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        一種基于TTE調(diào)度表的資源分配算法

        2019-06-13 10:57:28李世興崔迎春王曉勇
        火力與指揮控制 2019年5期
        關(guān)鍵詞:端系統(tǒng)時(shí)標(biāo)時(shí)間段

        梁 棟,趙 剛,李世興,崔迎春,王曉勇

        (北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所,太原 030006)

        0 引言

        近年來(lái)航空電子體系結(jié)構(gòu)逐漸興起,時(shí)間觸發(fā)(Time-Triggered)通信機(jī)制在它的影響下也漸漸開(kāi)始被人們所關(guān)注。TT體系架構(gòu)主要是在保證全局時(shí)間同步的基礎(chǔ)上,通過(guò)已經(jīng)設(shè)定好的資源分配計(jì)劃,使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠有序高效地運(yùn)行,并提高對(duì)資源的利用率。時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time-Triggered Ethernet)就是在上述的架構(gòu)下提出的,通過(guò)用時(shí)間觸發(fā)代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的事件觸發(fā),使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的情況下,各種信息流的傳輸具備更高的實(shí)時(shí)性。全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full-Duplex Switched Ethernet,AFDX)在機(jī)載信息量增大的情況下暴露了時(shí)延抖動(dòng)大,同步精度低,確定性不夠強(qiáng),帶寬利用率低等問(wèn)題,不能滿(mǎn)足DIMA對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的需求[1]。

        TTE網(wǎng)絡(luò)為了滿(mǎn)足不同實(shí)時(shí)性和關(guān)鍵性數(shù)據(jù)流傳輸?shù)男枨?,提出?種不同的消息類(lèi)型:時(shí)間觸發(fā)(Time-Triggered,TT)消息,速率受限(Rate-Constrained,RC)消息和“盡力傳”(Best-Efforts)消息[2]。TT消息主要傳輸一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的重要信息,傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)最高。RC消息主要傳輸一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的網(wǎng)絡(luò)信息,優(yōu)先級(jí)低于TT消息。BE消息主要是傳輸一些對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有太高要求的網(wǎng)絡(luò)信息,優(yōu)先級(jí)在這三者中的地位最低。

        TT消息在網(wǎng)絡(luò)上根據(jù)原先已經(jīng)規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行傳輸,但是如果調(diào)度表資源分配不當(dāng),各端系統(tǒng)按預(yù)先定義時(shí)刻發(fā)送的TT消息可能會(huì)發(fā)生沖突,從而導(dǎo)致消息的丟失。本文主要研究了基于調(diào)度表的資源分配算法,使交換機(jī)能對(duì)各個(gè)端系統(tǒng)發(fā)送的TT消息進(jìn)行合理的收發(fā)。

        1 TTE調(diào)度表資源分配策略

        在TTE網(wǎng)絡(luò)中,常用的調(diào)度方式是在各發(fā)送端預(yù)先離線(xiàn)設(shè)計(jì)好任務(wù)調(diào)度表,然后根據(jù)調(diào)度表進(jìn)行消息的發(fā)送。調(diào)度表中包含一個(gè)矩陣周期,由若干個(gè)基本周期組成[3-4]。如圖1所示,每個(gè)基本周期又可以分為兩段,TT幀在基本周期前一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送,RC幀與BE幀在TT幀后面的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送。為了不影響下一周期TT幀的發(fā)送,在每個(gè)基本周期末尾都會(huì)預(yù)留一定長(zhǎng)度的時(shí)間作為保護(hù)間隔[5]。

        在保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘精確同步的前提下,通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的任務(wù)調(diào)度表,使交換機(jī)在接收各個(gè)端系統(tǒng)發(fā)送的TT流量過(guò)程中避免了消息的沖突,減少了數(shù)據(jù)的丟失。本文不考慮時(shí)鐘漂移對(duì)信息傳輸?shù)挠绊?,假設(shè)系統(tǒng)中設(shè)備在每個(gè)基本周期開(kāi)始時(shí)全局時(shí)鐘都是同步的。

        圖1 基本周期TT段資源分配表

        將時(shí)間分成若干個(gè)基本周期,將每個(gè)基本周期中專(zhuān)門(mén)接收TT任務(wù)的時(shí)間段分成有限個(gè)時(shí)間片,每一個(gè)時(shí)間片接收一個(gè)連接端系統(tǒng)的TT流。在一個(gè)基本周期內(nèi),交換機(jī)要從調(diào)度表的表頭執(zhí)行到表尾。當(dāng)一個(gè)新的基本周期開(kāi)始后,又會(huì)重復(fù)上面的循環(huán)。假如輪到某一端系統(tǒng)不發(fā)送TT消息,則相應(yīng)的時(shí)間片為空。上面所述的這種方法就是基于調(diào)度表的輪循算法,各個(gè)端系統(tǒng)合理分配到調(diào)度表中的帶寬,既可以保證各個(gè)端系統(tǒng)的預(yù)約帶寬和時(shí)延,又可以提高資源的利用率。為了能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬的合理分配,提高資源利用率,本文提出基于時(shí)間觸發(fā)的公平輪循調(diào)度算法。

        2 TTE調(diào)度表的資源分配算法

        2.1 基于時(shí)間觸發(fā)的公平輪循調(diào)度算法

        設(shè)有W個(gè)端系統(tǒng)分享交換機(jī)的資源,它們各自有自己的預(yù)約帶寬要求ri(i=l,2,…,W),所有ri的和要小于等于TT段的帶寬。

        假設(shè)每一個(gè)基本周期中TT段有L個(gè)時(shí)間槽,每個(gè)時(shí)間槽里發(fā)送一個(gè)連接的TT消息,如果某個(gè)時(shí)間槽內(nèi)沒(méi)有端系統(tǒng)發(fā)送的TT消息,則該時(shí)間槽為空。

        從一個(gè)基本周期看,調(diào)度器從TT任務(wù)的表頭執(zhí)行到表尾,例如在圖1中,當(dāng)時(shí)間槽的序號(hào)為0時(shí),發(fā)送端系統(tǒng)1的TT信息,在時(shí)間槽為1時(shí)發(fā)送端系統(tǒng)4的TT信息,在時(shí)間槽n-1沒(méi)有TT信息發(fā)送,顯示為空,如此下去直到表尾。下一個(gè)基本周期又從TT消息的表頭開(kāi)始重復(fù)執(zhí)行。但是如何對(duì)調(diào)度表資源進(jìn)行合理分配,下文中提出一種基于時(shí)間觸發(fā)的公平輪循調(diào)度算法。

        時(shí)間觸發(fā)公平輪循調(diào)度算法:設(shè)調(diào)度表中一個(gè)基本周期TT段的表長(zhǎng)為L(zhǎng),基本周期的個(gè)數(shù)為a,將每個(gè)基本周期中的TT段都分成L個(gè)時(shí)間槽,總共分成aL個(gè)時(shí)間槽,其中每個(gè)時(shí)間槽的編號(hào)為0,1…L…aL-1,aL,端系統(tǒng)i的預(yù)約帶寬為ri=ni/aL(1≤ni≤aL,ni為整數(shù),表示各個(gè)端系統(tǒng)預(yù)約交換機(jī)的時(shí)間槽的個(gè)數(shù)),在調(diào)度表中,用來(lái)表示分配給端系統(tǒng)i的第k(0≤k≤ni-1)個(gè)時(shí)間槽,定義的開(kāi)始時(shí)標(biāo)為

        理想情況下,交換機(jī)應(yīng)該在時(shí)間槽中相應(yīng)的時(shí)標(biāo)開(kāi)始時(shí)刻接受TT數(shù)據(jù),然后在時(shí)標(biāo)結(jié)束的時(shí)刻將TT數(shù)據(jù)送出。TTFRR就是依據(jù)的時(shí)標(biāo)大小,將調(diào)度表中的時(shí)間槽合理地逐個(gè)分配給每個(gè)端系統(tǒng),當(dāng)沒(méi)有TT消息時(shí),顯示為空。

        2.2 基于時(shí)間觸發(fā)的整形的公平輪循

        基于時(shí)間觸發(fā)的整形的公平輪循(Time-Triggered Shaped Fair Round Robin,TTShFRR)主要是通過(guò)對(duì)結(jié)束時(shí)標(biāo)和開(kāi)始時(shí)標(biāo)的綜合利用來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的分配。假設(shè)。對(duì)調(diào)度表中的每一個(gè)時(shí)間槽T(0≤T≤aL-1)依次進(jìn)行分配,首先從所有還沒(méi)有安排的中選出開(kāi)始時(shí)標(biāo)小于或等于T的組成集合Θ,再?gòu)摩ㄖ羞x出結(jié)束時(shí)標(biāo)最小的分配給相應(yīng)的時(shí)間槽。如果有幾個(gè)的結(jié)束時(shí)標(biāo)都最小,則從中任意選取一個(gè)。

        3 TTShFRR的性能

        3.1 TTShFRR調(diào)度器的延時(shí)性和整形性

        首先將漏桶限定作用到端系統(tǒng)i的TT流量上,可用參數(shù)(Δi,ri)表示。公式中L為調(diào)度表的表長(zhǎng),ri=ni/aL是端系統(tǒng)事先約定好的帶寬,端系統(tǒng)i的突發(fā)度用Δi表示(單位是信元),則提出定理1。

        定理1 端系統(tǒng)i經(jīng)過(guò)TTShFRR調(diào)度器的最大信元時(shí)延為

        證明 在時(shí)間段 [k/ri,(1+Δi)/ri+1](k 為整數(shù))內(nèi),端系統(tǒng)i發(fā)送的TT信息必定會(huì)被調(diào)度一次。那么在時(shí)間段[t,t+M/ri](M≥1,M 為整數(shù))內(nèi) TT 消息至少會(huì)被調(diào)度M-1次。假設(shè)[t1,t2)是端系統(tǒng)i的一個(gè)backlogged時(shí)間段(即,在t1之前各個(gè)端系統(tǒng)沒(méi)有消息傳輸,從t1時(shí)間開(kāi)始一直到時(shí)刻t2,端系統(tǒng)i的隊(duì)列中一直有TT消息在等待調(diào)度),假設(shè)在backlogged時(shí)間段內(nèi)第k個(gè)到達(dá)的TT消息的到達(dá)時(shí)間為bk(k>1),被交換機(jī)選中的時(shí)間為dk,那么[t1,bk]內(nèi)到達(dá)了k個(gè)TT消息段,由端系統(tǒng)i的TT流量的漏桶參數(shù)可得

        從前面可以看出,[t1,t1+(k+1)×1/ri]內(nèi)至少被調(diào)度了k次,那么

        加上處理的時(shí)延,可以得到式(6)。證明完畢。

        定理2 端系統(tǒng)i經(jīng)過(guò)TTShRFF交換機(jī)輸出的TT流量可用參數(shù)為(2,ri)的漏桶限制。

        證明 在TTShRFF調(diào)度器輸出流量后端系統(tǒng)i具備了下面幾個(gè)性質(zhì):兩個(gè)信元之間的最小間隔為1個(gè)時(shí)間槽,3個(gè)信元之間的最小間隔為1/ri,4個(gè)信元之間的最小間隔為2/ri,以此類(lèi)推,那么m個(gè)信元之間的最小間隔為(m-2)/ri。假設(shè)一個(gè)時(shí)間為t的時(shí)間段中有 m 個(gè)信元,那么 t≥(m-2)/ri→m≤ri×t+2,證明完畢。

        定理3 端系統(tǒng)i在TTShFRR調(diào)度器中所占用的最大緩存為

        證明 設(shè)[t3,t4]為端系統(tǒng)i從t3開(kāi)始的某個(gè)backlogged時(shí)間段,Pi(t3,t4)表示在backlogged時(shí)間段內(nèi)端系統(tǒng)i到達(dá)的信元個(gè)數(shù),Qi(t3,t4)表示交換機(jī)輸出的端系統(tǒng)i的信元個(gè)數(shù)。文獻(xiàn)[1]的定理1可知至少有個(gè)端系統(tǒng)i的信元在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)被調(diào)度(表示不大于x的最大整數(shù)),將處理的時(shí)延作為考慮的對(duì)象,至少有()個(gè)端系統(tǒng)i的信元被輸出。

        顯然Pi(t3-t4)-Qi(t3-t4)<2+ri+Δi。證明完畢。

        3.2 TTShFRR的公平性

        用最大歸一化服務(wù)量的差別作為公平性的指標(biāo)。當(dāng)兩個(gè)端系統(tǒng)i和j在[t1,t2]時(shí)間段內(nèi)處于backlogged狀態(tài),則調(diào)度器在此時(shí)段內(nèi)輸出的端系統(tǒng)i的時(shí)間槽個(gè)數(shù)Si(t1,t2)和輸出的端系統(tǒng)j的時(shí)間槽個(gè)數(shù)Sj(t1,t2)滿(mǎn)足如下不等式

        4 結(jié)論

        本文主要研究了一種通過(guò)對(duì)開(kāi)始時(shí)標(biāo)和結(jié)束時(shí)標(biāo)的綜合利用,來(lái)完成調(diào)度表資源分配的時(shí)間觸發(fā)公平輪循調(diào)度算法。TTShFRR提供的最大時(shí)延保證與連接數(shù)無(wú)關(guān),同時(shí)還具有良好的公平性。具體實(shí)現(xiàn)以上算法時(shí)可以在系統(tǒng)中維護(hù)兩個(gè)調(diào)度表。在接收端系統(tǒng)發(fā)來(lái)的TT消息時(shí),交換機(jī)設(shè)計(jì)出新的調(diào)度表,舊的調(diào)度表繼續(xù)供端系統(tǒng)使用;當(dāng)交換機(jī)將新的調(diào)度表中的數(shù)據(jù)填好后,新的調(diào)度表和舊的調(diào)度表進(jìn)行切換,然后再形成新的調(diào)度表。后面將對(duì)算法的時(shí)延性及公平性等性能進(jìn)行研究,來(lái)證明算法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

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