[发明专利]基于时间压力的时间确定性数据交换方法及交换装置

说明书

技术领域

本发明主要涉及到由交换设备构建的网络环境中数据交换方法领域，特指一种基于时间压力的时间确定性数据交换方法及交换装置，尤其适用于是对端到端数据传输时延具有确定性要求的网络测控系统，如实时测量、网络控制、工业自动化以及现场测试等的时间确定性数据交换的方法。

背景技术

现有交换设备的存储转发机制、队列结构以及调度算法导致了数据交换时延的不确定性，而且在多个交换设备互联而成的数据传输链路中，由于各个交换设备仅根据自身状态完成调度过程，彼此之间没有数据传输状态的协同，造成端到端数据传输时延的不确定性更大。现有交换设备所存在的这种数据交换时延不确定性问题直接限制了网络技术在各种实时传输业务中的应用，同时，随着网络技术在仪器平台和测控系统不断渗透和融合，交换设备的数据交换时延不确定性问题也成为各种具有实时性和确定性要求的网络化仪器以及网络化测控系统中需要亟待解决的关键技术问题。

根据排队机制的不同，交换设备的交换结构可分为输出排队交换结构、输入排队交换结构、联合输入输出排队交换结构和交叉点联合排队交换结构四种。各种交换结构虽然各有优势，然而，输出排队交换结构存在N倍加速问题，在高速环境下应用受限，提高速度将大大增加成本，而且随着速度的提高会降低信息交换的稳定性；输入排队交换结构虽然不需加速，但输入排队交换结构的调度算法仅能实现粗粒度的优先级服务，其时延、时延抖动特性均不如基于输出排队交换结构的调度算法；联合输入输出排队交换结构仅处于理论研究阶段，其调度算法的复杂度过高，工程中很难实现；在交叉点联合排队交换结构中，带缓存交叉开关通过在传统交叉开关(Crossbar)的每一个交叉节点设置一定容量的缓存单元，使得交换单元的每个输入端口和输出端口可以相对独立的使用内部连接带宽资源，避免了集中式的控制机制，为提升交换设备的综合性能提供了一个更好的基础平台。与传统的交叉开关相比，带缓存交叉开关可以直接支持变长分组处理，避免了分片重组的额外开销，而且现有研究表明：在不加速条件下，单独的带缓存交叉开关交换单元仅需通过增大交叉节点缓存的容量就可以获得比基于传统交叉开关的输入排队交换结构和输出排队交换结构更好的交换性能。

近年来随着芯片设计技术的进步和芯片工艺水平的提高，单芯片内部已经可以提供相当容量的缓存单元，这使得带缓存交叉开关(Buffered Crossbar)迅速成为交换领域新的研究热点。交叉点联合排队交换结构完全消除了HOL堵塞，而且由于交叉点缓存将输入输出竞争分离开，这种交换结构可以完全模拟输出排队交换结构的性能。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现多个交换设备之间交换时延的动态协调、能够保证数据端到端传输时延的确定性和一致性、从而提高整体传输效率和稳定性的基于时间压力的时间确定性数据交换方法及交换装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种基于时间压力的时间确定性数据交换方法，其特征在于：在由交换节点构建的网络环境中，实时测量各个数据帧经过各交换节点传输所产生的总交换时延以及所经过的交换节点数，并记录到数据帧一并进行传递，每个交换节点根据数据帧的实际传输时延要求和数据帧中所记录的上述交换节点数和总交换时延计算出该数据帧的交换时间压力，并基于该时间压力对数据帧的交换优先级进行调节控制，从而保证数据帧的所需的传输时延要求。

本发明方法进一步的具体步骤为：

①获得链路平均交换时延；由源节点发送连接帧至目的节点，目的节点在收到连接帧后发回应答帧，源节点收到应答帧后初始交换得到初始交换时延数据：初始交换时延d_all和交换节点数量c_SW，其中d_all为连接帧经过所有交换节点的时延总和，交换节点数量c_SW为连接帧所经过的交换节点数量，计算链路平均交换时延τ_avg＝d_all/c_SW；