范毓洋， 肖 洪， 李子航

(1.中國民航大學(xué)，天津 300000； 2.西安電子科技大學(xué)，西安 710000)

0 引言

隨著現(xiàn)代機(jī)載系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)交互容量和性能的要求提高，航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)在很多機(jī)型上均得到廣泛應(yīng)用。由于AFDX采用虛擬鏈路(VL)的機(jī)制，與普通以太網(wǎng)相比，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間確定性和網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到了提高[1]。其中，AFDX端系統(tǒng)是AFDX網(wǎng)絡(luò)組成部分，嵌入在各航空電子系統(tǒng)中，可以通過交換機(jī)同時(shí)向一個(gè)或多個(gè)航電子系統(tǒng)提供安全、可靠的數(shù)據(jù)。端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收航電系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，通過內(nèi)置信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榉螦FDX協(xié)議的數(shù)據(jù)包形式，再通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給其他的端系統(tǒng)。反之，端系統(tǒng)同樣能夠轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)包內(nèi)信息為航電子系統(tǒng)能夠識(shí)別的信息，同時(shí)將信息傳輸給航電子系統(tǒng)。通過端系統(tǒng)和交換機(jī)共同建立起各個(gè)子系統(tǒng)間的連接關(guān)系，保證航電系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的安全和可靠性[2]。

雖然AFDX最初開發(fā)時(shí)旨在應(yīng)用于安全關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)景，但AFDX總線尚未成功應(yīng)用于需最高可靠性的關(guān)鍵系統(tǒng)的信息交互，如飛行管理信息[3]。為了擴(kuò)大AFDX總線應(yīng)用范圍，需對(duì)AFDX總線進(jìn)行一些補(bǔ)充和改進(jìn)。AFDX總線在高安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要提高AFDX網(wǎng)絡(luò)的確定性，保證網(wǎng)絡(luò)滿足所需的服務(wù)質(zhì)量QoS[4]。但是對(duì)于要求強(qiáng)實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)，其傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的確定性界限仍不易得到保證[5]。此外，若信息的數(shù)據(jù)抖動(dòng)不可控或網(wǎng)絡(luò)配置不合理，則可能出現(xiàn)某一條VL的序列號(hào)反轉(zhuǎn)，AFDX網(wǎng)絡(luò)的故障冗余不能包容此類錯(cuò)誤[6]。因此，在AFDX端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，降低時(shí)延抖動(dòng)的上限，對(duì)于提高時(shí)間的確定性和系統(tǒng)的可靠性是非常必要的。

目前AFDX端系統(tǒng)大多采用輪詢的調(diào)度策略，將數(shù)據(jù)幀信息從端系統(tǒng)發(fā)送出去。所有VL擁有相同優(yōu)先級(jí)，保證調(diào)度的公平性。但是由于AFDX端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)和機(jī)載電子系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)是異步的，數(shù)據(jù)有可能在某一個(gè)時(shí)刻集中出現(xiàn)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵，導(dǎo)致一些VL的傳輸時(shí)延很長。如果不能在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)對(duì)時(shí)延進(jìn)行有效估計(jì)和約束，則可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)范圍過大的情況，降低網(wǎng)絡(luò)的可靠性，這樣的網(wǎng)絡(luò)是難以應(yīng)用于飛控計(jì)算機(jī)或其他要求高實(shí)時(shí)性組件的。

為了使系統(tǒng)集成商或主機(jī)廠更容易配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，需保證每條VL在最差情況下的抖動(dòng)值仍滿足ARINC664標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)需求，減少每條VL的擁堵狀況。本文研究了一種基于時(shí)間窗的AFDX端系統(tǒng)調(diào)度策略，分別從確定性、最差情況抖動(dòng)、時(shí)延等方面對(duì)基于時(shí)間窗的調(diào)度策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過對(duì)該調(diào)度策略驗(yàn)證證明了基于時(shí)間窗的調(diào)度策略可以對(duì)最差情況的抖動(dòng)做出有效的約束，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。

1 基于時(shí)間窗調(diào)度策略

1.1 傳統(tǒng)輪詢調(diào)度策略

傳統(tǒng)的AFDX端系統(tǒng)采用輪詢調(diào)度策略，調(diào)度方法基于VL進(jìn)行輪詢，一般采用快速的公平輪詢策略。若輪詢到的AFDX隊(duì)列有待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀且滿足帶寬分配間隔(Bandwidth Allocation Gap，BAG)就暫停輪詢并立即輸出該數(shù)據(jù)幀；下一次輪詢時(shí)，從暫停的VL號(hào)處繼續(xù)輪詢，以保證輪詢的公平性。通過輪詢將多條VL的AFDX業(yè)務(wù)整合為一路業(yè)務(wù)，共用一條業(yè)務(wù)總線。

傳統(tǒng)輪詢調(diào)度下，所有VL擁有相同優(yōu)先級(jí)，以保證調(diào)度的公平性；但當(dāng)不同的VL同時(shí)出現(xiàn)在隊(duì)列中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)擁堵的情況，導(dǎo)致抖動(dòng)過大。對(duì)于時(shí)延、抖動(dòng)、冗余管理要求較高的VL數(shù)據(jù)幀，無法控制其優(yōu)于其他VL進(jìn)行調(diào)度，抖動(dòng)值也變得不可控。對(duì)于有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求的航電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔不可控會(huì)導(dǎo)致電子系統(tǒng)無法按時(shí)處理數(shù)據(jù)，所以要對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送的最大間隔時(shí)間進(jìn)行約束。

1.2 基于時(shí)間窗的調(diào)度策略

針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度的缺點(diǎn)，本文提出了基于時(shí)間窗的調(diào)度策略?；跁r(shí)間窗的調(diào)度策略是基于時(shí)間窗來進(jìn)行業(yè)務(wù)的調(diào)度方法，如圖1所示，其中，1，2代表VL號(hào)。

時(shí)間軸由多個(gè)密集的可配置的時(shí)間窗組成，圖1中的每一個(gè)正方形小框?yàn)橐粋€(gè)時(shí)間窗。該調(diào)度策略可依據(jù)配置文件將時(shí)間窗按VL號(hào)分配給不同的VL，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)度表來進(jìn)行調(diào)度。因?yàn)锳RINC664P7中規(guī)定VL的BAG范圍是[1，128]，綜合考慮延時(shí)和抖動(dòng)兩方面，設(shè)定每個(gè)小時(shí)間窗為50 μs，整個(gè)時(shí)間窗的小周期(時(shí)間窗中的一行)為1 ms，大周期(整個(gè)時(shí)間窗)為128 ms。端系統(tǒng)調(diào)度時(shí)基于大周期形成調(diào)度表重復(fù)進(jìn)行，圖中所示是將周期為100 μs的VL1和周期為200 μs的VL2加入到調(diào)度表中。

圖1 時(shí)間窗調(diào)度表Fig.1 Scheduling table of time window

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.2 Data transmission process

電子設(shè)備產(chǎn)生的待調(diào)度的VL數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩存，根據(jù)數(shù)據(jù)緩存情況可知當(dāng)前哪些VL有數(shù)據(jù)待發(fā)送，然后對(duì)相應(yīng)的VL依據(jù)各自BAG的值進(jìn)行流量整形，給一條VL分配一定量的帶寬。通過流量整形模塊后，該VL的數(shù)據(jù)幀間隔將不會(huì)小于BAG定義值。

由于不同VL對(duì)應(yīng)應(yīng)用可能是相互異步的，各VL的數(shù)據(jù)也是異步的，因此，可能出現(xiàn)不同VL的BAG 計(jì)時(shí)器同時(shí)耗盡的情況。若采用基于緩沖區(qū)的輪詢策略，最后一幀需要等待其他所有幀發(fā)送完成才能發(fā)送，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間不可控，接收端不能按照預(yù)設(shè)周期處理數(shù)據(jù)。

針對(duì)上述問題本文設(shè)計(jì)了基于時(shí)間窗的調(diào)度方式，當(dāng)VL上的數(shù)據(jù)滿足BAG時(shí)，不立即傳輸數(shù)據(jù)而是將數(shù)據(jù)送入調(diào)度表，按照時(shí)間窗調(diào)度發(fā)送數(shù)據(jù)。

整形后的結(jié)果會(huì)經(jīng)過業(yè)務(wù)調(diào)度模塊，業(yè)務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)整形結(jié)果，檢查滿足BAG的VL是否被調(diào)度。當(dāng)該VL的BAG整形通過且時(shí)間窗為該VL的時(shí)間窗，則發(fā)出發(fā)送命令，將緩存的數(shù)據(jù)讀出；若不是該VL的時(shí)間窗，則等待其時(shí)間窗到來，再進(jìn)行發(fā)送。

3 基于時(shí)間窗調(diào)度策略性能分析

基于時(shí)間窗的調(diào)度方式根據(jù)調(diào)度參數(shù)值去進(jìn)行調(diào)度，可以使得抖動(dòng)波動(dòng)范圍更小，且可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求配置各VL的調(diào)度參數(shù)，對(duì)于時(shí)延、抖動(dòng)要求較高的VL數(shù)據(jù)幀，可以控制其優(yōu)于其他VL進(jìn)行調(diào)度，來控制時(shí)延與抖動(dòng)波動(dòng)范圍，使數(shù)據(jù)發(fā)送具有更高的確定性。根據(jù)上述基于時(shí)間窗的AFDX數(shù)據(jù)幀的調(diào)度設(shè)計(jì)，下面對(duì)其具體參數(shù)進(jìn)行分析，說明基于時(shí)間窗的調(diào)度設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

3.1 時(shí)延分析

端系統(tǒng)的時(shí)延包括技術(shù)時(shí)延和配置時(shí)延，此處的時(shí)延可以理解為將數(shù)據(jù)幀從端系統(tǒng)接口送達(dá)到物理層花費(fèi)的時(shí)間，對(duì)于時(shí)間窗調(diào)度方法，每條數(shù)據(jù)幀等待時(shí)間主要由BAG等待時(shí)延、調(diào)度時(shí)延和沖突時(shí)延3部分構(gòu)成(對(duì)于傳統(tǒng)輪詢調(diào)度方法，延時(shí)時(shí)間只包括BAG等待時(shí)延和沖突時(shí)延兩部分),即

D=a+b+c

(1)

式中:a表示BAG等待時(shí)延，數(shù)據(jù)幀到達(dá)隊(duì)列緩存進(jìn)行排隊(duì)開始到BAG允許發(fā)送時(shí)間點(diǎn)的延時(shí)；b表示調(diào)度時(shí)延，BAG允許發(fā)送時(shí)間點(diǎn)到該VL的調(diào)度窗口允許發(fā)送的時(shí)間點(diǎn)延時(shí)；c表示沖突時(shí)延，該VL的調(diào)度窗口時(shí)間點(diǎn)到該數(shù)據(jù)幀被真正發(fā)送時(shí)間點(diǎn)的延時(shí)。

數(shù)據(jù)幀發(fā)送的時(shí)延參數(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中的具體意義如圖3所示，其中，bin表示一個(gè)時(shí)間窗的長度。

BAG等待時(shí)延由VL的BAG參數(shù)決定。調(diào)度時(shí)延在該VL的BAG已滿足，但還未到達(dá)該VL的時(shí)間窗情況下存在。調(diào)度時(shí)延b范圍為[0,p]，p表示該VL上數(shù)據(jù)的發(fā)送周期。對(duì)于調(diào)度時(shí)延c為該VL時(shí)間窗到達(dá)時(shí)，信道上有其他業(yè)務(wù)正在被傳輸，此時(shí)，該數(shù)據(jù)幀需要進(jìn)行等待。如圖3所示，data1到達(dá)調(diào)度窗口時(shí)間點(diǎn)時(shí)，data0尚未傳輸完成，此時(shí)，data1需要等到data0數(shù)據(jù)幀發(fā)送完后才能真正被發(fā)送。

圖3 端系統(tǒng)的時(shí)延Fig.3 Delay of end system

調(diào)動(dòng)時(shí)延以及沖突時(shí)延的和表示為BAG滿足的時(shí)間點(diǎn)到該VL的數(shù)據(jù)幀被真正發(fā)送的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔也被稱為BAG抖動(dòng)，即數(shù)據(jù)幀等待時(shí)延=BAG等待時(shí)延 + BAG抖動(dòng)。由于時(shí)間間隔a由BAG參數(shù)決定，調(diào)度策略主要影響B(tài)AG抖動(dòng)，所以對(duì)于數(shù)據(jù)幀等待時(shí)延來說，主要需要討論BAG抖動(dòng)的情況，說明基于時(shí)間窗的調(diào)度策略的特點(diǎn)。

3.2 抖動(dòng)分析

對(duì)于輪詢調(diào)度的模式，端系統(tǒng)輸出端口的每條VL的最大允許抖動(dòng)應(yīng)同時(shí)滿足式(2)和式(3)[1]

(2)

jmax≤500

(3)

其中:jmax是允許的最大抖動(dòng)值，以微秒為單位；BNbw是介質(zhì)帶寬，在航空電子設(shè)備中常見的帶寬參數(shù)是100 Mibit/s;Lmax表示最大幀長度，取值范圍是[84,1538]；40 μs表示典型的最小固定技術(shù)時(shí)延抖動(dòng)。由式(2)、式(3)可知，最大的抖動(dòng)時(shí)間取決于VL的數(shù)量以及每個(gè)數(shù)據(jù)幀的長度，對(duì)配置進(jìn)行更改會(huì)影響最大抖動(dòng)時(shí)間，而且對(duì)于重負(fù)載的端系統(tǒng)，最大抖動(dòng)時(shí)延往往受限于式(2)。以100 Mibit/s帶寬的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，如果所有VL都按照每幀84字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)，為了保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，端系統(tǒng)僅允許同時(shí)發(fā)送68個(gè)VL的數(shù)據(jù)，但是如果不考慮實(shí)時(shí)性只考慮帶寬性能，端系統(tǒng)能允許同時(shí)發(fā)送148個(gè)VL的數(shù)據(jù)。

對(duì)于時(shí)間窗調(diào)度算法，最大抖動(dòng)時(shí)間受其他VL影響較少，沖突時(shí)延的范圍是[0,Smax]，調(diào)度時(shí)延范圍是[0,t1-t2]，參數(shù)滿足

Smax+t1-t2≤500 μs

(4)

即可保證實(shí)時(shí)性。式中:Smax為在發(fā)送幀前一個(gè)時(shí)間窗所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀的最大時(shí)長;t1為VL的調(diào)度周期;t2為時(shí)間窗長。

時(shí)間窗方法可以通過減小p的方式減少調(diào)度時(shí)延，提高重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。另外,時(shí)間窗調(diào)度算法限制了沖突時(shí)延，只有在前一個(gè)時(shí)間窗的數(shù)據(jù)沒有完成發(fā)送的情況下，才會(huì)存在沖突時(shí)延，且最大時(shí)延時(shí)間可控。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)，可以通過更改調(diào)度表的相關(guān)參數(shù)，減小沖突時(shí)延。

表1為某航電設(shè)備實(shí)際發(fā)生數(shù)據(jù)幀的參數(shù)。

表1 數(shù)據(jù)幀傳輸參數(shù)

將表1中參數(shù)代入式(2)計(jì)算可知，VL0對(duì)應(yīng)的最差情況的抖動(dòng)時(shí)間應(yīng)為145 μs，VL1對(duì)應(yīng)的最差情況的抖動(dòng)時(shí)間為195 μs，VL2對(duì)應(yīng)的最差情況的抖動(dòng)時(shí)間為395 μs，VL3對(duì)應(yīng)的最差情況的抖動(dòng)時(shí)間為395 μs,然而按照傳統(tǒng)輪詢調(diào)度方法計(jì)算，所有VL的最差沖突時(shí)延都是376.4 μs。由此可見，時(shí)間窗算法可約束關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀最差情況抖動(dòng)，且不會(huì)對(duì)其他數(shù)據(jù)幀造成很大影響。

3.3 確定性分析

根據(jù)上述分析可知，基于時(shí)間窗的調(diào)度策略通過分割密集的小時(shí)間窗，對(duì)每條VL安排確定的調(diào)度時(shí)間窗口。該策略一定程度上增大了AFDX的時(shí)延，但很大程度上能減小沖突時(shí)延，使得時(shí)延與抖動(dòng)波動(dòng)范圍更小。且使用者可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求配置各條VL的調(diào)度參數(shù)，確定每條VL時(shí)延與抖動(dòng)上限值，使數(shù)據(jù)傳輸更具有確定性，極大地避免了冗余失效情況的發(fā)生[6]。

3.4 輪詢調(diào)度方法與時(shí)間窗調(diào)度方法選擇

在AFDX網(wǎng)絡(luò)對(duì)抖動(dòng)時(shí)間要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景下，針對(duì)每條VL，如果其抖動(dòng)時(shí)間在最差的沖突場(chǎng)景中仍然可以滿足ARINC664標(biāo)準(zhǔn)，就不需要通過專門的時(shí)間窗調(diào)度方法進(jìn)行調(diào)度，此時(shí)采用輪詢方法可以減小數(shù)據(jù)延時(shí)，相對(duì)時(shí)間窗調(diào)度方法更具有優(yōu)勢(shì)。而在部分高確定性的應(yīng)用場(chǎng)景下,系統(tǒng)集成商要求保證VL數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畈疃秳?dòng)時(shí)間不超過其規(guī)定的上界，在直接采用輪詢調(diào)度方法無法保證最差抖動(dòng)時(shí)間的情況下，為了有效約束各VL幀的抖動(dòng)時(shí)間，應(yīng)該采用時(shí)間窗調(diào)度方法，并通過3.2節(jié)提供的分析方法合理配置各條VL的時(shí)間調(diào)度窗的參數(shù)，確保各條VL幀的抖動(dòng)時(shí)間滿足網(wǎng)絡(luò)的確定性需求。

4 仿真驗(yàn)證

本文通過對(duì)基于時(shí)間窗調(diào)度策略設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)理想調(diào)度、部分?jǐn)?shù)據(jù)幀沖突和最差沖突3種情況的仿真測(cè)試，證明調(diào)度策略可對(duì)抖動(dòng)做出有效的約束。

仿真過程中AFDX配置4條VL，VL配置參數(shù)如表1數(shù)據(jù)幀傳輸參數(shù)表所示。為了更有針對(duì)性地驗(yàn)證基于時(shí)間窗調(diào)度特點(diǎn)，仿真驗(yàn)證假設(shè)數(shù)據(jù)到來時(shí)，該VL的BAG已滿足。表2是各種情況下傳輸質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

表2 數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)

由表2可知，時(shí)間窗方法可以在增加總體數(shù)據(jù)延時(shí)的情況下，減少數(shù)據(jù)幀的抖動(dòng)時(shí)間并有效約束最差情況下的抖動(dòng)。系統(tǒng)集成商可以根據(jù)總線負(fù)載來選擇調(diào)度方法，對(duì)總線負(fù)載較輕、VL數(shù)量較少的信道采用輪詢方法調(diào)度。

5 結(jié)束語

通過對(duì)AFDX端系統(tǒng)基于時(shí)間窗調(diào)度策略的設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證可知，基于時(shí)間窗的調(diào)度策略可以對(duì)最差情況的抖動(dòng)做出有效的約束；且系統(tǒng)集成商可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇配置不同的時(shí)間傳輸表，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。基于時(shí)間窗調(diào)度策略盡管可能增加所有幀的平均時(shí)延，但是通過合理的配置，可以使每條VL幀的抖動(dòng)減小，最差時(shí)延可以控制在系統(tǒng)容許范圍內(nèi)，提高了每條VL幀的確定性，給AFDX在高安全等級(jí)信息傳輸應(yīng)用創(chuàng)造更大的前景。