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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