前言

以太網(wǎng)正在迅速取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，成為航空電子設(shè)備和任務(wù)系統(tǒng)的核心高速網(wǎng)絡(luò)。本文提出了以太網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)在航空電子設(shè)備上應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，TSN已成為一個(gè)具有豐富的機(jī)制和協(xié)議的工具箱，可滿足與時(shí)間和可靠性相關(guān)的QoS要求，因此TSN是汽車、工業(yè)4.0和電信等各應(yīng)用領(lǐng)域中有線高速通信的重要技術(shù)。在此背景下，本案例主要呈現(xiàn)TSN定時(shí)QoS機(jī)制在直升機(jī)航空電子設(shè)備和任務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

案例概述

本案例研究是基于空客直升機(jī)公司提供的TSN通信架構(gòu)原型案例。案例的第一部分主要闡述與直升機(jī)航空電子設(shè)備和任務(wù)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的TSN標(biāo)準(zhǔn)，尤其是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。第二部分是評(píng)估在下一代系統(tǒng)子集的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，TSN定時(shí)QoS核心機(jī)制如何提高在調(diào)度最大流數(shù)量過(guò)程中的效率。

一、以太網(wǎng)TSN定時(shí)QoS機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)

具有QoS保證的實(shí)時(shí)通信對(duì)于一些航空航天嵌入式系統(tǒng)（如直升機(jī)）來(lái)說(shuō)是必不可少的。IEEE 802.1 TSN TG（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)小組），開(kāi)發(fā)了與時(shí)間和可靠性相關(guān)的QoS要求的技術(shù)。IEEE 802.1協(xié)議簇（WG）為交換以太網(wǎng)制定標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)中定義的機(jī)制和協(xié)議依賴于數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，如時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)配置和管理以及QoS等特性。本案例中將主要探討網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求以及分析提供定時(shí)QoS的TSN機(jī)制。

IEEE802.1Q(TSN)中的定時(shí)QoS

實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中最重要的要求之一是保證延遲有邊界。我們將幀從發(fā)送方通過(guò)網(wǎng)絡(luò)到接收方所花費(fèi)的時(shí)間稱為延遲。在有實(shí)時(shí)需求的網(wǎng)絡(luò)中，比如直升機(jī)，數(shù)據(jù)流的延遲通常有一個(gè)最大容忍值，也就是說(shuō)，它們會(huì)受到截止時(shí)間的限制。

802.1Q中的定時(shí)QoS：嚴(yán)格的優(yōu)先等級(jí)

流量?jī)?yōu)先級(jí)映射到流類別(TC)一共有8個(gè)等級(jí)，然后根據(jù)流的類別選擇流進(jìn)行傳輸。

+充分的優(yōu)先級(jí)分配能保證按時(shí)完成任務(wù)。
–不能改變流量阻塞的損失。
–延遲可能不夠低。

802.1Q中的定時(shí)QoS：基于信用的整形器-CBS

基于信用的傳輸管理：

? 僅當(dāng)信用值>0時(shí)才允許傳輸。

? 當(dāng)前正在傳輸?shù)腡raffic Class(TC)的信用值在傳輸時(shí)會(huì)減少，其他未傳輸?shù)腡raffic Class(TC)信用值會(huì)增加。

+充足的配置能保證按時(shí)完成任務(wù)。
+防止低優(yōu)先級(jí)流量的阻塞
–延遲可能不夠低。

802.1Q中的定時(shí)QoS：調(diào)度流量

為每個(gè)TC分配一個(gè)邏輯門。僅當(dāng)門打開(kāi)時(shí)才允許傳輸。門的打開(kāi)和關(guān)閉由預(yù)先定義的時(shí)間表控制。

+充足的調(diào)度降低延遲和抖動(dòng)

–生成正確的調(diào)度表可能是一個(gè)復(fù)雜的算法問(wèn)題
–帶寬可能未得到充分利用

TC#3的幀已準(zhǔn)備好傳輸并且其門已打開(kāi),但沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)傳輸完整的消息

802.1Q中的定時(shí)QoS：幀搶占

較低優(yōu)先級(jí)的幀可以被較高優(yōu)先級(jí)的幀搶占。

TC#3的幀已準(zhǔn)備好傳輸并且其門已打開(kāi)，但沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)傳輸完整的消息

+可以改善延遲
+與以下一起使用預(yù)定流量?jī)?yōu)化帶寬利用率
–硬件實(shí)施并不簡(jiǎn)單

總結(jié)

航空航天TSN配置文件

IEEE802.1和SAE航空電子網(wǎng)絡(luò)AS-1A2的聯(lián)合工作。TSN配置文件：選擇機(jī)制和配置以滿足用例要求。目前處于開(kāi)發(fā)的早期階段。

該標(biāo)準(zhǔn)為確定性IEEE802.3以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)者、實(shí)施者、集成商和認(rèn)證機(jī)構(gòu)指定了配置文件，支持廣泛的航空航天機(jī)載應(yīng)用，包括那些需要安全性、高可用性性和可靠性、可維護(hù)性和有限延遲的應(yīng)用。

二、TSN調(diào)度機(jī)制的效率

本案例下半部分主要與任務(wù)方面有關(guān)。案例中評(píng)估了不同TSN機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增長(zhǎng)時(shí)滿足時(shí)序約束的相對(duì)能力，還量化了不同調(diào)度解決方案的內(nèi)存使用情況,包含1000個(gè)流的特定應(yīng)用程序。所有實(shí)驗(yàn)均使用軟件RTaW?Pegase進(jìn)行。

機(jī)載TSN網(wǎng)絡(luò)模型

該通信體系結(jié)構(gòu)由兩個(gè)在多個(gè)終端系統(tǒng)上相互連接的子網(wǎng)絡(luò)組成。

上層網(wǎng)絡(luò)：具有關(guān)鍵流的核心航空電子設(shè)備→研究重點(diǎn)

下層網(wǎng)絡(luò)：主要是任務(wù)

定量評(píng)估

? 技術(shù)：模擬、最壞情況分析、設(shè)計(jì)空間探索系統(tǒng)、合成數(shù)據(jù)
? 候選TSN調(diào)度解決方案：整形、時(shí)間觸發(fā)傳輸、搶占、手動(dòng)（“用戶優(yōu)先級(jí)”）和自動(dòng)流優(yōu)先級(jí)分配（“簡(jiǎn)明優(yōu)先事項(xiàng)”）

過(guò)載分析：在某些鏈路出現(xiàn)過(guò)載之前有多少個(gè)流？

該通信體系結(jié)構(gòu)由兩個(gè)在多個(gè)終端系統(tǒng)上相互連接的子網(wǎng)絡(luò)組成。

上層網(wǎng)絡(luò)：具有關(guān)鍵流的核心航空電子設(shè)備→研究重點(diǎn)

??超過(guò)7000個(gè)流，至少一條鏈路過(guò)載的概率急劇增加 →網(wǎng)絡(luò)容量上限

??表明網(wǎng)絡(luò)容量很重要，截止日期等于周期

拓?fù)鋲毫y(cè)試?（TST）：

上圖為使用軟件RTaW-Pegase執(zhí)行拓?fù)鋲毫y(cè)試?（TST）獲得的數(shù)據(jù)。在TSN解決方案中成功調(diào)度一定數(shù)量的流的概率，具有7000個(gè)流的系統(tǒng)有89%的概率可通過(guò)CP進(jìn)行調(diào)度。

??Concise Priorities(CP)的性能接近最佳，因?yàn)樗{(diào)度了99%的非過(guò)載配置
→整形、時(shí)間觸發(fā)傳輸或幀搶占沒(méi)有增益
??FIFO調(diào)度優(yōu)于“用戶優(yōu)先級(jí)”，后者利用了6個(gè)優(yōu)先級(jí)！最大限度內(nèi)存使用：考慮中等規(guī)模的1000個(gè)流網(wǎng)絡(luò)

最大限度內(nèi)存使用

考慮中等規(guī)模的1000個(gè)流網(wǎng)絡(luò)

??整形（此處由軟件實(shí)現(xiàn)的預(yù)整形）在本案例研究中將平均內(nèi)存使用量減少了80%

??每個(gè)開(kāi)關(guān)的總內(nèi)存高達(dá) 568KB未整形 168KB帶整形
??優(yōu)先級(jí)的設(shè)置不會(huì)減少FIFO存儲(chǔ)器使用內(nèi)存
??CBS在記憶性方面也表現(xiàn)得非常好。此處未使用CBS ，因?yàn)閮?yōu)先級(jí)分配算法未針對(duì)CBS進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)論

??并非所有系統(tǒng)都涉及到TSN中的所有標(biāo)準(zhǔn)（如本案例研究所示）
??戰(zhàn)略位置好的策略匹配機(jī)制能提升成本效益
??TSN策略機(jī)制的選擇：關(guān)鍵影響因素有哪些？
- 更高優(yōu)先級(jí)的流量→可以選擇流量整形
- 較低優(yōu)先級(jí)流量→可以選擇由時(shí)間觸發(fā)的流量傳輸或搶占
- 相同優(yōu)先級(jí)流量→可以設(shè)置更多優(yōu)先級(jí)，更好的優(yōu)先級(jí)分配和流量整形
??在本案例中，優(yōu)先級(jí)是計(jì)時(shí)所需的唯一QoS機(jī)制
??內(nèi)存和時(shí)間一樣都會(huì)對(duì)流量產(chǎn)生限制，流量整形確實(shí)是有效的
??非純粹的技術(shù)問(wèn)題，例如重量、成本和認(rèn)證工作等也要考慮在內(nèi)

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