HONGKE

下一代航空航天電子真的需要TSN嗎？

以直升機(jī)為例（一）

虹科案例

以太網(wǎng)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)中的核心高速網(wǎng)絡(luò)。基于此背景，本文以直升機(jī)為例，探討了時(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。事實(shí)上，TSN已經(jīng)成為一個(gè)具有豐富的機(jī)制和協(xié)議的工具箱，可用于解決與時(shí)間和可靠性相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求。TSN正在迅速成為各種應(yīng)用領(lǐng)域（如汽車(chē)、工業(yè)4.0和電信）有線高速通信的重要技術(shù)。在此背景下，本文研究了代表下一代系統(tǒng)的通信需求，探討了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。

01

概述

背景 具有服務(wù)質(zhì)量（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。在這樣的系統(tǒng)中，以太網(wǎng)正逐漸成為高速有線通信的重要技術(shù)。原因之一是以太網(wǎng)一直在不斷發(fā)展和適應(yīng)，以成功地滿足正在開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)的需求。特別是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)。

直升機(jī)采用以太網(wǎng)和TSN的主要驅(qū)動(dòng)因素 以太網(wǎng)，特別是TSN網(wǎng)絡(luò)，能提供解決方案去處理流量和用戶數(shù)量的增加、以及混合臨界流量，如安全功能、分布在網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的解決方案可降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線束和測(cè)試設(shè)施的成本。

這項(xiàng)工作考慮了兩個(gè)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(shí)間，2）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包所需的硬件內(nèi)存不超過(guò)可用內(nèi)存。

這項(xiàng)工作的第一個(gè)目標(biāo)是提供與直升機(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)的審查，重點(diǎn)是時(shí)間。第二個(gè)目標(biāo)是評(píng)估基于下一代系統(tǒng)子集的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，核心TSN定時(shí)QoS機(jī)制在能夠成功調(diào)度的最大流數(shù)量方面的效率。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬和最壞情況分析進(jìn)行性能評(píng)估，以及靈敏度分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果突出了TSN定時(shí)QoS機(jī)制的幾個(gè)不明顯的行為，如在某些場(chǎng)景下整形器的效率有限。最后，我們討論了選擇和配置TSN機(jī)制的問(wèn)題，并給出了我們對(duì)TSN目前對(duì)直升機(jī)的興趣的看法。

HONGKE-TSN

02

IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.1工作組（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。

在討論更多細(xì)節(jié)之前，值得指出的是，有兩種不同類(lèi)型的TSN標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目。首先是基本標(biāo)準(zhǔn)，它們的縮寫(xiě)都是用大寫(xiě)字母書(shū)寫(xiě)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(biāo)準(zhǔn)中增加小寫(xiě)字母的是修正案，一旦最終確定，將被納入下一個(gè)修訂版的基本標(biāo)準(zhǔn)（例如，2019年9月發(fā)布的IEEE 802.1Qcr將被并入IEEE 802.1Q-2021）。

802.1 WG從1990年就開(kāi)始活躍了，在它的整個(gè)歷史中，小組的重點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了變化。從早期的項(xiàng)目定義MAC橋（也稱(chēng)為“交換機(jī)”）和流量類(lèi)（分別是IEEE 802.1D和IEEE 802.1p，都被納入IEEE 802.1Q）的基礎(chǔ)。2005年，針對(duì)專(zhuān)業(yè)音視頻市場(chǎng)，音頻視頻橋接（AVB）任務(wù)組（TG）的創(chuàng)建，引入了時(shí)間同步協(xié)議（IEEE 802.1AS-2011）、流預(yù)留協(xié)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(yīng)用范圍擴(kuò)大到汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化和航空航天等領(lǐng)域。

直到今天，TSN TG仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)提供確定性服務(wù)的機(jī)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(jìn)的時(shí)間同步（IEEE 802.1AS-2020）。事實(shí)上，由于TSN有這么多不同的機(jī)制和特性，很難理解TSN能給應(yīng)用程序帶來(lái)什么改變。為了解決這個(gè)問(wèn)題，TSN TG正在開(kāi)發(fā)另一種叫做概要文件（Profile）的項(xiàng)目。本質(zhì)上，TSN概要文件選擇機(jī)制和配置策略來(lái)滿足給定應(yīng)用程序的需求。第一個(gè)配置是IEEE 802.1BA，用于音視頻橋接，定義了AVB標(biāo)準(zhǔn)。第二個(gè)TSN概要是用于電信前端網(wǎng)絡(luò)的IEEE 802.1CM、IEEE 60802工業(yè)自動(dòng)化概要、IEEE 802.1DG汽車(chē)概要和IEEE 802.1DP航空航天概要目前正在積極開(kāi)發(fā)中。

在本文中，我們感興趣的是網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，因此在下一節(jié)中，我們將詳細(xì)分析提供定時(shí)QoS的TSN機(jī)制。此外，我們還介紹了TSN航空航天的概況。

A. 802.1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(chēng)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)，它們受到截止時(shí)間的限制。

1）優(yōu)先級(jí)

保證延遲的第一種也是最簡(jiǎn)單的方法是為不同的流分配優(yōu)先級(jí)，并使用優(yōu)先級(jí)在準(zhǔn)備在同一輸出端口發(fā)送的幀之間進(jìn)行仲裁。802.1通過(guò)流量類(lèi)實(shí)現(xiàn)，TSN網(wǎng)絡(luò)中最多有8個(gè)流量類(lèi)，因此最多可以使用8個(gè)優(yōu)先級(jí)。流量類(lèi)表示在交換機(jī)端口或網(wǎng)絡(luò)接口中實(shí)現(xiàn)的出口隊(duì)列。數(shù)據(jù)幀根據(jù)其優(yōu)先級(jí)被分配到不同的出口隊(duì)列或流量類(lèi)。重要的是要注意的分配優(yōu)先級(jí)幀是一個(gè)設(shè)計(jì)決策,可以手動(dòng)或使用算法分配,但這樣的分配應(yīng)當(dāng)離線驗(yàn)證,以確保它能保證所需的延遲,和任何其他時(shí)間限制,如抖動(dòng)和吞吐量。流量分類(lèi)除了能夠高效地滿足高優(yōu)先級(jí)的截止時(shí)間限制外，還可以確保不同臨界級(jí)別的流量不會(huì)共享相同的等待隊(duì)列。這保證了關(guān)鍵幀不會(huì)因?yàn)橹匾缘偷牧鞑粷M足其流量規(guī)范而被丟棄。

然而，使用正確的優(yōu)先級(jí)仍然存在兩個(gè)開(kāi)放的問(wèn)題：高優(yōu)先級(jí)流量可能被其他高優(yōu)先級(jí)流量阻塞，低優(yōu)先級(jí)流量可能被高優(yōu)先級(jí)流量阻塞。后一個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用流量整形機(jī)制來(lái)緩解，比如基于信用的整形器（CBS）。

2）基于信用的整形器

根據(jù)定義，高優(yōu)先級(jí)流量可以阻塞低優(yōu)先級(jí)流量。然而，即使是低優(yōu)先級(jí)的流量也可能有性能需求，通常是吞吐量或“軟截止時(shí)間”（即偶爾會(huì)錯(cuò)過(guò)的截止時(shí)間）。如果只使用優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)流量（例如正在傳輸?shù)囊曨l幀）的突發(fā)傳輸或優(yōu)先級(jí)的次優(yōu)配置會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)流量被阻塞，即在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被阻止訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。基于信用的整形器（CBS, IEEE 802.1Qav中定義）有助于緩解這個(gè)問(wèn)題。其基本思想是將“傳輸信用”與出口隊(duì)列/流量類(lèi)關(guān)聯(lián)起來(lái)。要允許發(fā)送給定流量類(lèi)的幀，與該類(lèi)關(guān)聯(lián)的信用值必須為正。一旦幀開(kāi)始傳輸，該流量類(lèi)的信用將以一個(gè)稱(chēng)為“發(fā)送斜率”的速率減少，這是一個(gè)特定于端口和類(lèi)的參數(shù)。一旦流量類(lèi)的信用值變?yōu)樨?fù)值，那么該流量類(lèi)的任何幀都不能再被傳輸了。當(dāng)屬于其他流量類(lèi)的幀被發(fā)送時(shí)，一個(gè)類(lèi)的信用會(huì)以每個(gè)端口每個(gè)類(lèi)的速率被逐步補(bǔ)充，稱(chēng)為“空閑斜率”。通過(guò)將CBS應(yīng)用于一個(gè)或兩個(gè)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，在許多情況下可以防止低優(yōu)先級(jí)流量類(lèi)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞。

使用正確優(yōu)先級(jí)的另一個(gè)問(wèn)題是高優(yōu)先級(jí)流被其他的高優(yōu)先級(jí)流阻塞。假設(shè)，如前所述，優(yōu)先級(jí)分配允許滿足定時(shí)要求，這只是一個(gè)問(wèn)題，如果新的流量添加到網(wǎng)絡(luò)，或如果一些流量不按預(yù)期運(yùn)行。在這種情況下，高優(yōu)先級(jí)的通信流得不到保護(hù)，可能會(huì)遭受意外的延遲，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的延遲和錯(cuò)過(guò)最后期限。為了解決這個(gè)問(wèn)題，802.1定義了為特定的流分配和保留帶寬的機(jī)制，如按每跳工作的流預(yù)留協(xié)議（SRP），或計(jì)劃流量（在IEEE 802.1 Qbv中定義）。接下來(lái)，我們將描述預(yù)定的流量是如何工作的，因?yàn)樵摍C(jī)制提供了一個(gè)解決方案來(lái)調(diào)度具有嚴(yán)格期限約束的流。

圖1 IEEE 802.1Q定義的輸出端口調(diào)度。可選的QoS機(jī)制以分層的方式應(yīng)用：首先是優(yōu)先級(jí)，然后根據(jù)基于信用的整形器進(jìn)行整形，再是時(shí)間感知整形器，最后是幀搶占

3）計(jì)劃流量

對(duì)于對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用程序，TSN TG在IEEE 802.1Qbv中增加了對(duì)計(jì)劃流量的支持，其機(jī)制稱(chēng)為時(shí)間感知整形器（TAS）。TAS允許管理出口隊(duì)列，以便以時(shí)間觸發(fā)的方式發(fā)送幀。這是通過(guò)與每個(gè)出口隊(duì)列關(guān)聯(lián)的邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)的，給定類(lèi)的流量只能在相關(guān)的門(mén)打開(kāi)的情況下傳輸。門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉是由存儲(chǔ)在邏輯門(mén)控制列表（GCL）中的時(shí)間觸發(fā)計(jì)劃控制的。機(jī)制本身非常簡(jiǎn)單，但找到一個(gè)合適的調(diào)度表才是復(fù)雜性所在。實(shí)際上，構(gòu)建調(diào)度表是一個(gè)困難的算法問(wèn)題（如NP complete算法），通常使用啟發(fā)式或SMT求解器[15]來(lái)解決。使用計(jì)劃流量的優(yōu)點(diǎn)是雙重的：第一，它可以保證低延遲和低抖動(dòng)，第二，流量類(lèi)可以使用專(zhuān)屬的轉(zhuǎn)發(fā)窗口，即，在這段時(shí)間內(nèi)，只有對(duì)應(yīng)于單個(gè)流量類(lèi)的門(mén)是打開(kāi)的。這樣，流量類(lèi)就受到了保護(hù)，并且即使新的流量以其他優(yōu)先級(jí)類(lèi)別添加到網(wǎng)絡(luò)中，該類(lèi)數(shù)據(jù)包的計(jì)時(shí)行為也不會(huì)改變。這種使用TAS的方式稱(chēng)為“專(zhuān)屬門(mén)控”，據(jù)我們所知，這是目前配置TAS最常見(jiàn)的方式。

4）幀搶占

如果不使用專(zhuān)屬窗口，那么會(huì)帶來(lái)潛在的帶寬浪費(fèi)。此外，計(jì)劃流量的實(shí)現(xiàn)必須強(qiáng)制幀的傳輸在流量類(lèi)的門(mén)關(guān)閉之前結(jié)束。此外，預(yù)定流量的實(shí)現(xiàn)必須強(qiáng)制幀的傳輸在流量類(lèi)的門(mén)關(guān)閉之前結(jié)束。這意味著在門(mén)關(guān)閉事件之前必須準(zhǔn)備一個(gè)稱(chēng)為“保護(hù)帶”的緩沖區(qū)。這將導(dǎo)致最多1522字節(jié)（最大幀大小）的帶寬浪費(fèi)。為了通過(guò)減少保護(hù)頻帶來(lái)提高帶寬利用率，可以將幀搶占（IEEE 802.1Qbu中引入的）與計(jì)劃流量結(jié)合使用。當(dāng)啟用幀搶占時(shí)，標(biāo)記為“express”的流量類(lèi)的幀可以中斷或搶占標(biāo)記為“搶占”的流量類(lèi)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(méi)有預(yù)定流量的情況下使用。它實(shí)際上可以為具有嚴(yán)格截止時(shí)間的應(yīng)用程序提供一種替代定時(shí)通信的方法。以有限的開(kāi)銷(xiāo)（每次搶占24字節(jié)）為代價(jià)，搶占允許通過(guò)減少通常所說(shuō)的“阻塞因子”來(lái)縮短關(guān)鍵流的延遲。阻塞因子是由于低優(yōu)先級(jí)幀引起的，發(fā)生在每一跳的最大干擾（100Mbit/s時(shí)每臺(tái)交換機(jī)可達(dá)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(wǎng)通信定義TSN概要。這個(gè)名為IEEE P802.1DP / SAE AS 6675的項(xiàng)目還沒(méi)有發(fā)布初稿，所以現(xiàn)在談規(guī)范的細(xì)節(jié)還為時(shí)過(guò)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(yīng)用于軍事和客運(yùn)飛機(jī)，直升機(jī)，甚至衛(wèi)星。對(duì)于這些用例，聯(lián)合項(xiàng)目正在研究提供時(shí)間同步（IEEE 802.1AS）、流量整形（IEEE 802.1 Qav和IEEE 802.1Qbv）、冗余（IEEE 802.1CB）、過(guò)濾和監(jiān)管（IEEE 802.1Qci）以及配置和管理（IEEE 802.1Qcc）的機(jī)制。即使在項(xiàng)目的最后有一個(gè)單一的規(guī)范，它也可能包含多個(gè)概要文件。例如，它可以有一個(gè)同步配置文件（即，使用預(yù)定流量）和一個(gè)異步配置文件。