專利名稱：Afdx航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化建模方法，尤其涉及一種AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法。
背景技術(shù)：
隨著航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，為了滿足各種不同條件下的飛行安全和乘客娛樂的要求，世界航空業(yè)界的巨頭波音和空客公司在上世紀(jì)就將科研重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了使用商用的以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)下一代的飛機(jī)控制總線進(jìn)行組建。這項(xiàng)研究最終導(dǎo)致了航空全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switched Ethernet, AFDX網(wǎng)絡(luò))的產(chǎn)生。空客公司已經(jīng)成功的將其應(yīng)用于A380項(xiàng)目上，并且波音公司已經(jīng)明確表示將在波音787上使用該技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)解決方案基于IEEE 802. 3標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)針對(duì)航空電子子系統(tǒng)的特殊需求對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的一部分內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)適應(yīng)性的修改，使其成為了確定性的具有商業(yè)以太網(wǎng)特性的航空網(wǎng)絡(luò)。在AFDX網(wǎng)絡(luò)中，需要重點(diǎn)解決的一個(gè)核心問題是對(duì)數(shù)據(jù)包端到端傳輸延遲的精確估計(jì)。對(duì)于航空網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)這樣一個(gè)對(duì)任務(wù)和數(shù)據(jù)處理具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性性能要求的系統(tǒng)，判斷飛行中各種數(shù)據(jù)通信是否準(zhǔn)確無誤的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為在特定資源的條件下，數(shù)據(jù)包能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)設(shè)定的目的端系統(tǒng)。通常對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行延遲性能評(píng)估的方式有以下三種第一種是使用網(wǎng)絡(luò)模擬。使用網(wǎng)絡(luò)模擬仿真的目的在于對(duì)常見的一些網(wǎng)絡(luò)中的情景進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)，觀測在一定的條件下網(wǎng)絡(luò)的延遲等相關(guān)的性能。網(wǎng)絡(luò)模擬使用隊(duì)列和對(duì)象等結(jié)構(gòu)體來刻畫網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，主要理論依據(jù)是網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列理論模型。但是，由于網(wǎng)絡(luò)模擬的方法不一定能夠把網(wǎng)絡(luò)中的所有可能的情形情景進(jìn)行一一分析，所以得到的數(shù)據(jù)流端到端的延遲僅僅能夠作為考察特定網(wǎng)絡(luò)特定情形下的結(jié)論，不一定能夠完全覆蓋所有的端到端的最大延遲，所以只是具有一定的參考價(jià)值。第二種方式是使用模型檢驗(yàn)。該方法主要使用時(shí)間自動(dòng)機(jī)理論。它將系統(tǒng)的所有可能的狀態(tài)進(jìn)行考察，因此得到了最差情況下的最精確的端到端延遲的理論分析值。但是這樣的分析方式具有時(shí)間計(jì)算復(fù)雜度高以及模型構(gòu)建方式復(fù)雜的缺陷，所以在工業(yè)上并未得到廣泛的使用。第三種方法使用的是網(wǎng)絡(luò)微積分。網(wǎng)絡(luò)微積分是對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)確定性系統(tǒng)排隊(duì)理論的分析和總結(jié)，其采用的主要的數(shù)學(xué)理論為最小加代數(shù)(Min-Plus Algebra)系統(tǒng)的一系列理論，使用該工具可以對(duì)緩沖區(qū)、調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)延遲等屬性進(jìn)行具體分析。網(wǎng)絡(luò)微積分的主要概念包括到達(dá)曲線、服務(wù)曲線以及最小加代數(shù)的卷積反卷積運(yùn)算。其中，到達(dá)曲線對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流的速率和突發(fā)進(jìn)行了限制。服務(wù)曲線決定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力，數(shù)據(jù)流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大的延遲可以用到達(dá)曲線和服務(wù)曲線之間的最大水平距離來計(jì)算。該理論由于建模簡單，計(jì)算方便且時(shí)間復(fù)雜度低，同時(shí)可以分析最差情況下的數(shù)據(jù)報(bào)端到端的延遲，所以在計(jì)算AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流端到端延遲時(shí)得到了最廣泛的工業(yè)上的應(yīng)用。對(duì)于第三種方式，傳統(tǒng)的對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)虛擬鏈路數(shù)據(jù)流進(jìn)行建模采用的放射性到達(dá)曲線為a 0(t) = P · t+σ (I)其稱為傳統(tǒng)的(P，O)建模方式，其中，P = t表示虛擬鏈路
Link)的平均速率，σ =Lmax表示數(shù)據(jù)流的突發(fā)，其他符號(hào)的意義參見圖I。本發(fā)明中出現(xiàn)的數(shù)學(xué)符號(hào)意義均參見

圖1，后文不再贅述。該模型僅僅對(duì)數(shù)據(jù)流在進(jìn)入到終端系統(tǒng)調(diào)度器之前進(jìn)行建模，因此在使用網(wǎng)絡(luò)微積分計(jì)算數(shù)據(jù)包最差情況下的延遲時(shí)，需要把數(shù)據(jù)包在終端系統(tǒng)調(diào)度器中最差情況延遲計(jì)算在內(nèi)。然而在實(shí)際工程中，可以測量出數(shù)據(jù)包從到達(dá)緩沖隊(duì)列對(duì)頭等待調(diào)度至離開調(diào)度器的實(shí)際延遲。該延遲必然比最差情況下網(wǎng)絡(luò)微積分算出的理論延遲要小。由此可見，使用傳統(tǒng)方法建模所得到的最差情況的延遲還可以更加優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法能夠在AFDX網(wǎng)絡(luò)中獲取更加貼近真實(shí)情況的最壞情況端到端延時(shí)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其中，對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行建模的時(shí)間點(diǎn)為所述數(shù)據(jù)流離開終端系統(tǒng)后，同時(shí)假設(shè)所述數(shù)據(jù)流在終端系統(tǒng)緩沖隊(duì)列頭等待調(diào)度器調(diào)度至最終被調(diào)度到物理鏈路上的時(shí)間為τ ；具有最小包間隙的數(shù)據(jù)流采用GCRA模型
權(quán)利要求
1.一種AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其特征在于，對(duì)AFDX網(wǎng)絡(luò)的鏈路進(jìn)行建模的時(shí)間點(diǎn)為所述鏈路的數(shù)據(jù)流離開終端系統(tǒng)后，同時(shí)假設(shè)所述鏈路的數(shù)據(jù)流在終端系統(tǒng)緩沖隊(duì)列頭等待調(diào)度器調(diào)度至最終被調(diào)度到物理鏈路上的時(shí)間為τ ； 具有最小包間隙的數(shù)據(jù)流采用GCRA模型 示，所述GCRA模型在坐標(biāo)軸中表現(xiàn)為階梯狀，當(dāng)所述鏈路的數(shù)據(jù)流經(jīng)過終端系統(tǒng)的調(diào)度器之后，到達(dá)曲線建模成為 其中，Lmax為虛擬鏈路上能夠發(fā)送的最長的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)目，t為時(shí)間，BAG為虛擬鏈路上發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的最小的時(shí)間間隔； 當(dāng)調(diào)度器僅僅服務(wù)于一條虛擬鏈路時(shí)，提供給該鏈路的服務(wù)曲線為β β (t) =R^t-Tci)+,其中，R為調(diào)度器的服務(wù)速率，Ttl為調(diào)度器在不同數(shù)據(jù)流之間切換時(shí)間，β (t)為調(diào)度器為所有數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列提供的服務(wù)曲線； 基于GCRA模型，對(duì)于單跳的端到端延遲，最壞情況下對(duì)于每條單獨(dú)流j的服務(wù)曲線為 其中，S表示即將到來的數(shù)據(jù)流的集合，Ls _表示流S中最大的幀，j為S中的任意一條數(shù)據(jù)流； 則GCRA模型下的到達(dá)曲線為其中，h _表示流j中最大的巾貞，BAGj表示流j發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的最小的時(shí)間間隔，τ j表示數(shù)據(jù)流j在終端系統(tǒng)緩沖隊(duì)列頭等待調(diào)度器調(diào)度至最終被調(diào)度到物理鏈路上的時(shí)間； 那么，單跳的端到端延遲為 ) 多跳網(wǎng)絡(luò)的端到端的服務(wù)曲線是 其中，H是交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，Rh是節(jié)點(diǎn)h提供給給定流的服務(wù)率，min (Rh)是給定流經(jīng)過的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中最小的服務(wù)率，Rtrans是物理傳輸速度，Tf表示在轉(zhuǎn)發(fā)表的時(shí)間，Tkh是在節(jié)點(diǎn)h的排隊(duì)時(shí)間，η為包經(jīng)過的跳數(shù)； 當(dāng)交換機(jī)使用輪詢調(diào)度策略時(shí)，對(duì)于給定流j的端到端服務(wù)曲線為
2.如權(quán)利要求I所述的AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其特征在于，使用GCRA模型描述所述數(shù)據(jù)流得到的單跳延遲上界為
3.如權(quán)利要求2所述的AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其特征在于，當(dāng)調(diào)度器僅僅服務(wù)于一條虛擬鏈路時(shí)，對(duì)于所述虛擬鏈路的第一個(gè)數(shù)據(jù)包，其延遲為
4.如權(quán)利要求2所述的AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其特征在于，當(dāng)調(diào)度器僅僅服務(wù)于一條虛擬鏈路時(shí)，對(duì)于所述虛擬鏈路的第二個(gè)數(shù)據(jù)包，其延遲為
5.如權(quán)利要求I所述的AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其特征在 于，對(duì)于單跳的端到端延遲，每條單獨(dú)流j最壞情況下的排隊(duì)時(shí)間是
6.如權(quán)利要求I所述的AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其特征在于，對(duì)于多跳的端到端延遲，包的端到端延遲包括在端系統(tǒng)上，交換機(jī)上和鏈路傳播上的延遲，表示為 Delay — DES+DSwitch+Dpropagation ； 其中，Des和Dswitdl分別表示在端系統(tǒng)和交換機(jī)上花費(fèi)的延遲，Dpropagatim表示在物理鏈路上的傳播延遲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法，其采用GCRA模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)中個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行建模，從而得到單跳和多跳網(wǎng)絡(luò)中端到端的延遲。本發(fā)明的一種AFDX航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中端到端延遲的優(yōu)化建模的方法能夠減小現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)微積分算法帶來的悲觀效應(yīng)，獲取更加緊的貼近實(shí)際最壞情況時(shí)間響應(yīng)的端到端延遲。
文檔編號(hào)H04L12/24GK102970156SQ20121038513
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者李健, 陳嶠, 姚建國, 胡飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)