软件定义时间触发网络的调度算法优化

软件定义时间触发以太网（TTE）作为优化航空电子系统中消息调度的一种新模式,其动态在线调度算法必须尽力保证任何情况下所有消息的传输确定性。针对时间触发（TT）消息调度间隔小于消息帧长（小时隙）时,速率约束RC消息延迟增大、传输确定性降低的问题,对TT消息调度算法进行改进。首先,构建了TTE的系统模型,阐明了最小延迟（MID）调度算法和背靠背（B2B）调度算法的机制;然后在其基础上提出了大孔隙（MAV）调度算法,以减少（RC）消息的等待延迟;最后,利用OMNeT++实验分析这3种调度算法的性能。实验结果表明:当无小时隙TT消息时,B2B算法的消息延迟最大、MAV调度算法和MID调度算法的消息延迟接近。当有小时隙TT消息时,MAV调度算法的消息传输确定性更好,相比于MID调度算法,MAV调度算法下RC消息的传输确定性提高了87.3%。      

基于TTE的改进加权轮询调度算法

在时间触发以太网(TTE)中,TT消息优先级最高,RC消息只能在TT消息调度的离散时间片内传输,因此,TT消息离线调度表的设计会对RC消息调度产生一定影响。针对这一问题,提出了基于最优时间片的改进加权轮询(MWRR)调度算法。首先,通过TT消息约束条件限制获得TT消息离线调度表,进而得到保证RC消息较大资源利用率的时间片信息;其次,在离散时间片对不同类型RC消息进行调度,并运用网络演算方法对其最坏端到端延迟进行分析;最后,通过实验仿真证实了本文算法不仅具有较低的复杂度和较好的公平性,保证了实际应用中算法的可行性,而且在时延性方面均优于先到先得(FIFO)、优先级(PQ)和加权轮询(WRR)调度算法。     

基于贪婪随机自适应搜索法的TTE通信调度算法

时间触发以太网（TTE）采用全局时间触发机制，使通信任务传输具有严格的时间确定性和无冲突性，适用于航空电子等混合关键应用领域。TTE网络提供3种不同的流量类型:具有低抖动和有界端到端延迟的时间触发（TT）流量，有限制端到端延迟的速率约束（RC）流量和无实时性保证"尽力传"（BE）流量。针对可满足性模理论（SMT）等调度算法在生成TT流量离线时刻调度表的过程中，未综合考虑TT流量路由和时刻调度表对RC流量延迟产生影响的问题，为了优化TTE网络实时性能，提出了一种基于贪婪随机自适应搜索算法的TTE通信任务调度算法。在TT流量离线调度表的生成过程中考虑了RC流量的最坏端到端延迟（WCD），在保证TT流量满足可调度性的前提下，通过路由规划和调度时刻表规划降低了RC流量的WCD。对比实验结果表明:所提算法可以有效的提升整网的实时性能，通过A380拓扑组网案例的对比分析，RC流量的平均延迟减少了14.34%。网络中流量规模越大，所提算法的收益越大。      

基于LSTM的TTE网络速率约束流量预测

时间触发以太网（TTE）中的速率约束（RC）流量为事件触发流量,在RC流量动态调度的应用场景下,若能预测未来短时间内数条RC流量到达交换节点的序列,使交换节点提前进行调度决策,以减小RC流量时延,提高网络吞吐量。对RC流量到达序列预测问题进行了研究,建立了RC流量的到达序列模型,提出了基于长短期记忆网络（LSTM）算法的RC流量预测算法。利用OMNET++工具进行TTE网络仿真,得到多组混合关键性配置下RC流量的传输数据;以此作为输入样本对预测算法进行训练和测试。实验结果显示,LSTM算法在RC流量预测问题的准确率达到了70%以上。通过对比实验说明所提算法适用于RC流量预测场景。      

基于一次性突发原则的TTE网络实时性能优化

确定性通信的发展，促进了时间触发概念的引入。时间触发以太网（TTE）通过提供3种流量类别来支持混合安全性的实时应用:时间触发（TT）流量，具有完全的时间确定性；速率约束（RC）流量，具有确界的端到端延迟；尽力传（BE）流量。如何实现时间触发机制下RC流量实时性能的紧性分析，仍然是决定TTE网络顺利应用的开放式问题。在FIFO服务策略的假设下，将“一次性突发原则”的分析方法引入到TTE网络中，以观察该原则在时间触发网络性能分析中的影响。不同于航空电子全双工以太网（AFDX），具有更高优先级的TT流量会对RC流量的延迟分析产生关键影响，从而导致一次性突发分析的复杂性。通过建立聚合TT流量在及时阻断模式下的到达曲线模型，从而获得单条RC流量端到端的服务曲线模型，基于此实现了RC流量的最坏情况端到端延迟（WCD）评估，进一步完成了一次性突发原则下的分析对比。相较于已有工作，一次性突发原则可以得到RC流量更精确的最坏端到端延迟上界评估结果，有助于改善TTE网络性能评价紧性。通过A380拓扑组网案例的对比分析，相比于传统方法，所提方法RC流量平均延迟减少了12.05%。      

芯片间时间触发消息堆叠调度方法

时间触发（TT）通信方式应用于芯片间互连网络，以保证航空电子通信任务之间消息传递的严格时间确定性。当航空电子任务具有多种操作模式，属于不同模式的芯片间的时间触发调度表会重叠占用时隙，提出芯片间时间触发消息堆叠调度方法，以提高利用网络资源的灵活性和效率，同时减小应用层消息由于等待时间触发时间窗的排队延迟。仿真实验表明：与超调度方法相比，所提方法能够减小芯片间互连网络中时间触发消息的总端到端延迟和链路平均时隙占用率，对于端到端延迟时间较长且链路平均承载消息传输较多的场景，采用所提方法减少端到端延迟的效果更显著。     

一种面向片上网络的链路调度算法

新兴的片上网络(NoC, Network-on-Chip)通常采用虫孔交换技术,其中的链路调度机制难以保证报文级的转发延迟.提出的逆向锚点轮转(RARR, Reverse Anchored Round-Robin)调度算法结合了逐个微片轮转(FFRR, Flit-by-Flit Round-Robin)和逐个报文轮转(PPRR, Packet-by-Packet Round-Robin)调度算法的特点.RARR算法在报文的头微片抵达目的节点前以逐个微片的方式实施调度;此后以最后一跳的链路为起点,沿该报文的转发路径逆向的、逐跳的为所有片段请求和调度锚点.RARR算法将获得锚点的报文设置为最高优先级,对其实施报文级的调度;当锚点报文转发过程中断时,以逐个微片的方式轮转调度其他报文.RARR算法的基本思想源于锚点轮转(ARR, Anchored Round-Robin)调度算法,但是其中关键的锚点调度机制更具确定性,同时消除了ARR算法中的死锁问题.利用周期精确的虫孔交换网络仿真环境量化评估了常见的轮转调度算法,包括FFRR,PPRR,ARR和RARR.实验结果表明,RARR算法具有最优的性能.      

结合短帧优先的权重轮询AFDX端系统发送策略

提出一种新型的端系统虚链路调度（VL）策略,该策略在短帧优先基础上结合权重轮询（WRR）进行调度,既确保了重要短帧的优先级又可以平衡其他不同优先级信号的延迟上限。应用网络演算理论推导了基于该新型调度策略的端系统不同虚链路的延迟上界,研究了最大延迟上界与不同权重比及其帧长之间的关系,并建立了基于OPNET的航空电子全双工交换式以太网（AFDX）网络模型,仿真分析新型调度策略与短帧优先、带权重轮询调度算法下端系统数据的发送延迟。结果表明,该新型调度策略有效可行,降低了短帧虚链路的最大延迟时间,提高了长帧数据中较重要任务数据的处理带宽,适用于具有较多重要短帧并具有不同优先级数据的机载系统网络。      

基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

芯片间时间触发通信综合规划方法及其优化

随着片上系统（SoC）的处理能力逐渐接近传统的综合核心处理模块,航空电子系统向着微小型综合化的芯片间系统发展;时间触发交换式互连可以保证芯片间消息传递的严格时间确定性。考虑芯片间互连交换结构轻量化和收发端口有限的特点,在拓扑、路由和调度时刻等网络资源相互制约的条件下,提出了芯片间时间触发通信综合规划方法,即根据时间触发消息集合和芯片端口配置,同时求解得到芯片间网络拓扑结构、消息路由和调度时刻表的规划结果。其中,采用免疫算法整体优化了各条消息在网络资源分配过程中的求解次序。仿真实验表明,与不考虑整体优化的综合规划方法相比,优化后的规划结果在减少拓扑结构中多余路径开销的同时,避免消息传输路径拥堵,降低消息端到端延迟,保证了消息集的可调度性。      

TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法

针对时间触发网络依据全局时间进行触发数据通信的特点,提出了一种基于单调速率调度(RMS)调度机制的通信表生成算法时间触发单调速率调度(TT-RMS),来生成时间触发网络的通信表.TT-RMS算法在安排消息时间槽过程中,首先根据消息周期,计算出各个链路的总负载,再根据链路的消息周期和总负载,通过RMS机制进行消息排序,确定出消息调度的先后顺序,最后根据时间槽的分配状态进行消息调度,优化了消息的调度过程.所提算法的计算时间复杂度为O(n2),空间复杂度为O(n).目前广泛研究和应用的可满足性理论(SMT)通信表生成方法,其计算时间复杂度通常是多项式级,有时计算时间不收敛.实验结果显示,TT-RMS调度的网络单个链路负载最大可接近100%,计算时间在1 ms左右,平均可调度网络负载是SMT方法可调度网络负载的两倍.TT-RMS通信表生成算法具有计算时间短,可调度消息负载多等优点,可以更好地满足航空航天复杂系统中上千条实时消息流的调度需要.      

时间触发CAN总线实时性分析及评估方法

针对目前时间触发控制器局域网(CAN,Controller Area Network)总线缺乏统一评估方法的现状,提出了一套系统建立与评估方案.采用均匀装载算法建立系统调度矩阵,实现了周期信息的实时传输.结合CAN总线的传输机制与时间触发的特点,改进了时间触发系统中非周期信息最坏延迟的计算方法.在此基础上针对不满足系统实时性要求的信息提出了计算其失效概率的方法,建立了时间触发CAN总线系统的设计与评估流程,提出了系统参数调整方案.评估方案能够提高设计效率,利用信息失效概率以及最坏延迟对系统实时性进行分析,使分析结果更加精确、实用.