航空电子设备中的TSN通讯架构—直升机

前言

以太网正在迅速取代传统网络，成为航空电子设备和任务系统的核心高速网络。本文提出了以太网时间敏感网络(TSN)在航空电子设备上应用的技术优势问题。在实际应用中，TSN已成为一个具有丰富的机制和协议的工具箱，可满足与时间和可靠性相关的QoS要求，因此TSN是汽车、工业4.0和电信等各应用领域中有线高速通信的重要技术。在此背景下，本案例主要呈现TSN定时QoS机制在直升机航空电子设备和任务系统中的应用。

案例概述

本案例研究是基于空客直升机公司提供的TSN通信架构原型案例。案例的第一部分主要阐述与直升机航空电子设备和任务网络相关的TSN标准，尤其是数据传输的实时性。第二部分是评估在下一代系统子集的现实网络中，TSN定时QoS核心机制如何提高在调度最大流数量过程中的效率。

一、以太网TSN定时QoS机制与标准

具有QoS保证的实时通信对于一些航空航天嵌入式系统（如直升机）来说是必不可少的。IEEE 802.1 TSN TG（时间敏感网络技术小组），开发了与时间和可靠性相关的QoS要求的技术。IEEE 802.1协议簇（WG）为交换以太网制定标准。这些标准中定义的机制和协议依赖于数据链路层提供的服务，如时间同步、网络配置和管理以及QoS等特性。本案例中将主要探讨网络的实时性要求以及分析提供定时QoS的TSN机制。

IEEE802.1Q(TSN)中的定时QoS

实时通信系统中最重要的要求之一是保证延迟有边界。我们将帧从发送方通过网络到接收方所花费的时间称为延迟。在有实时需求的网络中，比如直升机，数据流的延迟通常有一个最大容忍值，也就是说，它们会受到截止时间的限制。

802.1Q中的定时QoS：严格的优先等级

流量优先级映射到流类别(TC)一共有8个等级，然后根据流的类别选择流进行传输。

+充分的优先级分配能保证按时完成任务。
–不能改变流量阻塞的损失。
–延迟可能不够低。

802.1Q中的定时QoS：基于信用的整形器-CBS
基于信用的传输管理：
• 仅当信用值>0时才允许传输。
• 当前正在传输的Traffic Class(TC)的信用值在传输时会减少，其他未传输的Traffic Class(TC)信用值会增加。

+充足的配置能保证按时完成任务。
+防止低优先级流量的阻塞
–延迟可能不够低。

802.1Q中的定时QoS：调度流量
为每个TC分配一个逻辑门。仅当门打开时才允许传输。门的打开和关闭由预先定义的时间表控制。

+充足的调度降低延迟和抖动
–生成正确的调度表可能是一个复杂的算法问题
–带宽可能未得到充分利用

TC#3的帧已准备好传输并且其门已打开,但没有足够的时间来传输完整的消息

802.1Q中的定时QoS：帧抢占

较低优先级的帧可以被较高优先级的帧抢占。

TC#3的帧已准备好传输并且其门已打开，但没有足够的时间来传输完整的消息

+可以改善延迟
+与以下一起使用预定流量优化带宽利用率
–硬件实施并不简单

总结

航空航天TSN配置文件

IEEE802.1和SAE航空电子网络AS-1A2的联合工作。TSN配置文件：选择机制和配置以满足用例要求。目前处于开发的早期阶段。

该标准为确定性IEEE802.3以太网的设计者、实施者、集成商和认证机构指定了配置文件，支持广泛的航空航天机载应用，包括那些需要安全性、高可用性性和可靠性、可维护性和有限延迟的应用。

二、TSN调度机制的效率

本案例下半部分主要与任务方面有关。案例中评估了不同TSN机制在网络负载增长时满足时序约束的相对能力，还量化了不同调度解决方案的内存使用情况,包含1000个流的特定应用程序。所有实验均使用软件RTaW‑Pegase进行。

机载TSN网络模型

该通信体系结构由两个在多个终端系统上相互连接的子网络组成。
上层网络：具有关键流的核心航空电子设备→研究重点

下层网络：主要是任务

定量评估

• 技术：模拟、最坏情况分析、设计空间探索系统、合成数据
• 候选TSN调度解决方案：整形、时间触发传输、抢占、手动（“用户优先级”）和自动流优先级分配（“简明优先事项”）

过载分析：在某些链路出现过载之前有多少个流？

该通信体系结构由两个在多个终端系统上相互连接的子网络组成。
上层网络：具有关键流的核心航空电子设备→研究重点

• 超过7000个流，至少一条链路过载的概率急剧增加 →网络容量上限
• 表明网络容量很重要，截止日期等于周期

拓扑压力测试®（TST）：

上图为使用软件RTaW-Pegase执行拓扑压力测试®（TST）获得的数据。在TSN解决方案中成功调度一定数量的流的概率，具有7000个流的系统有89%的概率可通过CP进行调度。
• Concise Priorities(CP)的性能接近最佳，因为它调度了99%的非过载配置
→整形、时间触发传输或帧抢占没有增益
• FIFO调度优于“用户优先级”，后者利用了6个优先级！最大限度内存使用：考虑中等规模的1000个流网络

最大限度内存使用

考虑中等规模的1000个流网络

• 整形（此处由软件实现的预整形）在本案例研究中将平均内存使用量减少了80%
• 每个开关的总内存高达 568KB未整形 168KB带整形
• 优先级的设置不会减少FIFO存储器使用内存
• CBS在记忆性方面也表现得非常好。此处未使用CBS ，因为优先级分配算法未针对CBS进行优化。

结论

• 并非所有系统都涉及到TSN中的所有标准（如本案例研究所示）
• 战略位置好的策略匹配机制能提升成本效益
• TSN策略机制的选择：关键影响因素有哪些？

• 更高优先级的流量→可以选择流量整形
• 较低优先级流量→可以选择由时间触发的流量传输或抢占
• 相同优先级流量→可以设置更多优先级，更好的优先级分配和流量整形
  • 在本案例中，优先级是计时所需的唯一QoS机制
  • 内存和时间一样都会对流量产生限制，流量整形确实是有效的
  • 非纯粹的技术问题，例如重量、成本和认证工作等也要考虑在内

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