解决CBS网络演算中流量路径重叠导致的航电网络节点自锁问题方法

本发明涉及航空电子系统的网络演算评估，是基于信用量的整形方式(cbs)网络演算系统评估技术，更特别地说，是指一种适用于航电网络的克服流量自锁的cbs网络演算评估方法。该方法用于克服航电网络在网络演算及cbs过程中流量路径重叠导致的节点自锁问题。

背景技术：

1、航空电子系统的范畴包括支持飞机完成其任务使命的所有与电子学相关的系统和设备。早期的航空电子主要涉及支持飞机起飞、着陆、引导与导航的系统，以及飞机成员与地面联系的通信系统。随着航空技术的发展和成熟，飞机逐步承担了运输、侦察、预警、空战、打击等诸多任务。为了提高这些任务能力，通信、导航系统不断增强和完善，机载目标探测和识别也得到发展。电子计算机和控制技术的应用使得传统的机械连杆操纵过渡到电传操纵飞行，机载火力控制及外挂武器的管理也经历了机械向电控的过渡，使得飞行控制系统、火力控制及外挂管理系统等也成为航空电子一个重要的组成部分。作为航空电子系统主要支撑技术之一的机载网络技术在伴随着体系架构发展的同时，自身也取得了长足的进步，并成为航空电子系统架构代际演化的重要标志。在现代的航空电子系统设计过程中，航空电子综合技术是飞机电子系统有效综合的手段它以信息理论与先进电子技术为基础，采用系统工程的方法，在飞机物理结构空间中将探测、通信、导航、识别、电子战、任务管理、飞行和火力控制等功能及相应的电子设备，通过机载网络和软件等技术组合成为一个有机的整体(参见图1所示)，以达到系统资源高度共享和整体效能大幅提高的目的，同时使得系统性能、可用性和生命周期成本相互平衡。

2、机载网络(airborne network)中许多流量都有严格的实时性要求，为了确定设计的网络拓扑和整形器配置能否满足要求，需要对流量最坏情况下的端到端延迟进行分析评估，从而为机载设备进行网络的规划设计，提供参考与依据。网络演算(network calculus)是常用的评估方式之一，但在使用网络演算评估网络通信性能时可能会遇到流量路径重叠导致的自锁问题。

3、时间敏感网络(time-sensitive networking，tsn)是ieee在继承了音视频桥接(avb)网络中音视频流量实时传输方案的基础上，用于进一步扩展确定性以太网的应用需求和适用范围的网络协议。tsn致力于在网络的数据链路层提供一种通用的时间敏感机制，用于解决具有不同服务质量需求的网络流量进行混合传输时的时间确定性保证问题。tsn网络常用的整形方式是流量整形(credit-based shaping，cbs)。这是avb时代定义的经典调度方法，参见图2所示的不同流量的排队转发过程。它和单速令牌桶(single-ratetoken-bucket)机制有点像，受到cbs整形的队列，如果想调度报文，则以恒定速率(sendslope)降低；当且仅当信用量(credit)非负时，报文可以通过cbs整形器；当credit为负，或队列中报文积压时，credit以恒定速率(idleslope)增长；当队列为空时，credit清零。cbs的效果是在为特定队列提供等同于速率的带宽的同时，尽可能的“打散”报文，使得低优先级的队列也能获得一定的传输机会。

4、在协议识别标签(tag protocol identifier)为0x8100，标识以太网支持802.1q标签，可以提供vlan和qos服务；3位pcp(priority code point)码定义了8个优先级：0级最低，用于传统的尽力传输的流量；7级最高，可用于关键路由或网管功能(流量类型等级划分参考2022年1月第39卷第1期《微电子学与计算机》公开的“时间敏感网络流量整形技术综述”，作者：张磊，王盼盼)。tsn网络会通过优先级来区分网络流量的重要程度，并根据不同的应用场景进行流量调度和网络配置。

5、在多种类型流量(traffic class)对网络提出了不同的服务质量需求，网络服务总需要在有限的网络资源下为多种类型的流量传输提供网络性能的实时性保证。针对每种类型的流量，通过网络演算的方法，对流量在沿途节点的到达曲线和服务曲线建模，通过测量两曲线的最大水平截距，可以计算出流量的延时边界，从而用于设计上的匹配优化与网络服务效率的提升，使得在网络服务获得保证的前提下实现投入资源成本与结果的最大化能效。

6、为了克服上述问题，本发明提出一种航电网络中的克服流量自锁的cbs网络演算评估方法。

技术实现思路

1、为了解决cbs网络演算中流量路径重叠导致的自锁问题，本发明采用网络演算方法对cbs网络的流量通信性能进行评估，使用到达曲线模型和服务曲线模型来描述网络中的通信行为，并针对使用网络演算评估网络通信性能时可能会遇到的流量路径重叠导致的自锁问题，通过在自锁端口处使用流量在前一节点端口处的整形曲线来替代流量的到达曲线，从而克服自锁问题，最后分别计算各类型流量的最大延迟值。具体来说，针对自锁问题的分析，本发明提出了基于流量路径比对来分析寻找网络中自锁节点端口的方法；本发明使用流量在前一节点端口处的整形曲线替代流量的到达曲线，从而克服自锁问题，使用网络演算方法分析出流量的端到端延迟边界。通过本发明的方法，可以增强航电网络使用网络演算方法对cbs整形机制下的流量进行网络性能评估的可行性和有效性。

2、另外，本发明方法考虑cbs机制下整形曲线同样是流量传输的上边界，与到达曲线能够做到等效替换，且流量在每个输出端口的整形曲线只与该端口的配置有关，与流量路径上的其他节点和端口无关，因此不受自锁问题影响，因此使用整形曲线代替流量的到达曲线，从而克服了cbs网络演算中流量路径重叠导致的自锁问题，实现对网络性能进行评估。

3、第三方面，本发明从信用量整形机制下时间敏感网络的网络演算过程出发，提出了一种使用整形曲线代替部分因自锁而难以计算的到达曲线从而克服自锁问题对网络进行评估的方法。

4、本发明的一种解决cbs网络演算中流量路径重叠导致的航电网络节点自锁问题方法，是对航空电子系统的网络演算评估；其包括有下列步骤：

5、步骤一，获取航电网络拓扑结构、及各节点的流量信息，并寻找自锁端口与流量；

6、步骤101，获取航电网络拓扑结构及各节点；

7、步骤102，流量标记；

8、步骤103，分析寻找存在自锁问题的节点端口；

9、步骤103a，将所有流量的流量路径转化为有向连边的组合；

10、步骤103b，找到路径中具备至少两个相同有向连边的流量组合；

11、步骤二，计算节点的综合流量特征；

12、步骤三，计算流量路径上每个节点中每种类型流量的延迟值和突发度；

13、步骤301，判断当前节点是否为首个节点的输出端口；

14、步骤302，计算当前输出端口处各类型流量的综合突发度；

15、步骤303，构建流量到达曲线和节点服务曲线；

16、步骤304，计算各类型流量节点输出端口的最大延迟；

17、步骤305，计算流量在下一跳节点输出端口的最大突发度；

18、步骤306，判断所有节点所有类型流量是否完成延迟计算；

19、步骤四：计算流量端到端延迟。

20、本发明方法达到的技术效果在于：

21、①本发明根据cbs网络演算中自锁问题的形成原因，提出了基于流量路径比对分析寻找网络中自锁节点端口与流量的方法。

22、②本发明针对cbs网络演算中的自锁问题，提出了使用流量在前一节点端口处的整形曲线来替代流量的到达曲线，从而克服了自锁问题，增强使用网络演算方法对cbs整形机制下的流量进行网络性能评估的可行性和有效性。

23、③本发明的计算过程中引用流量自身携带信息，未添加外部数据资源，能够降低计算量，提高了网络演算的响应速度。

24、④本发明的计算过程对流量类型的数量不敏感，能够支持优先级0～7范围内任意类型数量和任意流量数量下的网络通信性能评估。