基于双平面的时间触发以太网交换机及分组交换方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种时间触发以太网交换机，可应用于支持时间触发功能的的实时性、可靠性以及高安全性以太网交换网络。

背景技术：

以太网传输技术以其所具备的成本低、带宽高、适用于各种业务等优势被广泛应用于社会的各行各业。但随着分布式系统的发展，系统中设备之间数据交互的实时性、可靠性以及高安全性需求更加迫切，使得以太网技术无法适用于相应的业务领域。时间触发以太网tte的出现，将时间触发技术的实时性、确定性与传统以太网的优势相结合，有效地解决了传统以太网无法满足高实时性、可靠性需求的弊端，被广泛应用于航天航空、工业控制等具有高实时性、高安全性需求的领域。时间触发以太网tte交换机作为时间触发以太网中重要的组成部分，其设计结构及交换方法直接影响时间触发以太网的工作性能。一方面，时间触发以太网交换机能够实现对时间触发tt业务的确定性、实时性转发，另一方面，时间触发以太网交换机兼容普通以太网，能够对确定性、实时性要求不严格的事件触发et业务进行转发。

北京计算机技术及应用研究所在其申请的专利文献“一种高同步的时间触发以太网装置及方法”(申请号：201710616838.7，公开号：cn107483135a)中公开了一种时间触发以太网交换机。该装置包括交换/控制逻辑、本地时钟、同步原语接收模块、时钟同步模块、时间触发器、中央控制器、任务调度控制模块。所述交换/控制逻辑，用于进行交换机对其所连网络端系统进行控制；所述本地时钟，用于提供交换机整体的工作时钟；所述同步原语接收模块，用于接收由端系统发送来的数据，区分出时钟同步原语和传输数据帧，并向中央控制器传输者两部分数据；所述时钟同步模块，用于接收中央控制器发出的时钟同步控制命令，产生时钟同步具体信息，并实现时钟同步；所述时间触发器，用于提供时间触发事件所需的时间触发条件和时间信息；所述中央控制器，用于控制交换机内的各模块的工作；所述任务调度控制模块，依据任务调度表，用来对交换机中收到的数据进行分类控制，将不同的数据放进对应的数据缓冲区中。该装置存在的不足之处是，任务调度控制模块统一对时间触发tt业务、事件触发et业务进行调度处理，时间触发tt业务与事件触发et业务在内部调度等大部分的操作中互相干扰，导致时间触发tt业务在交换机内部处理时延过长，无法保证时间触发tt业务的确定性与实时性要求。

技术实现要素：

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于双平面的时间触发以太网交换机及分组交换方法，以保证时间触发tt业务的绝对优先级转发，最大限度减小时间触发tt业务的转发时延，满足时间触发tt业务的确定性与实时性要求。

为实现上述目的，本发明基于双平面的时间触发以太网交换机，是通过可编程逻辑芯片fpga实现，该交换机的交换平面分为时间触发tt交换平面与事件触发et交换平面，其中时间触发tt交换平面负责时间触发tt业务的交换和时间同步；事件触发et交换平面负责对事件触发et业务进行交换。整个以太网交换机包括：

输入分流模块，用于接收从交换机的网络接口传入交换机内部的数据帧，根据提取出的数据帧头中的帧类型值将帧数据分类为协议控制pcf帧、时间触发tt业务帧和事件触发et业务帧，并将协议控制pcf帧送入时钟同步器，将时间触发tt业务帧送入时间触发tt交换平面，将事件触发et业务帧送入事件触发et交换平面；

时钟同步器，用于对协议控制pcf帧进行固化和压缩，计算出全局同步时钟值，为时间触发tt交换平面提供稳定的全局同步时钟值；

时间触发tt交换平面，用于对时间触发tt业务帧进行过滤，并将过滤后的帧数据转发到到输出仲裁模块；

事件触发et交换平面，用于对事件触发et业务帧进行存储和调度，并将调度后的帧数据转发到到输出仲裁模块；

所述输出仲裁模块，用于对时间触发tt交换平面和事件触发et交换平面传入的数据帧进行仲裁，确定优先要发送的数据帧。

本发明利用上述交换机进行分组交换的方法，包括以下步骤

1)根据以太网数据帧类型域字段，判断传入数据帧的类型：

1a)数据帧从交换机的网络接口传入交换机内部，在数据帧头首字节存入数据寄存器时，启动一个计数器计算当前接收的字节相对于数据帧头首字节的偏移量；

1b)当计数器从1计数到14和15时，提取数据寄存器中对应的数据帧头类型域字段；

1c)根据提取的数据帧头类型域字段值判断当前接收数据帧类型：

若类型域字段值为“0x891d”，则判断为协议控制pcf帧，执行步骤2)；

若类型域字段值为“0x88d7”，则判断为时间触发tt业务帧，执行步骤3)；

若类型域字段值为其余类型值，则判断为事件触发et业务帧，执行步骤4)；

2)对协议控制pcf帧进行固化和压缩处理，计算出全局同步时钟值，将该全局同步时钟值传入时间触发tt交换平面，作为时间触发tt业务帧接收与转发的时间基准；

3)过滤、转发时间触发tt业务帧：

3a)根据配置的时间调度表，在规划的接收时间点开启数据接收窗口，接收传入的时间触发tt业务帧，丢弃数据接收窗口关闭后到达的数据帧；

3b)提取时间触发tt业务帧id号，丢弃业务id号与时间调度表的id号字段不一致的接收帧，完成对时间触发tt业务帧的过滤；

3c)将过滤后的时间触发tt业务帧数据通过直通式全互连交换网络转发到数据存储器；

3d)根据配置的时间调度表，在规划的转发时间点接收到数据转发指令后，判断数据存储器内部是否存有一个完整的数据帧，若有，则发送该数据帧到输出仲裁模块，执行步骤5)；否则，拒绝本次发送，返回步骤1)；

4)将传入的事件触发et业务帧进行依次进行分组处理、队列管理及调度，将调度后的数据帧经过crossbar交换网络转发到输出仲裁模块，执行步骤5)；

5)仲裁输出总线优先要发送的数据帧：

当时间触发tt业务帧需要输出总线发送时，打断或阻塞et平面的输出数据帧，并通过输出总线将时间触发tt业务帧进行发送；

当事件触发et业务帧需要输出总线发送时，根据该事件触发et业务帧的帧长度和时间触发tt业务帧的发送窗口时间，判断该事件触发et业务帧的发送时段是否与时间触发tt业务的发送窗口产生重叠，若不产生重叠，则通过输出总线发送事件触发et业务帧，否则，不允许事件触发et业务帧的发送。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于交换机的交换平面具有时间触发tt交换平面与事件触发et交换平面，时间触发tt交换平面采用直通式转发，在输入端完成对时间触发tt业务帧合法性检测后，直接通过全互联网络转发到输出端口；事件触发et交换平面采用存储转发，数据帧通过crossbar交换网络完成转发；相对于传统以太网交换机存储转发式的单平面交换，这种双交换平面保证了时间触发tt业务的绝对优先级转发，减小了时间触发tt业务的转发时延；

2.本发明由于通过输出仲裁模块对输出总线优先要发送的数据帧进行仲裁，对时间触发tt业务帧进行绝对优先级转发，对事件触发et业务帧的输出申请进行了可行性判断，可在保证时间触发tt业务帧实时转发的前提下，减少了事件触发et业务帧错误数据碎片的产生；

3.本发明由于在时间触发tt业务帧的接收缓存过程中，首先对数据帧长进行检测，直接丢弃帧长超限的数据帧，然后提取时间触发tt业务帧的id号，丢弃业务id号与时间调度表id号字段不一致的接收帧，减少了在网络中传播的错误帧数量；

4.本发明由于在时间触发tt业务帧的接收过程中采用了开启数据接收窗口的方法，以接收窗口关闭时间点加上数据帧缓存窗口长度作为数据帧的转发时间点，不论该时间触发tt业务帧在接收窗口内何时到达，转发时间点是固定的，抵消数据帧在上游路径传输时产生的时延不确定性，提高了时间触发tt业务帧转发时间的确定性。

附图说明

图1为本发明装置的结构图；

图2为本发明装置中输入分流模块结构图；

图3为本发明装置中时间触发tt交换平面结构图；

图4为本发明装置中事件触发et交换平面结构图；

图5为本发明装置中输出仲裁模块结构图；

图6为利用本发明装置进行分组交换的总流程图；

图7为本发明分组交换中进行过滤、转发时间触发tt业务帧的子流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，本发明装置包括：输入分流模块1、时钟同步器2、时间触发tt交换平面3、事件触发et交换平面4和输出仲裁模块5。其中：

输入分流模块1接收从交换机的网络接口传入交换机内部的数据帧，并根据数据帧头中的帧类型值将帧数据分类为协议控制pcf帧、时间触发tt业务帧和事件触发et业务帧三种帧类型，并将协议控制pcf帧送入时钟同步器2，将时间触发tt业务帧送入时间触发tt交换平面3，将事件触发et业务帧送入事件触发et交换平面4；

时钟同步器2，对输入分流模块1输入的协议控制pcf帧进行固化和压缩，计算出全局同步时钟值，以为时间触发tt交换平面3提供稳定的全局同步时钟；

时间触发tt交换平面3，对输入分流模块1输入的时间触发tt业务帧进行过滤，并将过滤后的帧数据转发到到输出仲裁模块5；

事件触发et交换平面4，对输入分流模块1输入的事件触发et业务帧进行存储和调度，并将调度后的帧数据转发到到输出仲裁模块5；

输出仲裁模块5，对时间触发tt交换平面3和事件触发et交换平面4输入的数据帧进行仲裁，确定输出总线优先要发送的数据帧，完成数据帧的发送。

参照图2，输入分流模块1包括：数据寄存器11、计数器12、帧头信息提取模块13和选择器14。其中：

数据寄存器11存储从交换机的网络接口传入的数据帧；

计数器12计算数据寄存器11中存储数据帧的字节数；

帧头信息提取模块13，提取数据寄存器11中数据帧头中的类型域字段，将提取的类型域字段传输到选择器14；

选择器14，根据类型域字段将数据帧进行分类，即将类型域字段为“0x891d”的数据帧确定为协议控制pcf帧，送入时钟同步器2；将类型域字段为“0x88d7”的数据帧确定为时间触发tt业务帧，送入时间触发tt交换平面3；将类型域字段为其余类型的数据帧确定为事件触发et业务帧，送入事件触发et交换平面4。

参照图3，时间触发tt交换平面3包括：调度表模块31、调度模块32、输入处理模块33、全互连交换网络34和输出处理模块35。其中：

调度表模块31，存储事先规划的时间调度表，该时间调度表包含每种时间触发tt业务帧的发送时间点、转发时间点和接收时间点；

调度模块32，根据规划的时间调度表31，在规划的接收时间点产生数据接收指令和数据转发指令，并将数据接收指令发送到输入处理模块33，将数据转发指令发送到输出处理模块35；

输入处理模块33，接收选择器13传入的时间触发tt业务帧，根据调度模块32发来的数据接收指令，在规划的时间内开启数据接收窗口，丢弃数据接收窗口关闭后到达的数据帧，并提取时间触发tt业务id号，丢弃业务id号与时间调度表31的id号字段不一致的接收帧，完成对触发tt业务帧的过滤；并将过滤后的帧数据传输到全互连交换网络34；

全互连交换网络34，将输入处理模块33传入的帧数据通过全互联网络转发到输出处理模块35；

输出处理模块35，根据调度模块32发来的数据转发指令，判断数据存储器内部是否存有一个完整的数据帧：若有，则将全互连交换网络34传入的帧数据转发到输出仲裁模块5；否则，拒绝本次转发。

参照图4，事件触发et交换平面4包括：输入处理模块41和crossbar交换网络模块42。该输入处理模块41对接收到选择器13传入的事件触发et业务帧进行分组处理、队列管理及调度，再将调度后的数据帧传输到crossbar交换网络模块42；该交换网络模块42通过全互联网络将该数据帧传输到输出仲裁模块5。

参照图5，输出仲裁模块5包括：仲裁器模块51和数据寄存器模块52。该仲裁器模块51对接收时间触发tt交换平面3和事件触发et交换平面4传入的数据帧按时间触发tt交换平面3拥有绝对优先权的标准进行仲裁：

若存在时间触发tt业务帧需要输出总线发送，则仲裁器51打断或阻塞事件触发et交换平面4的输出数据帧，并通过输出总线将时间触发tt业务帧传输到数据寄存器模块52进行发送；

若存在事件触发et业务帧需要输出总线发送，事件触发et交换平面向仲裁器51发出输出申请，仲裁器51根据该事件触发et业务帧的帧长度和时间触发tt业务帧的发送窗口时间，判断该事件触发et业务帧的发送时段是否与时间触发tt业务的发送窗口产生重叠，若不产生重叠，则通过输出总线将事件触发et业务帧传输到数据寄存器模块52进行发送，否则，不允许事件触发et业务帧的发送。

参照图6，本发明利用上述装置进行分组交换的步骤如下：

步骤1：根据以太网数据帧类型域字段，判断传入数据帧的类型。

1a)数据帧从交换机的网络接口传入交换机内部，输入分流模块1在数据帧头首字节存入数据寄存器11时，启动计数器12计算当前接收的字节相对于数据帧头首字节的偏移量；

1b)当计数器12从1计数到14和15时，帧头信息提取模块13提取数据寄存器11中对应的数据帧头类型域字段；

1c)选择器14根据提取的数据帧头类型域字段值判断当前接收数据帧类型：

若类型域字段值为“0x891d”，则判断为协议控制pcf帧，执行步骤2；

若类型域字段值为“0x88d7”，则判断为时间触发tt业务帧，执行步骤3；

若类型域字段值为其余类型值，则判断为事件触发et业务帧，执行步骤4。

步骤2：固化和压缩pcf帧，计算全局同步时钟值。

时钟同步器2根据美国机动车工程学会saeas6802标准提出的同步方法，对选择器14输入的协议控制pcf帧进行固化和压缩处理，计算出全局同步时钟值，将该全局同步时钟值传入时间触发tt交换平面3，作为时间触发tt业务帧接收与转发的时间基准。

步骤3：过滤、转发时间触发tt业务帧。

参照图7，本步骤的具体实现如下：

3a)根据配置的时间调度表31，调度模块32在规划的接收时间点开启数据接收窗口，接收选择器14传入的时间触发tt业务帧，丢弃数据接收窗口关闭后到达的数据帧；

3b)输入处理模块33提取时间触发tt业务帧id号，丢弃业务id号与时间调度表的id号字段不一致的接收帧，完成对时间触发tt业务帧的过滤；

3c)输入处理模块33将过滤后的时间触发tt业务帧数据通过直通式全互连交换网络转发到数据存储器；

3d)根据配置的时间调度表31，输出处理模块35在规划的转发时间点接收到数据转发指令后，判断数据存储器内部是否存有一个完整的数据帧，若有，则发送该数据帧到输出仲裁模块5，执行步骤5)；否则，拒绝本次发送，返回步骤1)。

步骤4：存储转发事件触发et业务帧。

输入处理模块41将选择器14传入的事件触发et业务帧依次进行分组处理、队列管理及调度，将调度后的数据帧经过crossbar交换网络42转发到输出仲裁模块5，执行步骤5)。

步骤5：仲裁输出总线优先要发送的数据帧。

当存在时间触发tt业务帧需要输出总线发送时，输出仲裁模块5打断或阻塞事件触发et交换平面4的输出数据帧，并通过输出总线将时间触发tt业务帧进行发送；

当存在事件触发et业务帧需要输出总线发送时，输出仲裁模块5根据该事件触发et业务帧的帧长度和时间触发tt业务帧的发送窗口时间，通过下述两个判别公式判断该事件触发et业务帧的发送时段是否与时间触发tt业务的发送窗口产生重叠：

t1＜t＜t2+ifg，

t+t3+ifg＜t1，

其中，t1表示时间触发tt业务帧的发送开始时间，t2表示时间触发tt业务帧的发送结束时间，ifg表示最小帧间隔时间，t3表示事件触发et业务帧的发送时长，t表示当前时间；

若上述两个判别公式都不成立，则说明事件触发et业务帧的发送时段与时间触发tt业务的发送窗口不产生重叠，通过输出总线发送事件触发et业务帧；

否则，事件触发et业务帧的发送时段与时间触发tt业务的发送窗口产生重叠，不允许事件触发et业务帧的发送。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。