本發(fā)明涉及一種軌道交通領(lǐng)域的基于以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法，尤其涉及一種軌道交通領(lǐng)域的具有容錯(cuò)能力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及程序控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)元件及技術(shù)，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供確定性和實(shí)時(shí)性。工業(yè)以太網(wǎng)與ieee802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容，并且具有通信速度快、應(yīng)用廣泛、開發(fā)和生產(chǎn)成本低、易于集成的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、鐵路交通、工業(yè)制造等領(lǐng)域。

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)是基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)的骨架，其與終端設(shè)備的相互連接構(gòu)成了整個(gè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)中的由終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性是指確保數(shù)據(jù)需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的終端，具有實(shí)時(shí)性要求的數(shù)據(jù)稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法是保證工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。

國內(nèi)現(xiàn)有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法主要集中在保障實(shí)時(shí)功能上，并不能容忍交換機(jī)發(fā)生故障。在列車網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)生故障的交換機(jī)被短接，導(dǎo)致原本經(jīng)過該故障交換機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提早到達(dá)下一個(gè)交換機(jī)，從而造成數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的接收時(shí)間窗口不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包問題。列車上，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的丟失會(huì)導(dǎo)致例如剎車失靈等問題，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果。因此，發(fā)明一種軌道交通領(lǐng)域的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠容忍交換機(jī)發(fā)生故障的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案在于提供了一種軌道交通領(lǐng)域的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法，其特征在于：其特征在于包括以下步驟：

步驟1、對具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；硬件啟動(dòng)后，對容錯(cuò)模塊進(jìn)行初始化，清空存儲(chǔ)資源池中的數(shù)據(jù)，將地址列表的值都置為1；

步驟2、監(jiān)測交換機(jī)故障；cpu板上搭載的linux系統(tǒng)，通過心跳數(shù)據(jù)包監(jiān)測周圍交換機(jī)是否發(fā)生故障，當(dāng)交換機(jī)的某端口接收不到指定的心跳數(shù)據(jù)包時(shí)，cpu判定對應(yīng)端口連接的交換機(jī)發(fā)生故障；當(dāng)沒有檢測到交換機(jī)故障時(shí)，仲裁模塊直接將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)綄?shí)時(shí)調(diào)度模塊中；

步驟3、響應(yīng)交換機(jī)故障，當(dāng)cpu板檢測到周圍交換機(jī)故障時(shí)，cpu向交換板發(fā)送打開容錯(cuò)功能的指令，從而打開連接故障交換機(jī)端口的容錯(cuò)功能；

步驟4、判斷仲裁模塊根據(jù)各端口的容錯(cuò)功能是否打開，決定來自各端口數(shù)據(jù)包的流向；如果端口的容錯(cuò)功能處于關(guān)閉狀態(tài)，仲裁模塊將來自該端口的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)時(shí)調(diào)度模塊；如果端口的容錯(cuò)功能處于開啟狀態(tài)，仲裁模塊將來自該端口的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到存儲(chǔ)資源分配模塊；

步驟5、當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)包的接收窗口時(shí)，控制邏輯模塊根據(jù)數(shù)據(jù)流標(biāo)識字段，確定該數(shù)據(jù)包的地址空間；如果該地址空間為空，控制邏輯模塊切換到下一個(gè)數(shù)據(jù)包的取回操作；否則，控制邏輯模塊取回改地址空間中的數(shù)據(jù)，然后將該地址空間對應(yīng)的地址列表的值設(shè)置為0。

本發(fā)明還提了一種用軌道交通的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)，包括cpu板、交換板和phy板；其特征在于：

cpu板通過pci-e接口與交換板進(jìn)行控制信息和數(shù)據(jù)信息的交互，交換板通過接口與phy版進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互；

cpu板包括中央處理器、存儲(chǔ)單元和pci-e接口；

cpu板上運(yùn)行實(shí)時(shí)linux系統(tǒng)，并且通過pci-e接口與交換板進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換；

交換板是實(shí)現(xiàn)具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)調(diào)度算法的硬件板；

phy板上包含phyasic芯片，是物理接口收發(fā)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物理層。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明使得在列車發(fā)生故障的交換機(jī)被短接時(shí)，有效防止原本經(jīng)過該故障交換機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提早到達(dá)下一個(gè)交換機(jī)，從而造成數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的接收時(shí)間窗口不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的軌道交通領(lǐng)域的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)的原理圖；

圖2本發(fā)明所述的兩口交換卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)示例圖；

圖3本發(fā)明所述的四路容錯(cuò)模塊結(jié)構(gòu)示例圖；

圖4本發(fā)明本發(fā)明所述的軌道交通領(lǐng)域的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法的容錯(cuò)模塊程序流程圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1-4對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步描述。

如圖4所示，該實(shí)施例提供了一種軌道交通領(lǐng)域的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法，其具體包括以下步驟：

步驟1、對具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

硬件啟動(dòng)后，對容錯(cuò)模塊進(jìn)行初始化，清空存儲(chǔ)資源池中的數(shù)據(jù)，將地址列表的值都置為1；

步驟2、監(jiān)測交換機(jī)故障；

cpu板上搭載的linux系統(tǒng)，通過心跳數(shù)據(jù)包監(jiān)測周圍交換機(jī)是否發(fā)生故障，當(dāng)交換機(jī)的某端口接收不到指定的心跳數(shù)據(jù)包時(shí)，cpu判定對應(yīng)端口連接的交換機(jī)發(fā)生故障；當(dāng)沒有檢測到交換機(jī)故障時(shí)，仲裁模塊直接將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)綄?shí)時(shí)調(diào)度模塊中；

步驟3、響應(yīng)交換機(jī)故障，當(dāng)cpu板檢測到周圍交換機(jī)故障時(shí)，cpu向交換板發(fā)送打開容錯(cuò)功能的指令，從而打開連接故障交換機(jī)端口的容錯(cuò)功能。

該指令包含一個(gè)32位的值，從低位到高位分別對應(yīng)1-32個(gè)端口。當(dāng)端口打開容錯(cuò)功能時(shí)，該端口對應(yīng)的指令值的位置設(shè)為1；當(dāng)端口關(guān)閉容錯(cuò)功能時(shí)，該端口對應(yīng)的指令值的位置設(shè)為0。

步驟4、仲裁模塊根據(jù)各端口的容錯(cuò)功能是否打開，決定來自各端口數(shù)據(jù)包的流向。如果端口的容錯(cuò)功能處于關(guān)閉狀態(tài)，仲裁模塊將來自該端口的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)時(shí)調(diào)度模塊；如果端口的容錯(cuò)功能處于開啟狀態(tài)，仲裁模塊將來自該端口的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到存儲(chǔ)資源分配模塊。

存儲(chǔ)資源分配模塊根據(jù)數(shù)據(jù)流標(biāo)識字段，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包分配存儲(chǔ)資源池地址空間。如果該數(shù)據(jù)流標(biāo)志字段對應(yīng)的地址空間中已經(jīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)資源分配模塊清空該地址空間的數(shù)據(jù)，并將其對應(yīng)的地址列表中的值設(shè)置為0，然后重新對該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行地址空間的分配；如果該數(shù)據(jù)流標(biāo)志字段對應(yīng)的地址空間為空，存儲(chǔ)資源分配模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該地址空間中，并且將其對應(yīng)的地址列表的值設(shè)置為1。

步驟5、當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)包的接收窗口時(shí)，控制邏輯模塊根據(jù)數(shù)據(jù)流標(biāo)識字段，確定該數(shù)據(jù)包的地址空間。如果該地址空間為空，控制邏輯模塊切換到下一個(gè)數(shù)據(jù)包的取回操作；否則，控制邏輯模塊取回改地址空間中的數(shù)據(jù)，然后將該地址空間對應(yīng)的地址列表的值設(shè)置為0。

為了減少串行訪問存儲(chǔ)資源池導(dǎo)致的數(shù)據(jù)競爭為題，控制邏輯模塊對數(shù)據(jù)包進(jìn)行預(yù)取，即提前于給定的接收時(shí)間窗口一定時(shí)間將數(shù)據(jù)取出。

該實(shí)施例還提供了一種用軌道交通的具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度方法，該方法通過具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其中，具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)系統(tǒng)包括cpu板、交換板和phy板。

如圖1所示，其中：cpu板通過pci-e接口與交換板進(jìn)行控制信息和數(shù)據(jù)信息的交互，交換板通過s3mii接口與phy版進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。

cpu板包括powerpc架構(gòu)的中央處理器(cpu)、存儲(chǔ)單元和pci-e接口。cpu板上運(yùn)行實(shí)時(shí)linux系統(tǒng)，并且通過pci-e接口與交換板進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

交換板是實(shí)現(xiàn)具有容錯(cuò)功能的實(shí)時(shí)調(diào)度算法的核心硬件板卡，包括物理器件和數(shù)字電路。交換板的物理器件包括xilinxvertex7芯片、flashrom、qdr外接存儲(chǔ)器等；交換板的數(shù)字電路由fpga設(shè)計(jì)，燒錄到xilinx芯片中。

phy板上包含broadcom的phyasic芯片，是物理接口收發(fā)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物理層。

圖2是本發(fā)明的交換板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，控制物理設(shè)備實(shí)現(xiàn)普通數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā),保障實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)性傳輸,并且提供容錯(cuò)功能。

交換卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括mac、分類器、普通數(shù)據(jù)緩存、時(shí)鐘數(shù)據(jù)緩存、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道、普通數(shù)據(jù)通道、多路選擇器和pci-e接口，其中：

mac是數(shù)據(jù)的接口，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)幀。

分類器根據(jù)以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)的ethertype字段，區(qū)分以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的類型。0x88d7為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)類型，0x8801是時(shí)鐘數(shù)據(jù)類型。

數(shù)據(jù)幀的類型為普通數(shù)據(jù)幀、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀和時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)幀。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀被直接傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道；普通數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在普通數(shù)據(jù)緩存中；時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在時(shí)鐘數(shù)據(jù)緩存中。

普通數(shù)據(jù)緩存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)分類器傳入的普通數(shù)據(jù)幀。

時(shí)鐘數(shù)據(jù)緩存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)分類器傳入的時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù)幀。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且提供容錯(cuò)功能。

其包括容錯(cuò)模塊、實(shí)時(shí)調(diào)度模塊和時(shí)間同步模塊。容錯(cuò)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)交換機(jī)容錯(cuò)功能；實(shí)時(shí)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)調(diào)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀，以保障數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)性傳輸；時(shí)鐘同步模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備提供同步的全局時(shí)鐘。

普通數(shù)據(jù)通道負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)普通數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

多路選擇器負(fù)責(zé)根據(jù)優(yōu)先級，選擇應(yīng)該發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級最高，普通數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級最低。

圖3是本發(fā)明的容錯(cuò)模塊結(jié)構(gòu)圖，其中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能的模塊包括仲裁模塊、存儲(chǔ)資源分配邏輯模塊、存儲(chǔ)資源池和控制邏輯模塊。

仲裁模塊的功能是決定進(jìn)入容錯(cuò)模塊數(shù)據(jù)的流向。仲裁模塊響應(yīng)中央處理器的命令，打開或者關(guān)閉容錯(cuò)功能。當(dāng)容錯(cuò)功能開啟時(shí)，仲裁模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)資源分配模塊。當(dāng)容錯(cuò)功能關(guān)閉時(shí)，仲裁模塊將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綄?shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)度模塊。

存儲(chǔ)資源分配模塊負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)分配其在存儲(chǔ)資源池中的位置。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中，每個(gè)數(shù)據(jù)流具有一個(gè)特定的字段進(jìn)行標(biāo)識，字段取值為1-4096。該模塊通過解析標(biāo)識字段來決定數(shù)據(jù)流在存儲(chǔ)資源池中的存儲(chǔ)位置。

存儲(chǔ)資源池負(fù)責(zé)緩存需要進(jìn)行容錯(cuò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本發(fā)明中的存儲(chǔ)資源池通過外接存儲(chǔ)設(shè)備qdr實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)池中的地址空間為1-4096，每一個(gè)空間能且僅能存儲(chǔ)一個(gè)以太網(wǎng)的最長幀。存儲(chǔ)地址空間與數(shù)據(jù)流標(biāo)識字段一一對應(yīng)。存儲(chǔ)資源池中維護(hù)一個(gè)4096位的地址列表，用于記錄1-4096地址空間中是否已經(jīng)存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)。如果地址空間存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)，在列表中該地址位標(biāo)識為1，否則標(biāo)識為0；

控制邏輯模塊負(fù)責(zé)在規(guī)定的時(shí)間從存儲(chǔ)資源池中取回?cái)?shù)據(jù)。每個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)時(shí)間表的條目，條目中記錄該數(shù)據(jù)的接收時(shí)間窗口和發(fā)送時(shí)間。每個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)該在規(guī)定的時(shí)間窗口中到達(dá)，并且在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)發(fā)送出去。當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)的接收時(shí)間窗口時(shí)，該模塊獲取數(shù)據(jù)流標(biāo)識字段，從存儲(chǔ)資源池中獲取該數(shù)據(jù)。在獲取過程中，該模塊首先查詢地址列表，如果數(shù)據(jù)流字段對應(yīng)地址的地址列表值為1，該模塊從存儲(chǔ)資源池中獲取數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?shí)時(shí)調(diào)度模塊。否則，該模塊不響應(yīng)該數(shù)據(jù)的取回請求。

數(shù)據(jù)通過mac模塊的接收，到達(dá)分類器。分類器通過解析以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的ethertype字段，將字段值為0x88d7的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到容錯(cuò)模塊。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)首先通過仲裁模塊，如果該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對應(yīng)的輸入端口容錯(cuò)功能關(guān)閉，則被仲裁模塊轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)時(shí)調(diào)度模塊；如果該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對應(yīng)的輸入端口容錯(cuò)功能打開，則被仲裁模塊轉(zhuǎn)發(fā)到存儲(chǔ)資源分配模塊中。存儲(chǔ)資源分配模塊根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)識字段為該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)資源池中分配存儲(chǔ)空間。當(dāng)控制邏輯模塊判定該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收時(shí)間到達(dá)時(shí)，從存儲(chǔ)資源池中將該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)取出，并發(fā)送到實(shí)時(shí)調(diào)度模塊。打開端口的容錯(cuò)功能時(shí)，因數(shù)據(jù)提前到達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存在資源存儲(chǔ)池中，并在規(guī)定的接收時(shí)間被取出，所以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)樘崆暗竭_(dá)實(shí)時(shí)調(diào)度模塊而被丟棄，從而實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)功能。

雖然上面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的示意性實(shí)現(xiàn)方式的解釋，并非對本發(fā)明包含范圍的限定。實(shí)施例中的細(xì)節(jié)并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均落在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。