HONGKE

下一代航空航天電子真的需要TSN嗎？

以直升機為例（一）

虹科案例

以太網迅速取代傳統網絡，成為航空電子設備和任務系統中的核心高速網絡?；诖吮尘埃疚囊灾鄙龣C為例，探討了時間敏感網絡（TSN）在航空電子設備上應用的技術優勢問題。事實上，TSN已經成為一個具有豐富的機制和協議的工具箱，可用于解決與時間和可靠性相關的服務質量（QoS）需求。TSN正在迅速成為各種應用領域（如汽車、工業4.0和電信）有線高速通信的重要技術。在此背景下，本文研究了代表下一代系統的通信需求，探討了TSN定時QoS機制在直升機航空電子設備和任務系統中的應用。

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概述

背景 具有服務質量（QoS）保證的實時通信對于一些航空航天嵌入式系統（如直升機）來說是必不可少的。在這樣的系統中，以太網正逐漸成為高速有線通信的重要技術。原因之一是以太網一直在不斷發展和適應，以成功地滿足正在開發的新系統的需求。特別是IEEE 802.1 TSN TG（時間敏感網絡技術小組），開發了與時間和可靠性相關的QoS要求的技術。

直升機采用以太網和TSN的主要驅動因素 以太網，特別是TSN網絡，能提供解決方案去處理流量和用戶數量的增加、以及混合臨界流量，如安全功能、分布在網絡上的時間敏感控制算法或基于IP的QOS敏感的音頻/視頻流。此外，與Arinc 664P7等航空航天特定解決方案相比，基于標準以太網的解決方案可降低網絡設備、線束和測試設施的成本。

這項工作考慮了兩個基本要求，即確保在任何可能的情況下，1）通信延遲低于截止時間，2）存儲數據包所需的硬件內存不超過可用內存。

這項工作的第一個目標是提供與直升機航空電子設備和任務網絡相關的TSN標準的審查，重點是時間。第二個目標是評估基于下一代系統子集的現實網絡中，核心TSN定時QoS機制在能夠成功調度的最大流數量方面的效率。本實驗通過模擬和最壞情況分析進行性能評估，以及靈敏度分析。實驗結果突出了TSN定時QoS機制的幾個不明顯的行為，如在某些場景下整形器的效率有限。最后，我們討論了選擇和配置TSN機制的問題，并給出了我們對TSN目前對直升機的興趣的看法。

HONGKE-TSN

02

IEEE802.1標準

IEEE 802.1工作組（WG）為交換以太網制定標準。這些標準中定義的機制和協議依賴于數據鏈路層提供的服務，如時間同步、網絡配置和管理以及QoS等特性。

在討論更多細節之前，值得指出的是，有兩種不同類型的TSN標準化項目。首先是基本標準，它們的縮寫都是用大寫字母書寫的（IEEE 802.1Q ， IEEE 802.1CB和IEEE 802.1AS），每隔幾年修訂一次。第二，在基本標準中增加小寫字母的是修正案，一旦最終確定，將被納入下一個修訂版的基本標準（例如，2019年9月發布的IEEE 802.1Qcr將被并入IEEE 802.1Q-2021）。

802.1 WG從1990年就開始活躍了，在它的整個歷史中，小組的重點已經發生了變化。從早期的項目定義MAC橋（也稱為“交換機”）和流量類（分別是IEEE 802.1D和IEEE 802.1p，都被納入IEEE 802.1Q）的基礎。2005年，針對專業音視頻市場，音頻視頻橋接（AVB）任務組（TG）的創建，引入了時間同步協議（IEEE 802.1AS-2011）、流預留協議（SRP, IEEE 802.1Qat）和基于信用的整形器（CBS，IEEE 802.1 Qav）。最后，2012年將AVB TG更名為目前的TSN TG，將應用范圍擴大到汽車、工業自動化和航空航天等領域。

直到今天，TSN TG仍在繼續開發提供確定性服務的機制，具有有限的低延遲（IEEE 802.1Qbv, IEEE802.1Qbu, IEEE 802.1Qcr）和可靠性（IEEE 802.1 CB, IEEE 802.1Qci）和改進的時間同步（IEEE 802.1AS-2020）。事實上，由于TSN有這么多不同的機制和特性，很難理解TSN能給應用程序帶來什么改變。為了解決這個問題，TSN TG正在開發另一種叫做概要文件（Profile）的項目。本質上，TSN概要文件選擇機制和配置策略來滿足給定應用程序的需求。第一個配置是IEEE 802.1BA，用于音視頻橋接，定義了AVB標準。第二個TSN概要是用于電信前端網絡的IEEE 802.1CM、IEEE 60802工業自動化概要、IEEE 802.1DG汽車概要和IEEE 802.1DP航空航天概要目前正在積極開發中。

在本文中，我們感興趣的是網絡的實時性要求，因此在下一節中，我們將詳細分析提供定時QoS的TSN機制。此外，我們還介紹了TSN航空航天的概況。

A. 802.1定時QoS

實時通信系統中最重要的要求之一是保證延遲有邊界。我們將幀從發送方通過網絡到接收方所花費的時間稱為延遲。在有實時需求的網絡中，比如直升機，數據流的延遲通常有一個最大容忍值，也就是說，它們受到截止時間的限制。

1）優先級

保證延遲的第一種也是最簡單的方法是為不同的流分配優先級，并使用優先級在準備在同一輸出端口發送的幀之間進行仲裁。802.1通過流量類實現，TSN網絡中最多有8個流量類，因此最多可以使用8個優先級。流量類表示在交換機端口或網絡接口中實現的出口隊列。數據幀根據其優先級被分配到不同的出口隊列或流量類。重要的是要注意的分配優先級幀是一個設計決策,可以手動或使用算法分配,但這樣的分配應當離線驗證,以確保它能保證所需的延遲,和任何其他時間限制,如抖動和吞吐量。流量分類除了能夠高效地滿足高優先級的截止時間限制外，還可以確保不同臨界級別的流量不會共享相同的等待隊列。這保證了關鍵幀不會因為重要性低的流不滿足其流量規范而被丟棄。

然而，使用正確的優先級仍然存在兩個開放的問題：高優先級流量可能被其他高優先級流量阻塞，低優先級流量可能被高優先級流量阻塞。后一個問題可以通過使用流量整形機制來緩解，比如基于信用的整形器（CBS）。

2）基于信用的整形器

根據定義，高優先級流量可以阻塞低優先級流量。然而，即使是低優先級的流量也可能有性能需求，通常是吞吐量或“軟截止時間”（即偶爾會錯過的截止時間）。如果只使用優先級，高優先級流量（例如正在傳輸的視頻幀）的突發傳輸或優先級的次優配置會導致低優先級流量被阻塞，即在很長一段時間內被阻止訪問網絡?；谛庞玫恼纹鳎–BS, IEEE 802.1Qav中定義）有助于緩解這個問題。其基本思想是將“傳輸信用”與出口隊列/流量類關聯起來。要允許發送給定流量類的幀，與該類關聯的信用值必須為正。一旦幀開始傳輸，該流量類的信用將以一個稱為“發送斜率”的速率減少，這是一個特定于端口和類的參數。一旦流量類的信用值變為負值，那么該流量類的任何幀都不能再被傳輸了。當屬于其他流量類的幀被發送時，一個類的信用會以每個端口每個類的速率被逐步補充，稱為“空閑斜率”。通過將CBS應用于一個或兩個高優先級隊列，在許多情況下可以防止低優先級流量類被長時間阻塞。

使用正確優先級的另一個問題是高優先級流被其他的高優先級流阻塞。假設，如前所述，優先級分配允許滿足定時要求，這只是一個問題，如果新的流量添加到網絡，或如果一些流量不按預期運行。在這種情況下，高優先級的通信流得不到保護，可能會遭受意外的延遲，從而導致更長的延遲和錯過最后期限。為了解決這個問題，802.1定義了為特定的流分配和保留帶寬的機制，如按每跳工作的流預留協議（SRP），或計劃流量（在IEEE 802.1 Qbv中定義）。接下來，我們將描述預定的流量是如何工作的，因為該機制提供了一個解決方案來調度具有嚴格期限約束的流。

圖1 IEEE 802.1Q定義的輸出端口調度?？蛇x的QoS機制以分層的方式應用：首先是優先級，然后根據基于信用的整形器進行整形，再是時間感知整形器，最后是幀搶占

3）計劃流量

對于對時間有嚴格要求的應用程序，TSN TG在IEEE 802.1Qbv中增加了對計劃流量的支持，其機制稱為時間感知整形器（TAS）。TAS允許管理出口隊列，以便以時間觸發的方式發送幀。這是通過與每個出口隊列關聯的邏輯門實現的，給定類的流量只能在相關的門打開的情況下傳輸。門的打開和關閉是由存儲在邏輯門控制列表（GCL）中的時間觸發計劃控制的。機制本身非常簡單，但找到一個合適的調度表才是復雜性所在。實際上，構建調度表是一個困難的算法問題（如NP complete算法），通常使用啟發式或SMT求解器[15]來解決。使用計劃流量的優點是雙重的：第一，它可以保證低延遲和低抖動，第二，流量類可以使用專屬的轉發窗口，即，在這段時間內，只有對應于單個流量類的門是打開的。這樣，流量類就受到了保護，并且即使新的流量以其他優先級類別添加到網絡中，該類數據包的計時行為也不會改變。這種使用TAS的方式稱為“專屬門控”，據我們所知，這是目前配置TAS最常見的方式。

4）幀搶占

如果不使用專屬窗口，那么會帶來潛在的帶寬浪費。此外，計劃流量的實現必須強制幀的傳輸在流量類的門關閉之前結束。此外，預定流量的實現必須強制幀的傳輸在流量類的門關閉之前結束。這意味著在門關閉事件之前必須準備一個稱為“保護帶”的緩沖區。這將導致最多1522字節（最大幀大小）的帶寬浪費。為了通過減少保護頻帶來提高帶寬利用率，可以將幀搶占（IEEE 802.1Qbu中引入的）與計劃流量結合使用。當啟用幀搶占時，標記為“express”的流量類的幀可以中斷或搶占標記為“搶占”的流量類的幀的傳輸。除了提高帶寬利用率，幀搶占還可以潛在地減少不太重要的流量的延遲。幀搶占也可以在沒有預定流量的情況下使用。它實際上可以為具有嚴格截止時間的應用程序提供一種替代定時通信的方法。以有限的開銷（每次搶占24字節）為代價，搶占允許通過減少通常所說的“阻塞因子”來縮短關鍵流的延遲。阻塞因子是由于低優先級幀引起的，發生在每一跳的最大干擾（100Mbit/s時每臺交換機可達123us）。使用幀搶占，阻塞因子減少了10倍以上。

B. TSN航空航天概要

IEEE 802和SAE Avionics Networks AS-1 A2目前正在合作，為航空航天板載以太網通信定義TSN概要。這個名為IEEE P802.1DP / SAE AS 6675的項目還沒有發布初稿，所以現在談規范的細節還為時過早。到目前為止，工作一直集中在收集用例上，并且期望TSN概要文件可以應用于軍事和客運飛機，直升機，甚至衛星。對于這些用例，聯合項目正在研究提供時間同步（IEEE 802.1AS）、流量整形（IEEE 802.1 Qav和IEEE 802.1Qbv）、冗余（IEEE 802.1CB）、過濾和監管（IEEE 802.1Qci）以及配置和管理（IEEE 802.1Qcc）的機制。即使在項目的最后有一個單一的規范，它也可能包含多個概要文件。例如，它可以有一個同步配置文件（即，使用預定流量）和一個異步配置文件。