本發明涉及時間敏感網絡(tsn)的時間觸發調度，更特別地說，是指一種適用于tsn克服冗余傳輸過程中出現數據幀失序問題的時間觸發調度方法。該方法用于避免tsn在冗余傳輸過程中進行幀復制和消除時數據幀丟失導致的幀失序問題。

背景技術：

1、在現代航空電子系統的設計過程中，通過航空電子綜合技術將飛機的各種電子系統和功能有效集成。具體來說，航空電子綜合技術通過在飛機的物理結構空間中融合探測、通信、導航、識別、電子戰、任務管理、飛行控制和火力控制等關鍵功能，并借助機載網絡等先進技術，將各類電子設備協調配合，形成一個高度協同的整體(如圖1所示)。此舉不僅實現了系統資源的共享，而且顯著提升了整體性能，確保了系統在性能、可用性和生命周期成本之間的平衡。

2、為解決傳統以太網在確定性和實時性方面存在不足的問題，tsn通過一系列協議(如ieee?802.1qbv、ieee?802.1qcc和ieee?802.1cb等)實現了確定性流量調度、精準時間同步和資源預留等功能，采用時間觸發和冗余鏈路傳輸等方式為航空電子系統提供了嚴格的延遲控制和高數據傳輸可靠性。

3、tsn的流控機制是保證tsn網絡實時性的關鍵。當前tsn的流控機制主要包括信用量整形流控機制(credit?based?shaping，cbs)、時間感知整形流控機制(time?awareshaping，tas)、循環排隊轉發流控機制(cyclic?queuing?forwarding，cqf)。其中，tas采用時間觸發調度規劃機制以保障航電系統中關鍵流量傳輸的確定性，已在ieee?802.1qbv中被標準化。ieee?802.1qbv中定義的tas整形器，本質上是一種門控機制，該機制通過門控陣列表(gate?control?list，gcl)預定義的循環時間調度表，預先提供了流量端到端傳輸的時間窗口，動態控制出口隊列幀的傳輸，實現了對關鍵流量的優先控制和傳輸確定性保證，顯著提高了以太網網絡的確定性和實時能力。

4、目前針對tas機制的調度約束及求解主要有兩種方式，一個是可滿足性模理論(satisfiability?modulo?theories，smt)，另一個是混合線性規劃(mixed?linearprogramming，mip)。通過smt或mip，可將tas時間觸發調度規劃設計轉換為資源和依賴約束條件下的偏置求解規劃，生成gcl。因此，tas的調度規劃約束及求解的邏輯順序是，根據時間觸發調度規劃內容，構建約束條件，其中的待求解量便是流量的時間窗口偏置信息，各約束條件作為smt或者mip求解器的輸入內容，然后求解運算，最終得到滿足所有約束條件的可行解。

5、將tsn用于航電組網時，還需考慮組網的可靠性要求。而tsn的冗余傳輸過程是在tsn技術的基礎上，通過引入冗余路徑和ieee?802.1cb中定義的幀復制和消除(framereplication?and?elimination?for?reliability，frer)技術，進一步增強網絡的可靠性和容錯能力。frer為流量傳輸提供路徑冗余，并且在源端節點或路徑重疊中繼節點中對流量的每個數據幀進行序列編號和復制，并在目的節點或其他路徑重疊中繼節點中消除這些副本。即使在網絡故障的情況下，通過frer也能確保可靠的數據傳輸，從而滿足高可靠性和實時通信的要求。

6、然而，當引入frer技術后，在非等時循環流量進行幀復制和消除時，如果一條冗余鏈路上發生了幀丟失，最終的傳輸結果可能會出現幀失序的錯誤。特別的，非等時循環流量是指在通信網絡或系統中，數據幀傳輸具有周期性，但每個周期內的數據幀傳輸起始時間并不完全相等的一種流量類型(非等時循環流量的定義參考ieee?802.1qcc-2018，46.2.3.5.1)。目前的時間觸發調度規劃主要是從實時性保證的角度進行調度約束及求解，尚未考慮冗余鏈路下的幀保序性內容，無法保證數據幀端到端傳輸過程中的有序性。

7、為了解決上述問題，本發明考慮幀保序約束內容，提出一種適用于tsn克服冗余傳輸過程中出現數據幀失序問題的調度方法。

技術實現思路

1、為了解決tsn流量經不同冗余鏈路傳輸時，由于某個鏈路中可能存在的數據幀丟失而導致的幀失序問題，本發明針對tsn冗余鏈路傳輸下的時間觸發調度任務，通過將經由冗余鏈路傳輸的時間觸發流量調度任務轉換為多個約束條件，其中待求解量為流量傳輸路徑中的時間窗口偏置信息，可實現基于smt或mip的求解輸出gcl。具體來說，本發明在流量周期約束條件、有界轉發約束條件、端到端延遲約束條件、鏈路無重疊約束條件、幀獨立約束條件等基本調度約束條件中新增了一個幀保序約束條件來生成gcl。另外，針對數據幀失序問題的處理，本發明提出的幀保序約束條件，確保在當前數據幀繼續被安排向冗余消除節點發送副本流之前，前一個數據幀的所有副本流已經通過所有冗余路徑到達冗余消除節點，從而避免了tsn在冗余傳輸過程進行非等時循環流量幀復制和消除時數據幀丟失導致的幀失序問題。通過本發明的方法，可以增強tsn網絡使用frer技術在部分數據幀丟失的情況下的可靠性，確保可靠的數據傳輸。

2、本發明為解決tsn在冗余傳輸過程中數據幀丟失導致的幀失序問題，而提出的一種基于幀保序的tsn冗余傳輸時間觸發調度方法方法，其包括有下列調度步驟：

3、步驟一，獲取航電網絡拓撲結構；

4、步驟101，獲取當前航電網絡拓撲結構及網絡中各節點；

5、將航電網絡中的網絡拓撲結構記為networktop＝<node,mes>，其中node表示節點集，mes表示連邊集；所述mes是指兩兩節點之間的有向連邊；

6、步驟102，獲取網絡中傳輸的流量；

7、在時間敏感網絡中傳輸的網絡流量可被視作網絡拓撲結構networktop＝<node,mes>中數據在通信鏈路間傳輸時所形成的信息流flow，它遵循網絡協議進行傳遞與交互；

8、當網絡拓撲結構networktop＝<node,mes>中存在多條路徑時，信息流flow會以副本流cs_flow形式進行傳輸；

9、在網絡拓撲結構networktop＝<node,mes>中的網絡流量集合記為flow，且flow＝{flow1,flow2,…,flowi,…,flowj,…,flowf}；

10、網絡流量flowi的流量特征信息記為且

11、步驟103，獲取流量的傳輸路徑；

12、依據flow＝{flow1,flow2,…,flowi,…,flowj,…,flowf}在網絡拓撲結構networktop＝<node,mes>中的傳輸獲取所有流量對應的傳輸路徑集合pathflow；其中屬于流量flowi的可選路徑集合為

13、步驟104，路徑中節點類型設置；

14、從路徑中獲取各個節點對應的節點類型；所述節點類型包括有源端節點node源端、目的節點node目的，路徑中繼節點node中繼，冗余開始節點node冗開，冗余消除節點node冗消；

15、步驟二，設置副本流；

16、當流量在冗余鏈路上傳輸時，在冗余開始節點將流量flow在冗余路徑中進行復制為副本流cs_flow；

17、步驟201，尋找冗余節點并設置副本流；

18、獲取冗余開始節點、冗余消除節點和冗余路徑集合；

19、步驟202，將路徑轉化為節點的有向連邊；

20、步驟203，依據路徑中的節點類型，在冗余開始節點完成幀復制，在冗余消防節點完成幀消除；

21、步驟三，流量傳輸的約束條件；

22、步驟301，流量周期約束條件；

23、流量flowi的數據幀沿可選路徑傳輸時，在鏈路上的起始偏置記為且非負，所述的傳輸時間窗口應完全包含在流量生成幀周期內，即遵循流量周期約束條件；

24、步驟302，有界轉發約束條件；

25、流量flowi的數據幀在可選路徑的任意相鄰兩條鏈路和上的傳輸不僅受到傳輸幀的時間長度的影響，還要考慮兩條鏈路的公共節點node公共的轉發延遲nt_node公共以及最大時鐘同步延遲δ，即遵循有界轉發約束條件；

26、步驟303，端到端延遲約束條件；

27、流量flowi在可選路徑上傳輸不應超過flowi預定的截止期限即遵循端到端延遲約束條件；

28、步驟304，鏈路無重疊約束條件；

29、兩個不同流量flowi和flowj沿同一路徑path公共傳輸時，在鏈路linkf_path公共上兩個流量的數據幀和數據幀在時間上不重疊，即的傳輸必須在的傳輸開始之前完成，反之亦然，即遵循鏈路無重疊約束條件；

30、步驟305，幀獨立約束條件；

31、兩個不同流量flowi和flowj分別沿路徑和傳輸時，若要經過同一節點node重疊轉發，在node重疊上兩個流量的數據幀和數據幀在時間上不重疊，即和不能同時被node重疊處理，即只有在從節點node重疊中轉出后才能被處理，反之亦然，即遵循幀獨立約束條件；

32、步驟306，幀保序約束條件；

33、css_flowi從其所在的冗余開始節點node冗開發往其所在的冗余消除節點node冗消，node冗開到node冗消的冗余路徑為

34、副本流css_flowi的復制幀在其對應的冗余路徑的末條鏈路上傳輸時，確保在下一個復制幀繼續被安排向冗余消除節點發送之前，前一個幀的所有復制幀已經通過所有冗余路徑到達冗余消除節點，即遵循幀保序約束條件；

35、步驟四，將約束條件輸入求解器進行調度求解，以及獲取各流量的最大延遲；

36、將設置的各流量傳輸的約束條件存儲于調度器中，該調度器的目的是在流量傳輸約束條件下實例化變量，生成最終的門控陣列表gcl；

37、將流量傳輸約束條件作為smt或者mip求解器的輸入內容，然后求解運算，以確保所有約束條件得到滿足；最終結果將包括滿足流量傳輸約束條件的任意流量flowi的所有數據幀在不同鏈路上的起始偏置

38、最終在目的節點接收到的流量稱為目的－流量，記為

39、所述中所有幀的各幀延遲統計結果的最大值為流量flowi的最大延遲，記為

40、則航電網絡流量flow的各流量最大延遲統計結果的集合為delay_flow，并且

41、本發明方法達到的技術效果在于：

42、①本發明針對tsn在冗余傳輸過程中的數據幀失序問題，提出幀保序約束條件，確保在當前數據幀繼續被安排向冗余消除節點發送副本流之前，前一個數據幀的所有副本流已經通過所有冗余路徑到達冗余消除節點，從而克服tsn在冗余傳輸過程中出現數據幀失序問題，確保可靠的數據傳輸。

43、②本發明的時間觸發調度規劃設計在流量周期約束條件、有界轉發約束條件、端到端延遲約束條件、鏈路無重疊約束條件、幀獨立約束條件等基本調度約束條件中新增了一個幀保序約束條件來生成最終的gcl。幀保序約束條件與其他基本調度約束條件具有很好的兼容性，不會跟之前約束調度求解方式沖突，換句話說，考慮本發明的幀保序約束條件之后，得到的結果是之前所有調度可行解的一個子集。

44、③由于時間觸發調度條件與求解過程一般要結合路由信息實現聯合調度求解與優化，有了本發明的幀保序約束條件之后，通過對比不同冗余鏈路設置方案下的幀保序性能差異，可以為冗余鏈路方案提供指導策略，優化路由策略。