劉洋 張志平 王晨博

摘要：該文提出了一種時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)捕獲和存儲(chǔ)方法，解決了基于數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤類(lèi)型、協(xié)議類(lèi)型、虛鏈路或目的MAC地址的過(guò)濾和捕獲、數(shù)據(jù)幀組織存儲(chǔ)和解析等問(wèn)題，滿足1Gbps和10Gbps速率的時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)的同步和通信等功能的調(diào)試和驗(yàn)證需求。

關(guān)鍵詞：TTE;數(shù)據(jù)捕獲;存儲(chǔ);虛鏈路

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）05-0008-03

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)、航空等領(lǐng)域的電子設(shè)備和系統(tǒng)越來(lái)越重視任務(wù)的實(shí)時(shí)性、安全性、確定性，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)已經(jīng)不能滿足該需求，因此，時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng) （Time Triggered Ethernet，TTE） 應(yīng)運(yùn)而生。TTE是TTTech公司針對(duì)航空、航天領(lǐng)域等特殊應(yīng)用而研發(fā)的一種高性能、強(qiáng)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)[1]，兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3，提供微秒級(jí)的時(shí)鐘同步，通信速率可達(dá)1 Gb/s。TTE應(yīng)用廣泛，例如航空電子技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[2]。

在符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備采用事件觸發(fā)機(jī)制，采用先到先服務(wù)的原則，可以在任何時(shí)間點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過(guò)共享介質(zhì)進(jìn)行通信，在通信過(guò)程中，個(gè)別消息的傳輸將產(chǎn)生不確定的抖動(dòng)和累積延遲。為了減少這樣的情況，ARINC公司在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，制定了ARINC664標(biāo)準(zhǔn)，其中第7部分為全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX網(wǎng)絡(luò)），在數(shù)據(jù)鏈路層增加了虛擬鏈路（VL）、帶寬分配間隙（BAG）、抖動(dòng)管理機(jī)制，有效減少了報(bào)文傳輸過(guò)程中的報(bào)文沖突，并且具備了實(shí)時(shí)性和確定性[3]，滿足航電系統(tǒng)中各設(shè)備信息傳輸?shù)目煽啃院痛_定性要求。

SAE組織發(fā)布了AS6802時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE）網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和AFDX網(wǎng)絡(luò)，使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間協(xié)調(diào)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，以減少傳輸延時(shí)和抖動(dòng)，從而在單一網(wǎng)絡(luò)中滿足不同事實(shí)和安全等級(jí)的應(yīng)用需要。AS6802標(biāo)準(zhǔn)支持時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的時(shí)間觸發(fā)消息（Time-Triggered消息，簡(jiǎn)稱(chēng)TT消息）、事件觸發(fā)機(jī)制的速率限制消息（Rate-Constraint消息，簡(jiǎn)稱(chēng)RC消息）和盡力而為消息（Best-Effort消息，簡(jiǎn)稱(chēng)BE消息）以及用于統(tǒng)一時(shí)間的協(xié)議控制幀（Protocol Control Frame，簡(jiǎn)稱(chēng)PCF消息）。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)ET（Event-Triggered）網(wǎng)絡(luò)由外部環(huán)境控制，對(duì)來(lái)自外部事件的刺激做出反應(yīng)，而TTE通過(guò)內(nèi)部的、集中的調(diào)度來(lái)控制自身活動(dòng)與外部環(huán)境的交互。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了防止單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障引發(fā)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障，經(jīng)常采用雙余度或者多余度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性[4]。TTE相比于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）適用性強(qiáng)。TTE可以應(yīng)用于從簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)到高可靠性和高安全性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等的各個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)，允許同時(shí)采用事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制;TTE能夠適應(yīng)10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s等多種速率的帶寬網(wǎng)絡(luò)，可充分利用現(xiàn)有帶寬，提高通信網(wǎng)絡(luò)效率;

2）兼容性好。TTE網(wǎng)絡(luò)完全兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議[5]，因此TTE無(wú)須改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有端點(diǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，只需在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中為交換機(jī)和端系統(tǒng)配備時(shí)間觸發(fā)功能即可運(yùn)行;

3）成本低。得益于TTE的兼容性，TTE網(wǎng)絡(luò)的成本能夠得到很好的控制，是TTE得到廣泛應(yīng)用的重要因素。

為了解決基于數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤類(lèi)型、協(xié)議類(lèi)型、虛鏈路或目的MAC地址的過(guò)濾和捕獲、數(shù)據(jù)幀組織存儲(chǔ)和解析等問(wèn)題，本文提出了一種TTE數(shù)據(jù)捕獲方法，滿足1Gbps和10Gbps速率的TTE同步和通信等功能的調(diào)試和驗(yàn)證需求。

2 TTE協(xié)議控制幀

TTE通過(guò)一個(gè)特殊的協(xié)議控制幀——Protocol Control Frame（PCF），來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的控制機(jī)制。TTE協(xié)議控制幀（PCF）的結(jié)構(gòu)如圖1所示。TTE協(xié)議幀的Payload字段包含著PCF幀的所有內(nèi)容，其Type字段的值為0x891d [6]。本文章所提到的一種時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的捕獲和存儲(chǔ)方法，都是通過(guò)PCF幀中所包含的信息進(jìn)行的。

3 TTE數(shù)據(jù)捕獲方法

TTE數(shù)據(jù)捕獲過(guò)程主要包括以下步驟：

步驟1：接收功能從MAC層接收數(shù)據(jù)幀，在第1個(gè)比特位到達(dá)時(shí)，記錄從RTC功能讀取的時(shí)鐘值，記為時(shí)間戳Fts;

步驟2：在MAC層接收數(shù)據(jù)時(shí)，檢查是否存在以下錯(cuò)誤：1）超長(zhǎng)幀錯(cuò)誤;2）非對(duì)齊幀錯(cuò)誤;3）幀校驗(yàn)錯(cuò)誤;4）類(lèi)型長(zhǎng)度域錯(cuò)誤。

如果MAC錯(cuò)誤過(guò)濾未使能，上述錯(cuò)誤數(shù)據(jù)也將被接收功能接受。錯(cuò)誤a數(shù)據(jù)最多存儲(chǔ)字節(jié)數(shù)為MAX_CAPTURE_LEN，錯(cuò)誤b數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)齊的字節(jié)，丟棄未對(duì)齊的比特位，錯(cuò)誤c數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤d數(shù)據(jù)按照實(shí)際接收的內(nèi)容存儲(chǔ)，并記錄數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤類(lèi)型。

步驟3：通過(guò)MAC接收的幀，依據(jù)緩沖管理控制器配置對(duì)數(shù)據(jù)幀字段進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包含以下幾項(xiàng)：1）CS幀接收使能;2）CA幀接收使能;3）IN幀接收使能;4）IN幀成員閾值;5）TT幀接收使能;6）RC幀接收使能;7）BE幀接收使能。

步驟4：通過(guò)對(duì)步驟2和步驟3所檢查的數(shù)據(jù)，比較數(shù)據(jù)幀實(shí)際長(zhǎng)度FrameLen和MAX_CAPTURE_LEN：