一種時間觸發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的捕獲和存儲方法

劉洋 張志平 王晨博

摘要：該文提出了一種時間觸發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)捕獲和存儲方法，解決了基于數(shù)據(jù)幀錯誤類型、協(xié)議類型、虛鏈路或目的MAC地址的過濾和捕獲、數(shù)據(jù)幀組織存儲和解析等問題，滿足1Gbps和10Gbps速率的時間觸發(fā)以太網(wǎng)的同步和通信等功能的調試和驗證需求。

關鍵詞：TTE;數(shù)據(jù)捕獲;存儲;虛鏈路

中圖分類號：TP393 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0008-03

1 引言

隨著信息技術的發(fā)展，工業(yè)、航空等領域的電子設備和系統(tǒng)越來越重視任務的實時性、安全性、確定性，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)已經(jīng)不能滿足該需求，因此，時間觸發(fā)以太網(wǎng) （Time Triggered Ethernet，TTE） 應運而生。TTE是TTTech公司針對航空、航天領域等特殊應用而研發(fā)的一種高性能、強實時以太網(wǎng)[1]，兼容標準以太網(wǎng)IEEE802.3，提供微秒級的時鐘同步，通信速率可達1 Gb/s。TTE應用廣泛，例如航空電子技術，工業(yè)自動化等領域[2]。

在符合IEEE802.3標準的傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，網(wǎng)絡中的設備采用事件觸發(fā)機制，采用先到先服務的原則，可以在任何時間點接入網(wǎng)絡。不同的網(wǎng)絡設備之間通過共享介質進行通信，在通信過程中，個別消息的傳輸將產(chǎn)生不確定的抖動和累積延遲。為了減少這樣的情況，ARINC公司在標準以太網(wǎng)的基礎上，制定了ARINC664標準，其中第7部分為全雙工交換式以太網(wǎng)（AFDX網(wǎng)絡），在數(shù)據(jù)鏈路層增加了虛擬鏈路（VL）、帶寬分配間隙（BAG）、抖動管理機制，有效減少了報文傳輸過程中的報文沖突，并且具備了實時性和確定性[3]，滿足航電系統(tǒng)中各設備信息傳輸?shù)目煽啃院痛_定性要求。

SAE組織發(fā)布了AS6802時間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE）網(wǎng)絡標準，兼容標準以太網(wǎng)和AFDX網(wǎng)絡，使用網(wǎng)絡設備之間協(xié)調統(tǒng)一的網(wǎng)絡時間，以減少傳輸延時和抖動，從而在單一網(wǎng)絡中滿足不同事實和安全等級的應用需要。AS6802標準支持時間觸發(fā)機制的時間觸發(fā)消息（Time-Triggered消息，簡稱TT消息）、事件觸發(fā)機制的速率限制消息（Rate-Constraint消息，簡稱RC消息）和盡力而為消息（Best-Effort消息，簡稱BE消息）以及用于統(tǒng)一時間的協(xié)議控制幀（Protocol Control Frame，簡稱PCF消息）。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)ET（Event-Triggered）網(wǎng)絡由外部環(huán)境控制，對來自外部事件的刺激做出反應，而TTE通過內部的、集中的調度來控制自身活動與外部環(huán)境的交互。在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，為了防止單個網(wǎng)絡節(jié)點故障引發(fā)整個網(wǎng)絡故障，經(jīng)常采用雙余度或者多余度的網(wǎng)絡結構，以提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性[4]。TTE相比于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，具有以下優(yōu)勢：

1）適用性強。TTE可以應用于從簡單的網(wǎng)絡系統(tǒng)到高可靠性和高安全性的網(wǎng)絡系統(tǒng)等的各個層次的網(wǎng)絡，允許同時采用事件觸發(fā)和時間觸發(fā)機制;TTE能夠適應10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s等多種速率的帶寬網(wǎng)絡，可充分利用現(xiàn)有帶寬，提高通信網(wǎng)絡效率;

2）兼容性好。TTE網(wǎng)絡完全兼容標準以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議[5]，因此TTE無須改變現(xiàn)有網(wǎng)絡和現(xiàn)有端點系統(tǒng)的應用軟件，只需在標準以太網(wǎng)中為交換機和端系統(tǒng)配備時間觸發(fā)功能即可運行;

3）成本低。得益于TTE的兼容性，TTE網(wǎng)絡的成本能夠得到很好的控制，是TTE得到廣泛應用的重要因素。

為了解決基于數(shù)據(jù)幀錯誤類型、協(xié)議類型、虛鏈路或目的MAC地址的過濾和捕獲、數(shù)據(jù)幀組織存儲和解析等問題，本文提出了一種TTE數(shù)據(jù)捕獲方法，滿足1Gbps和10Gbps速率的TTE同步和通信等功能的調試和驗證需求。

2 TTE協(xié)議控制幀

TTE通過一個特殊的協(xié)議控制幀——Protocol Control Frame（PCF），來實現(xiàn)時鐘同步的控制機制。TTE協(xié)議控制幀（PCF）的結構如圖1所示。TTE協(xié)議幀的Payload字段包含著PCF幀的所有內容，其Type字段的值為0x891d [6]。本文章所提到的一種時間觸發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的捕獲和存儲方法，都是通過PCF幀中所包含的信息進行的。

3 TTE數(shù)據(jù)捕獲方法

TTE數(shù)據(jù)捕獲過程主要包括以下步驟：

步驟1：接收功能從MAC層接收數(shù)據(jù)幀，在第1個比特位到達時，記錄從RTC功能讀取的時鐘值，記為時間戳Fts;

步驟2：在MAC層接收數(shù)據(jù)時，檢查是否存在以下錯誤：1）超長幀錯誤;2）非對齊幀錯誤;3）幀校驗錯誤;4）類型長度域錯誤。

如果MAC錯誤過濾未使能，上述錯誤數(shù)據(jù)也將被接收功能接受。錯誤a數(shù)據(jù)最多存儲字節(jié)數(shù)為MAX_CAPTURE_LEN，錯誤b數(shù)據(jù)存儲對齊的字節(jié)，丟棄未對齊的比特位，錯誤c數(shù)據(jù)、錯誤d數(shù)據(jù)按照實際接收的內容存儲，并記錄數(shù)據(jù)的錯誤類型。

步驟3：通過MAC接收的幀，依據(jù)緩沖管理控制器配置對數(shù)據(jù)幀字段進行檢查，檢查內容包含以下幾項：1）CS幀接收使能;2）CA幀接收使能;3）IN幀接收使能;4）IN幀成員閾值;5）TT幀接收使能;6）RC幀接收使能;7）BE幀接收使能。

步驟4：通過對步驟2和步驟3所檢查的數(shù)據(jù)，比較數(shù)據(jù)幀實際長度FrameLen和MAX_CAPTURE_LEN：