TSN工具在关键嵌入式网络中的另一次互操作性经验

论文标题：Yet another experience on TSN tools interoperability for critical embedded networks

中文标题：TSN工具在关键嵌入式网络中的另一次互操作性经验

作者信息：

Philippe Cuenot, Continental Automotive Toulouse, France
Thierry Leydier, Virtualité Réelle Saint-Orens, France
Damien Fruchard, Airbus Defence and Space Toulouse, France
Massimo Barbero, Thales Alenia Space Cannes, France
Quentin Bailleul, IRT Saint Exupéry Toulouse, France

论文出处：ERTS2024, Jun 2024, Toulouse, France

摘要：

本文探讨了以太网在关键嵌入式应用中的引入，这为网络开发和部署的掌握与安全带来了新的需求。虽然以太网作为信息技术（IT）组件在工业中已有广泛应用，但作为提供实时性、可靠性和可用性保证的解决方案，时间敏感网络（TSN）补充协议在航空和汽车行业的应用才刚刚开始。TSN机制的复杂性和多样性要求使用专门的工具来协助网络工程师进行网络参数的设计、配置和部署。另一方面，为了在各种网络设备的配置和监控中实现互操作性，IETF提出了Yet Another Next Generation（YANG）建模语言。在本文中，我们提议重新审视并补充YANG标准模型，以实现工具间的互操作性，并旨在将这些补充作为开源提供。所提出的YANG模型的优势将在一个工业用例中得到展示，该用例涉及从网络设计和配置到在概念验证（PoC）平台上的部署的一系列工具。索引术语---嵌入式网络、工具互操作性、以太网TSN、YANG模型。

第一节引言：

介绍了航空和汽车行业正在向基于虚拟资源分配的软件定义系统（SDS）转变，这种系统在特定域应用的服务中部署了一个控制层来配置虚拟资源。这种系统提供了更容易的硬件和软件资源管理，但对灵活和通用执行平台的设计约束要求更高。同时，传统的信息系统缺乏可扩展性、灵活性和可配置性。新的SDS相关架构范式可以应用于关键嵌入式系统及其相关的通信网络，其中数据交换量的增加、网络中部署的设备数量的增加以及网络接口标准化的需求自然地推动了转向交换式以太网网络的转变。关键嵌入式应用的预期属性，包括混合关键性流量，对网络提出了如紧密和可预测的通信穿越时间、可靠和安全通信以及数据/帧交换的强大可用性等前提条件。在这种情况下，以太网时间敏感网络（TSN）可以满足安全关键嵌入式应用的要求。IEEE802.1Q标准及其在工业/汽车领域的TSN标准扩展提供了专门手段以保证这些混合关键性嵌入式系统的实时性和安全性。然而，设计、配置和验证一个完整的TSN以太网网络在混合关键性嵌入式系统中的应用需求，需要使用专门的工具来提高网络工程师的效率，因为TSN标准的复杂性。此外，这些工具对于支持最终系统的认证是必要的。为了简化这些不同工具之间的交流，我们提出在本文中研究使用YANG数据模型来实现工具间的互操作性。由于YANG被设计用于网络设备的配置和监控，我们提出了对标准模型的增强，以便在关键嵌入式网络的上游设计、研究、测试和验证阶段使用。这些修改随后被测试以确保网络设计和分析工具与通用硬件测试平台配置工具之间的自动化、灵活性和垂直互操作性。这种垂直互操作性使我们能够在短迭代循环中探索多个TSN安全关键嵌入式工业用例（从设计到在硬件通用测试平台上的部署）。这项研究是在IRT Saint-Exupéry的一个名为EDEN项目的背景下进行的。EDEN是一个多领域研究项目（汽车、航空和航天），旨在展示对TSN在关键嵌入式系统领域部署的信心。

第二节 TSN和YANG概述：

TSN为实时流量提供确定性和可靠的以太网通信，这可以与非实时数据流量共存。IEEE802.1Q标准及其TSN标准扩展在工业领域出现：几个TSN标准化工作组提出了针对特定工业领域的TSN配置文件。例如，航空航天板上以太网通信P801.2DP标准是为航空航天工业定义的配置文件。TSN的内在机制允许为流量保证QoS。时间感知整形器（TAS）与gPTP协议提供的全网同步结合，能够实现时间触发通信。基于信用的整形器（CBS）能够控制流量，如IEEE802.1Qav所指定。帧复制和消除用于冗余（FRER）允许帧冗余。每个流的过滤和策略（PSFP）能够过滤和策略流。Yet Another Next Generation（YANG）是用于网络配置和监控的数据建模语言。它由IETF在RFC6020中提出。YANG语言用于描述数据结构，这些数据结构的实例可以导出为XML或JSON格式，并通过使用基于YANG的协议如NETCONF或RESTCONF在网络上传输，以配置或监控设备。YANG可以被视为管理信息库（MIB）的后继者，基于YANG的协议可以被视为简单网络管理协议（SNMP）的后继者。YANG模型文件称为模块。为了说明这一点，给出了一个非常简单的模块，用于模拟科学文章的示例。

第三节相关工作：

讨论了以太网IT设备提供商开发的完整工具套件，这些工具采用了基于NETCONF或RESTCONF协议的YANG可编程接口，用于以太网网络的配置、监控和维护。提到了Cisco YANG套件等典型例子。对于非IT网络，标准化的集中式网络配置（CNC）架构是TSN标准的关键元素，用于配置嵌入式关键网络应用。

第四节 YANG数据模型用于TSN网络：

本节详细介绍了YANG数据模型在时间敏感网络（TSN）中的应用，包括模型的初步目标、需求、开发过程、模型概览以及模型在工具链中的生命周期。

A. 序言和初始目标

作者首先描述了他们面临的问题历史背景，包括最初的目标是实现不同设计工具（如Pegase RTAW和Timaeus-Net）之间的网络模型和TSN配置的互操作性。这种"水平互操作性"是网络开发过程中具有相似或密切相关角色的工具之间的互操作性。随后，目标转向实现网络设计工具和硬件平台上的部署工具之间的"垂直互操作性"，这带来了新的挑战。

B. 模型需求

为了创建和设置YANG模型，作者首先定义了三个原则驱动的需求：普遍性、多样性和可逆性。

普遍性：解决方案不仅要涵盖网络配置，还要被大量工具共享的完整网络描述，包括设计和配置工具、网络模拟器、部署解决方案等。
多样性：不同的工具可能对网络的高层视图有不同的需求。例如，安全信息对于关键嵌入式网络非常重要，而标准网络可能不需要考虑这个问题。
可逆性：YANG模型应该足够完整，以便当一个工具导出网络描述时，可以通过导入先前导出的模型来重新创建相同的网络描述。

C. 模型的制定

在实施模型时，作者需要在重用现有IEEE和IETF模块的类别方法和解决普遍性、多样性、可逆性原则的补充方法之间进行协调。作者首先从IETF和IEEE标准中已经实现的概念开始，然后将这些标准概念分为三类：可以直接重用的概念、部分匹配需求需要改进的概念、以及对硬件配置非必需的概念。

D. 模型概览

作者没有展示模型的全部内容，但简要介绍了一些特定性。他们创建了一些补充现有标准元素的模块，例如irt-tsn、irt-topology、irt-interface、irt-ptp等。此外，他们还从头开始创建了一些类别，例如流量建模（irt-traffic模块），旨在涵盖定义流量的通用需求。

E. YANG模型实例在工具链中的生命周期

根据互操作性上下文，涉及的活动包括网络模型设计、网络模型验证、设备配置生成、在硬件平台上的部署以及硬件平台的验证。这些活动可以围绕工作流程组织，创建一个生命周期来丰富YANG实例的网络。模型的部分概念需要在设计活动中初始化，其他部分将在后面创建。

F. YANG模型在工具中的实现

为了实现工具链中的水平和垂直互操作性，每个工具都必须"理解"共同的YANG数据模型。然而，在每个工具中对这个模型的理解都有一定的解释空间。为了确保互操作性的可扩展性，可以采用元模型映射技术。这种技术基于以下原则：每个工具都有自己的元模型，每个工具将使用一个外部YANG元模型，这个外部元模型不是硬编码在工具中的，而是可交换的。

通过以上步骤，作者展示了如何通过YANG数据模型实现TSN网络设计工具和硬件部署工具之间的互操作性，并通过实验验证了这一模型的可行性和益处。

第五节实验设置：

本节介绍了用于验证模型互操作性的实验设置，包括工具链的介绍、工业用例的介绍，以及可行性研究的描述和讨论。

第六节讨论和限制：

讨论了使用YANG模型实现工具互操作性的可行性和益处，同时也讨论了本研究的局限性。

第七节结论和未来工作：

本文提出了对标准YANG模型的增强，以确保开发和部署复杂TSN网络所需的工具之间的垂直互操作性。通过将这些模型应用于连接设计和配置卫星的关键嵌入式TSN网络并在硬件目标上部署它，来说明这种新模型的实用性。所提出的模型和增强功能以开源形式提供，以启动一个专门针对嵌入式关键应用的TSN工具互操作性生态系统。然而，这个第一版需要通过旨在为TSN网络提供可互操作解决方案的商业产品来挑战，以便进行演进。在后续项目中，围绕这个模型预见了几个未来的工作。首先，计划扩展模型以支持更多功能，如仪表设备。还计划将其他工具（如网络模拟器）连接到中央数据库，以利用这个独特的接口，这可能需要对模型进行新的补充。最后，这项工作还将继续提出一个基于YANG的配置和监控协议，以适应关键嵌入式系统的世界。