兼容时间触发以太网与1553b的航天以太网通信方法
【专利摘要】本发明涉及时间触发以太网领域，为使得新一代航天以太网总线(AEB)具有高速率、强实时、高可靠、安全可信的优势，既有1553的高可靠，又兼具以太网的低成本。且现有的武器飞行器等系统均采用1553的方案，用户可不用做任何改动，平滑实现1553到AEB的过渡，降低成本的同时依然可保证稳定性和可靠性。本发明采用的技术方案是，兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，采用时间触发兼容协议架构传输三种不同优先级的数据帧：命令相应数据、IT应用数据和时间触发数据，这三种帧都采用标准以太网帧格式，只不过因为经过不同协议的封装导致type域的值有所不同。本发明主要应用于以太网通信。
【专利说明】
兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及时间触发以太网领域，具体讲，涉及兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网总线。
【背景技术】
[0002]随着航天科技的不断发展进步，航天技术已在民用领域广泛造福于全人类，尤其在空间探测、卫星导航、气象观测以及地外生命探索等领域达到了前所未有的高度。但同时也造成了航天器整体系统的日益复杂，虽经历了电子技术的多次更新换代，每一个单机设备的处理能力得到了巨大提升，但设备间的互联传输系统略显落后。基本仍然沿用二三十年前的传输架构，即控制总线采用1553总线、1394总线等，数据传输采用额外的专用总线，不仅架构复杂、成本高，而且软件工作量巨大，通常需要针对传输控制设计专用的软硬件系统。随着未来航天器系统任务载荷的进一步增加，用于通信传输系统的人力物力投入将成倍增长，这与民用航天系统低成本、高效率的宗旨相矛盾，成为限制航天器系统整体性能的瓶颈。因此有必要研制一套统一的传输网络总线，在同一网络总线中既可以实时、可靠的完成控制信息传输，又可以高速的完成大数据量信息的传输，同时具有安全可信措施，保证关键信息传输的安全性和可靠性。因此需要一种兼容时间触发以太网与1553的新一代航天以太网总线。
[0003]时间触发以太网技术在以太网终端和交换机的通信控制器上提供时间触发服务，将时钟同步信息传遍全网并同步全网所有设备通信控制器上的本地时钟，从而使得全网在统一的时钟控制下，通过事先制定好的调度规则发送时间触发数据(Time-TriggeredMessage，TTM)，实现TTM的无冲突可靠发送，保证TTM的实时性和带宽需求。并且在无时间触发数据发送的情况下，全面兼容现有以太网标准正常发送速率受限数据和尽力而为数据。其时间确定性、故障机制、高实时性和Ethernet的特点以及“尽力而为”相结合。为同步的、高度可靠嵌入式计算与网络、容错设计提供支持。
[0004]时间触发以太网建立了更加精准的时钟同步体制，使得同步精度精确到纳秒级以保证实时数据准确无误的传输。时间触发以太网通过在MAC层上实施时间触发控制，在全网同步下提供无竞争状态的时间触发信息传送保障。
[0005]目前尚无成熟技术报道。
【发明内容】
[0006]为克服现有技术的不足，本发明旨在使得新一代航天以太网总线(AEB)具有高速率、强实时、高可靠、安全可信的优势，既有1553的高可靠，又兼具以太网的低成本，此外依靠冗余设计更进一步提高可靠性。且现有的武器飞行器等系统均采用1553的方案，用户可不用做任何改动，平滑实现1553到AEB的过渡，降低成本的同时依然可保证稳定性和可靠性。本发明采用的技术方案是，兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，采用时间触发兼容协议架构传输三种不同优先级的数据帧:命令相应数据、IT应用数据和时间触发数据，这三种帧都采用标准以太网帧格式，只不过因为经过不同协议的封装导致type域的值有所不同；
[0007]a)时间触发数据
[0008]时间触发数据具有最高优先等级，该类型以太网帧采用抢占模式传输，时间触发数据通过时间触发服务直接传入底层，或者通过TCP/IP协议传入MAC层，当节点时钟到达配置传输时间触发数据时间点，通信链路将会腾空所有正在传输的数据，转入为时间触发数据服务；
[0009]b)命令响应数据
[0010]命令响应数据与时间触发数据相比实时性较低，不需要按系统同步时钟的时间发送，因此命令响应数据有可能在网络交换机中排队等待，以保证时间触发数据的无冲突无等待传输;命令响应数据既通过1553传输控制协议直接进入MAC层，或者先通过TCP/IP协议再进入MAC层；
[0011]C) IT应用数据
[0012]优先级最低，通过TCP/IP协议传入MAC层。
[0013](I)当数据通过1553B传输控制协议传输:当应用层有数据下发到网络层时，1553B传输控制协议会在数据部分的前面加入命令字，在数据部分的后面加入状态字以构成一个完整的消息，将多个消息组织起来形成帧，该帧下发给MAC层；
[0014](2)当数据通过TCP/IP协议传输:TCP/IP协议在数据部分的前面加入首部，在数据信息的尾部加入CRC冗余校验以构成完整的帧。该帧即下发给MAC层；
[0015](3)当数据通过时间触发协议时:在时间触发协议中加入精准的时钟同步体制，即数据信息是按照固定的时间间隔来发送，时钟同步的控制机制是通过一种控制帧-协议控制帧PCF来实现的，协议控制帧在普通以太网帧的Type域的值是0x891d，协议控制帧的内容填充在正常以太网帧的数据域字段；当有数据信息经过时间触发协议的时候，时间触发协议会按照协议控制帧的帧结构在数据部分加入协议控制帧以构成完整的帧，该帧即可以下发给MAC层。
[0016]该协议控制帧共有6个字段:
[0017](I)Integrat1n Cycle字段:32bit，表示本PCF帧所在的整合周期；
[0018](2)Membership New字段:32bit，是一个比特向量，向量中的每一个比特代表网络中对应的一个同步控制器SM;
[0019](3)Sync Pr1rity字段:8bit，是预先配置的该设备的同步优先级；
[°02°] (4)Sync Domain字段:8bit，是预先配置的该设备的同步域；
[0021 ] (5)Type字段:指明了该PCF帧的类型；
[0022](6transparent clock字段:64bit，存储该PCF帧从它得发送方到最终接收方所经历的延迟。
[0023]在MAC层和网络层之间加入多业务调度、无缝冗余、安全可信机制。
[0024]容错机制共包括:
[0025]I)超时监视技术
[0026]超时监视技术即以时限作为判断标准，来仲裁通道是否发生故障；
[0027]2)速率限制
[0028]在接纳控制器设置每个终端节点端口的速率最大值来限制节点向整个网络发送数据的最大速率。当速率超过设置的最大值时，设计接纳控制器直接掐断该节点端口禁止向系统网络发送数据并提示发现故障；
[0029]3)多通道
[0030]在数据传输上，采用多通道并行运行。
[0031 ]无缝冗余机制:
[0032]采用静态冗余中的高可靠无缝冗余(HSR)协议；
[0033](3)安全可信机制:
[0034]采用EPA的安全通信机制:包含EPA协议类型、IP报文头、UDP报文头、EPA应用层服务报文头和EPA安全通信数据单元;其中EPA安全通信数据单元(FSPDU)通过采用关系密钥、序列号、时间戳和CRC校验等措施来保证通信的数据完整性和时间有效性。
[0035]本发明的特点及有益效果是:
[0036]本发明应用802.3传统以太网的物理层和数据链路层，及1553的数据传输控制，可配置时间触发以太网功能，又增加无缝冗余和安全可信机制，使得新一代航天总线可以高速准确的完成大数据量信息的传输，同时具有安全可信措施。同时兼容了 1553协议，可以实现1553总线到AEB的平滑过渡。
【附图说明】
:
[0037]图1时间触发兼容协议架构示意图。
【具体实施方式】
[0038]本发明涉及时间触发以太网领域，其将时间触发技术的确定性、容错机制和实时性能同普通以太网的灵活性、动态性能以及“尽力而为”的能力相结合。为同步的、高度可靠嵌入式计算与网络、容错设计提供支持。
[0039]本发明所采用的技术方案是:应用802.3传统以太网的物理层和数据链路层，及1553的数据传输控制，可配置时间触发以太网功能，又增加无缝冗余和安全可信机制，在同一网络总线中既可以实时、可靠的完成控制信息传输，又可以高速的完成大数据量信息的传输，同时具有安全可信措施，保证关键信息传输的安全性和可靠性。
[0040]为了实现兼容时间触发以太网与1553B的新一代航天以太网总线，提出一种时间触发兼容协议架构。时间触发兼容协议架构支持各种实时和安全需求的网络模型，并且兼容标准以太网协议，时间触发兼容协议架构传输三种不同优先级的数据帧:命令相应数据、IT应用数据和时间触发数据。
[0041 ]在1553B总线的基础上，应用802.3传统以太网的物理层和数据链路层，在不改变物理层和数据链路层原有的协议的情况下，配置时间触发以太网功能。其实现方法为在IP层加入时间触发服务，即改变帧结构，通过事先制定好的调度规则发送时间触发数据，实现时间触发数据的无冲突可靠发送，保证数据传送的实时性和带宽需求。同时在MAC层和IP层之间增加无缝冗余和安全可信机制，使得在同一网络总线中既可以实时、可靠的完成控制信息传输，又可以高速的完成大数据量信息的传输。
[0042]时间触发兼容协议架构(图1)传输三种不同优先级的数据帧:命令相应数据、IT应用数据和时间触发数据。最左端为命令响应数据，其可以通过1553传输控制协议和传统的TCP/IP协议传入物理层。中间为IT应用数据，为最简单的服务数据，可以通过1553传输控制协议、TCP/IP协议和时间触发协议传入物理层。一般情况下，IT应用数据只通过TCP/IP协议传入物理层，因为其不要求实时、高速的传输。最右端为时间触发数据，其可以通过时间触发协议和TCP/IP协议传入物理层，一般情况下，时间触发数据通过时间触发协议进行传输，因为该数据大部分为控制数据，要求实时、高速的传输。
[0043]三种不同优先级的数据在MAC层中又加入无缝冗余、安全可信机制再传入物理层，以保证数据传输的安全性和可靠性。下面分别介绍3种不同类型协议的传输方式和流程。
[0044](I)当数据通过1553B传输控制协议时:在1553B传输协议的控制下，数据总线上的信息流由消息组成，有10种消息格式。消息由3种类型字组成，分别为命令字、数据字和状态字，每个消息至少包含2个字(当没有数据时只有命令字和状态字)。每个字的首部为3个同步头位，中间为16个消息位，尾部为I个奇偶校验位。3种类型字的前3个同步位和最后一位奇偶校验位相同，中间的16个消息位有所不同。其中命令字的消息位包括RT地址，数据字个数，方式代码等信息。数据字的消息位即为应用层下发来的数据。状态字的消息位包括消息差错，服务信息，动态总线控制接收等信息。因为1553B传输控制协议工作在网络层，当应用层有数据下发到网络层时，1553B传输控制协议会在数据部分(即数据字)的前面加入命令字，在数据部分的后面加入状态字以构成一个完整的消息。每个消息最多包含32个数据字，最多包含36个字。为了完成一定的功能，就要将多个消息组织起来形成帧。该帧即可以下发给MAC层。
[0045](2)当数据通过TCP/IP协议时:一个IP数据报由首部和数据部分组成。当数据信息通过TCP/IP协议时，TCP/IP协议会在数据部分的前面加入首部。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报所必须具有的。在首部的固定部位后面是一些可选字段，其长度是可变的。其中固定长度部分的字段包含版本，首部长度，片偏移，生存时间，协议等信息。可变部分是一个选项字段，选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，其字段的长度可变，从I个字节到40个字节不等。在加入首部后，在数据信息的尾部加入CRC冗余校验以构成完整的帧。该帧即可以下发给MAC层。
[0046](3)当数据通过时间触发协议时:在时间触发协议中，最重要的是加入了精准的时钟同步体制，即数据信息是按照固定的时间间隔来发送的。时钟同步的控制机制主要是通过一种特殊的控制帧-协议控制帧(PCF)来实现的。协议控制帧在普通以太网帧的Type域的值是0x891 d，协议控制帧的内容填充在正常以太网帧的数据域字段。该协议控制帧共有6个字段。
[0047](7)Integrat1n Cycle字段:32bit，表示本PCF帧所在的整合周期。
[0048](8)Membership New字段:32bit，是一个比特向量，向量中的每一个比特代表网络中对应的一个同步控制器SM。
[0049](9)Sync Pr1rity字段:8bit，是预先配置的该设备的同步优先级。
[0050](1)Sync Domain字段:8bit，是预先配置的该设备的同步域。
[0051 ] (I I) Type字段:指明了该PCF帧的类型。
[0052](12)Transparent clock字段:64bit，存储该PCF帧从它得发送方到最终接收方所经历的延迟。
[0053]当有数据信息经过时间触发协议的时候，时间触发协议会按照上述的协议控制帧的帧结构在数据部分加入协议控制帧以构成完整的帧。该帧即可以下发给MAC层。
[0054]在数据信息经过IP层形后还要加入容错机制、无缝冗余机制和安全可信机制。下面分别介绍加入三种机制的实现方法:
[0055](I)容错机制共包括三种技术:
[0056]1.超时监视技术
[0057]超时监视技术即以时限作为判断标准，来仲裁通道是否发生故障。时间触发数据(TTM)的实时性要求非常高，时限的要求十分苛刻，故在系统仿真中采用超时监视技术来诊断故障模型。
[0058]2.速率限制技术
[0059]接纳控制器设置了每个终端节点端口的速率最大值来限制节点向整个网络发送数据的最大速率。当速率超过设置的最大值时，设计接纳控制器直接掐断该节点端口禁止向系统网络发送数据并提示发现故障。
[0060]3.多通道技术
[0061]在数据传输上，采用多通道并行运行技术。在CM上采用超时技术和速率限制技术进行故障诊断。若发现故障，则认为该通道发送故障无法正常完成数据传输功能，产生提示信息。由于多通道的存在保证了照样能正常运转。TTE采用了交换机和端系统集中保护措施，即接纳控制器。保护机制可以检查网络通信是否按照预先定义的参数工作。如果错误的系统阻塞了网络段，保护机制就会掐断这个网络段或接口。多重冗余的保护机制的采用能很好的满足了高安全性的要求。
[0062](2)无缝冗余机制:
[0063]由于时间触发数据实时性要求很高，所以要求网络具有零故障恢复时间，然而，以太网协议和TCP/IP协议本身未定义冗余通信方式，因此在该协议架构中需要加入无缝冗余机制。
[0064]IEC62439.3提出了两种可行的增加网络冗余的解决方式:网络内部冗余和冗余至终端节点。网络内部冗余方式有冗余的链路和交换机，但是节点只有一个端口连入交换机，网络是部分冗余的，并且通常处于非活动状态，所以引入了故障恢复延迟。冗余至终端节点方式中终端节点有额外的通信链路，并行网络或路径提供了高可靠性和零故障恢复时间，从而能够满足一些特殊场合的应用。
[0065]冗余协议通常分为两类，第一类是动态冗余管理，此时冗余实体只会在网络发生故障时工作，比如生成树协议(STP)、快速生成树协议(RSTP)以及IEC提出的介质冗余协议(MRP)。这些协议正常工作时通过阻塞有环路的节点的一条链路来避免环路，故障发生后启用被阻塞的冗余通路，从而尽量减少故障恢复时间。另一类是静态冗余，此时冗余实体与正常网络同时工作，例如并行冗余协议(PRP)和高可靠无缝冗余(HSR)协议。PRP在第二层引入冗余机制，从而对上层的协议保持完全透明。其双连接节点同时使用两个相互独立的网络传输数据，从而保证零故障恢复时间。本架构认为使用静态冗余中的高可靠无缝冗余(HSR)协议能更好的增加时间触发数据(TTE)的冗余度，以达到最好的冗余效果。
[0066](3)安全可信机制:
[0067]本架构的安全可信机制使用了EPA的安全通信机制。EPA安全通信报文包含了EPA协议类型、IP报文头、UDP报文头、EPA应用层服务报文头和EPA安全通信数据单元。其中最主要的为EPA安全通信数据单元(FSPDU) ASPDU通过采用关系密钥、序列号、时间戳和CRC校验等措施来保证通信的数据完整性和时间有效性。
[0068]1.关系密钥:4Byte。对于每一对通信关系，通信源和通信目的方具有唯一的通信标识(关系密钥)。用来防止寻址错，即安全相关报文发往错误的安全相关参与者。关系密钥用来构成CRC，但不用于通信。
[0069]2.序列号:2Byte。用来标识通信发起方发送数据的顺序，范围为0_255。初始时为O，每成功发送一个EPA功能安全通信数据报文，就将序列号增加I ο当达到255时，重新返回I ο每一项服务对应一个序列号。
[0070]3.时间戳:8Byte。记录EPA功能安全层数据发送的时刻。接收方接收到报文时，须检测接收到报文的时间戳与接收时的时间之差是否超过了最大允许时间，若超过则判定为延时故障。
[0071 ] 4.CRC校验:4Byte。CRC计算与普通除法不同，普通除法是借位相减，而CRC计算则是异或运算。使用CRC时，黑色通道不能使用与功能安全层相同的CRC多项式。通过关系密钥、序列号、时间戳、用户数据来CRC的值。
[0072]三种不同类型的数据通过多业务调度实现不同优先级的传输。可以根据人工选择的方式来决定何种类型的数据通过何种类型的协议进行传输。
[0073]a)时间触发数据
[0074]在该架构所支持的三种数据流中，时间触发数据在整个系统具有最高优先等级，该类型以太网帧采用抢占模式传输。时间触发数据既可以通过时间触发服务直接传入MAC层，也可以通过传统的TCP/IP协议传入底层。因为该数据类型实时性要求较高，大部分通过时间触发协议传入MAC层。当节点时钟到达配置传输时间触发数据时间点，通信链路将会腾空所有正在传输的数据，转入为时间触发数据服务。保证了时间触发数据能无冲突、无等待传输。
[0075]b)命令响应数据
[0076]命令响应数据与时间触发数据相比实时性较低，不需要按系统同步时钟的时间发送，因为时间触发数据抢占了传输信道，因此命令响应数据有可能在网络交换机中排队等待，以保证时间触发数据的无冲突无等待传输。命令响应数据既可以通过1553传输控制协议直接进入MAC层也可以先通过TCP/IP协议再进入MAC层。由于命令响应数据的优先级高于IT应用数据，因此大部分的命令响应数据会通过1553B控制协议传入MAC层。
[0077]c )IT应用数据
[0078]IT应用数据是最简单的服务数据，不使用复杂确认系统来保证可靠的信息传输。使用网络的应用程序可以在它认为必须的时候随时发出任意数量的数据，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络，因此它的优先级最低。IT应用数据不需要高实时性，因此通过TCP/IP协议传入底层，以保证时间触发数据高实时，高可靠的传输。
[0079]同时在MAC层和网络层之间加入多业务调度、无缝冗余、安全可信机制，以保证在总线中既可以实时、可靠的完成控制信息传输，又可以高速的完成大数据量信息的传输，同时具有安全可信措施，保证关键信息传输的安全性、可靠性和高速性。
【主权项】
1.一种兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，其特征是，采用时间触发兼容协议架构传输三种不同优先级的数据帧:命令相应数据、IT应用数据和时间触发数据，这三种帧都采用标准以太网帧格式，只不过因为经过不同协议的封装导致type域的值有所不同； a)时间触发数据 时间触发数据具有最高优先等级，该类型以太网帧采用抢占模式传输，时间触发数据通过时间触发服务直接传入底层，或者通过TCP/IP协议传入MAC层，当节点时钟到达配置传输时间触发数据时间点，通信链路将会腾空所有正在传输的数据，转入为时间触发数据服务； b)命令响应数据 命令响应数据与时间触发数据相比实时性较低，不需要按系统同步时钟的时间发送，因此命令响应数据有可能在网络交换机中排队等待，以保证时间触发数据的无冲突无等待传输;命令响应数据既通过1553传输控制协议直接进入MAC层，或者先通过TCP/IP协议再进入MAC层； c )ιτ应用数据 优先级最低，通过TCP/IP协议传入MAC层。2.如权利要求1所述的兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，其特征是， (1)当数据通过1553B传输控制协议传输:当应用层有数据下发到网络层时，1553B传输控制协议会在数据部分的前面加入命令字，在数据部分的后面加入状态字以构成一个完整的消息，将多个消息组织起来形成帧，该帧下发给MAC层； (2)当数据通过TCP/IP协议传输:TCP/IP协议在数据部分的前面加入首部，在数据信息的尾部加入CRC冗余校验以构成完整的帧。该帧即下发给MAC层； (3)当数据通过时间触发协议时:在时间触发协议中加入时钟同步体制，即数据信息是按照固定的时间间隔来发送，时钟同步的控制机制是通过一种控制帧-协议控制帧PCF来实现的，协议控制帧在普通以太网帧的Type域的值是0X891d，协议控制帧的内容填充在正常以太网帧的数据域字段；当有数据信息经过时间触发协议的时候，时间触发协议会按照协议控制帧的帧结构在数据部分加入协议控制帧以构成完整的帧，该帧即可以下发给MAC层。3.如权利要求2所述的兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，其特征是，协议控制帧PCF共有6个字段: (1)Integrat1nCycle字段:32bit，表示本PCF帧所在的整合周期； (2)MembershipNew字段:32bit，是一个比特向量，向量中的每一个比特代表网络中对应的一个同步控制器SM; (3)SyncPr1rity字段:8bit，是预先配置的该设备的同步优先级； (4)SyncDomain字段:8bit，是预先配置的该设备的同步域； (5)Type字段:指明了该PCF帧的类型； (6)Transparentclock字段:64bit，存储该PCF帧从它得发送方到最终接收方所经历的延迟。4.如权利要求1所述的兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，其特征是，在MAC层和网络层之间加入多业务调度、无缝冗余、安全可信机制。5.如权利要求4所述的兼容时间触发以太网与1553B的航天以太网通信方法，其特征是， 容错机制共包括: 1)超时监视技术 超时监视技术即以时限作为判断标准，来仲裁通道是否发生故障； 2)速率限制 在接纳控制器设置每个终端节点端口的速率最大值来限制节点向整个网络发送数据的最大速率。当速率超过设置的最大值时，设计接纳控制器直接掐断该节点端口禁止向系统网络发送数据并提示发现故障； 3)多通道 在数据传输上，采用多通道并行运行。 无缝冗余机制: 采用静态冗余中的高可靠无缝冗余(HSR)协议； (3)安全可信机制: 采用EPA的安全通信机制:包含EPA协议类型、IP报文头、UDP报文头、EPA应用层服务报文头和EPA安全通信数据单元；其中EPA安全通信数据单元FSPDU通过采用关系密钥、序列号、时间戳和CRC校验等措施来保证通信的数据完整性和时间有效性。
【文档编号】H04L12/40GK105991384SQ201610487926
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】汪清, 杨耀通, 朱啸天, 方浩宇, 赵爽
【申请人】天津大学