(gè)數(shù)：

其中P表示在矩陣周期中將消息集合中每個(gè)消息傳輸完成實(shí)際所需時(shí)間，其達(dá)到最小值也就得到最優(yōu)值。表示第i個(gè)消息的第 j次消息實(shí)例的發(fā)送時(shí)刻；R、C、Dc分別表示矩陣周期的行數(shù)、列數(shù)和時(shí)間窗的寬度。

4 基于FCFS服務(wù)策略的調(diào)度算法及確定性分析

面對(duì)光纖通道的高速性，現(xiàn)如今針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的調(diào)度算法普遍采用FCFS的服務(wù)策略，其算法復(fù)雜度低，實(shí)現(xiàn)條件簡(jiǎn)便，可以很好滿(mǎn)足基于事件觸發(fā)的通信系統(tǒng)。但是消息的不可控性，導(dǎo)致引入了時(shí)間抖動(dòng)，抖動(dòng)的可變性要求采用網(wǎng)絡(luò)演算的方式來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的端到端延時(shí)，需要說(shuō)明的是，最后計(jì)算的端到端延時(shí)都是最壞條件下的上限值[13]。

4.1 網(wǎng)絡(luò)演算理論

在運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)演算理論解決問(wèn)題的過(guò)程中，采用聚集函數(shù)R(t)對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行特征化的描述，該函數(shù)表示在時(shí)間[ ]

0,t內(nèi)流入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流的比特?cái)?shù)。在借助網(wǎng)絡(luò)演算來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)端到端的延時(shí)時(shí)，需要介紹數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線和服務(wù)曲線兩個(gè)重要概念。

定義1[13]如果存在一個(gè)定義于t∈[0,+∞)上的廣義增函數(shù)α，只有在滿(mǎn)足對(duì)于任意s≤t時(shí)，才有R(t)-R(s)≤α(t-s)，那么數(shù)據(jù)流R的到達(dá)曲線就是函數(shù)α。

定義2[13]在系統(tǒng)S中，假設(shè)輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流的聚集函數(shù)分別為R和R*，同時(shí)存在一個(gè)廣義增函數(shù) β，滿(mǎn)足 β(0)=0，使得R*≥R?β，那么就稱(chēng)函數(shù) β為系統(tǒng)S的服務(wù)曲線。

引理1[14]假設(shè)在某個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為α，服務(wù)曲線為β，則進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的延遲上界滿(mǎn)足關(guān)系：

如圖2所示。

圖2 延遲上界計(jì)算

4.2 FC網(wǎng)絡(luò)在FCFS服務(wù)策略下確定性分析

采用M端口的FC網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，每個(gè)端口的數(shù)據(jù)流到達(dá)曲線為αi，i=1,2,…,M，根據(jù)端口到達(dá)流量的可加性得交換機(jī)需處理的數(shù)據(jù)聚合流為：

用C表示交換機(jī)的輸出物理鏈路帶寬，同時(shí)信用值假設(shè)為無(wú)窮大。假設(shè)所有數(shù)據(jù)中最大的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為lmax，每個(gè)端口的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率為ri，突發(fā)數(shù)據(jù)最大尺寸為bi，根據(jù)FCFS服務(wù)策略可得數(shù)據(jù)的延遲上界為：

對(duì)式（8）進(jìn)行證明：對(duì)交換機(jī)在忙時(shí)段[t1,t2]內(nèi)進(jìn)行分析，其中t1表示忙時(shí)段的開(kāi)始時(shí)間，可以得到：

考慮到忙期的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)t2，交換機(jī)可能處于空閑或者處理 t-τ(0＜τ＜)時(shí)刻到達(dá)的未處理完的數(shù)

200據(jù)幀兩種狀態(tài)，如果這時(shí)處理的數(shù)據(jù)幀是聚合流中最長(zhǎng)的，就有：

根據(jù)式（8）和式（9）可以得到：

表示R*≥R?β，再根據(jù)定義2就可以得到輸入數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為：

如果采用漏桶整形器在交換機(jī)的端口對(duì)到達(dá)數(shù)據(jù)流進(jìn)行流量整形，那么端口的數(shù)據(jù)流到達(dá)曲線就可以表示為：

正在無(wú)聊之際，在縣城車(chē)站上班的表哥打電話給我，要我周日去找他玩，我高興得跳了起來(lái)。雖說(shuō)表哥比我大了十七歲，在一起的時(shí)間也少，可我們卻玩得來(lái)。

式（13）中ri表示i端口數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率，bi表示到達(dá)數(shù)據(jù)流的最大突發(fā)長(zhǎng)度。再根據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)流的可加性，則所有端口數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為：

再根據(jù)引理1可得數(shù)據(jù)的延遲上界為：

由此得證。

根據(jù)定理1可知，交換機(jī)在服務(wù)策略FCFS模式下，所有數(shù)據(jù)流的延遲上界都同為584 μs。

5 時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法確定性分析

基于時(shí)間觸發(fā)的FC終端接口和普通FC終端接口的硬件結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嗤?，所以在?duì)時(shí)間觸發(fā)FC交換式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析時(shí)建立和普通光纖通道相同的交換式網(wǎng)絡(luò)，利用消息的端到端延時(shí)來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)的確定性。

5.1 時(shí)間觸發(fā)光纖通道網(wǎng)絡(luò)時(shí)間確定性分析

航電系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)消息實(shí)時(shí)性確定性要求很高的系統(tǒng)，消息的可靠傳輸關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的確定性，消息的傳輸實(shí)時(shí)性又關(guān)系到航電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和確定性進(jìn)行分析，采用端到端延時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂端到端時(shí)延表示消息在端系統(tǒng)的發(fā)送時(shí)延、鏈路的傳輸時(shí)延和交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的累計(jì)和[15]，其各個(gè)時(shí)延部分的組成如圖3所示。

圖3 時(shí)延各部分組成

圖3 中t1表示上層應(yīng)用的消息分裝為FC-AE-ASM數(shù)據(jù)幀所用的時(shí)間，系統(tǒng)性能的好壞決定所用時(shí)間的長(zhǎng)短，一般來(lái)說(shuō)該時(shí)間可以忽略。t2表示數(shù)據(jù)幀在發(fā)送隊(duì)列中等待的時(shí)間，主要由隊(duì)列長(zhǎng)度和調(diào)度策略決定，是影響網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的因素，通過(guò)消息到達(dá)調(diào)度表規(guī)劃發(fā)送時(shí)間和消息到達(dá)隊(duì)列時(shí)間之差可得。t3和t5表示消息在鏈路傳輸時(shí)間，該值為固定值。t4表示消息經(jīng)過(guò)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，考慮到在時(shí)間觸發(fā)FC網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)也要配置相應(yīng)調(diào)度表，所以該時(shí)間也是一個(gè)確定值，通過(guò)數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)調(diào)度表中規(guī)劃的調(diào)度時(shí)刻和消息到達(dá)交換機(jī)時(shí)間之差求得。

5.2 時(shí)間觸發(fā)光纖通道網(wǎng)絡(luò)建模和確定性分析

鑒于時(shí)間觸發(fā)FC網(wǎng)絡(luò)和普通FC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同，所以對(duì)時(shí)間觸發(fā)FC網(wǎng)絡(luò)的建模采取普通FC的交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)中包括一個(gè)交換機(jī)和10個(gè)終端系統(tǒng)。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的消息設(shè)置如表1所示，鏈路延遲取1 μs。

圖4 TTFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表1 消息配置信息

根據(jù)消息周期生成的各個(gè)消息的調(diào)度時(shí)刻如圖5所示。

在交換機(jī)中每條時(shí)間觸發(fā)消息按照調(diào)度表在各自的調(diào)度時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送，交換機(jī)速率取1 Gb/s。用tmn表示消息調(diào)度時(shí)間，其中m表示源節(jié)點(diǎn)，n表示目的節(jié)點(diǎn)。取每種消息最早調(diào)度時(shí)刻作為其延遲計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。由調(diào)度表可知各個(gè)消息的調(diào)度時(shí)間為：

相應(yīng)的：

圖5 消息的調(diào)度時(shí)刻

依次類(lèi)推：

統(tǒng)計(jì)各個(gè)消息的調(diào)度時(shí)間如表2所示。

表2 調(diào)度時(shí)刻計(jì)算結(jié)果 μs

則各個(gè)消息的最小延遲時(shí)間為：

依次類(lèi)推：

各個(gè)消息延遲時(shí)間如表3所示。

表3 消息延遲時(shí)間計(jì)算結(jié)果 μs

與前文結(jié)果相比，時(shí)間觸發(fā)服務(wù)策略明顯降低了承載關(guān)鍵緊急消息的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)幀的延遲，理論計(jì)算結(jié)果表明時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性確實(shí)有一定的改善。

6 光纖通道調(diào)度算法仿真及分析

根據(jù)第4章、第5章對(duì)光纖通道中的典型調(diào)度算法進(jìn)行的建模分析，本章借助OPNET10.0仿真工具，根據(jù)圖4交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)時(shí)間觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)進(jìn)行建模，交換機(jī)物理鏈路速率設(shè)置為1 Gb/s，每個(gè)端口設(shè)置最大允許突發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為10倍數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)，交換機(jī)提供FCFS和時(shí)間觸發(fā)兩種服務(wù)策略，仿真分析兩種服務(wù)策略下?lián)碛邢嗤W(wǎng)絡(luò)流量類(lèi)型的消息延遲與理論計(jì)算的差距，消息配置信息采用表1所設(shè)置類(lèi)型。

（1）在時(shí)間觸發(fā)服務(wù)策略下消息延遲分析

由表4可以看出，采用時(shí)間觸發(fā)調(diào)度策略理論計(jì)算值和實(shí)際仿真結(jié)果非常接近，表示具有很好的時(shí)間確定性。

表4 時(shí)間觸發(fā)策略下消息端到端延遲 μs

（2）在FCFS服務(wù)策略下消息延遲分析

由表5可以看出，在FCFS服務(wù)策略下基于網(wǎng)絡(luò)演算的理論計(jì)算值和仿真結(jié)果具有較大的差距，時(shí)間確定性較差。

表5 FCFS策略下消息端到端延遲 μs

7 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)FC-AE-ASM以及時(shí)間觸發(fā)協(xié)議規(guī)范，針對(duì)現(xiàn)有調(diào)度算法缺少時(shí)間確定性問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法，從理論和仿真兩方面對(duì)算法性能進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法擁有很好的時(shí)間確定性，對(duì)航電系統(tǒng)分析具有很好的指導(dǎo)意義。