时间敏感网络在航空航天及军事领域的应用研究.pdf
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1、如何高效准确地处理数据的确定性传输袁 一直是网络技术发展所关注的一个重要问题遥 以太网解决了设备共享网络基础设施和数据连接问题袁但没有很好地解决设备之间实时尧确定和可靠的数据传输问题遥为了解决汽车行业音视频多通道数据的同步传输过程中可靠尧 确定通信问题袁 2006 年袁IEEE802.1 工作组成立了 AVB渊Audio Video Bridging冤 任务组袁AVB 任务组制定了基于以太网架构的音频/视频传输协议集袁有效解决了数据在以太网中传输的时序性尧低时延和流量整形问题袁同时又保持了向以太网的后向兼容袁 受到了来自汽车和工业等领域广泛关注遥 2012 年袁AVB 任务组扩大了时间确定性以
2、太网的应用需求和适用范围袁并更名为 TSN 任务组遥时间敏感网络 TSN渊Time-Sensitive Network冤在时间同步基础上通过整形调度尧 可靠冗余等机制解决了以太网数据传输的确定性尧可靠性等问题袁以开放标准尧确定延迟尧业务保障等优势成为极具竞争力的新一代确定性网络解决方案袁 受到国内外航空航天及军事领域的广泛关注遥1时间敏感网络技术时间敏感网络是一系列技术的总称袁它主要从时间同步尧整形调度尧 可靠传输尧 资源管理等方面对现有以太网进行实时扩展袁构建具有时间敏感特性的新型网络袁为关键业务传输提供确定性传输保障遥1.1 标准化进展标准化能够使 TSN 获得更大范围的应用推广袁国内外标
3、准化组织及行业协会均十分重视 TSN 技术及应用标准化工作遥IEEE802.1 工作组 TSN 任务组相继发布了的众多 TSN 标准袁主要包括共性基础标准尧场景适配标准两部分遥 共性基础标准主要由时间同步尧整形调度尧可靠冗余尧资源管理等标准组成遥 目前袁共性基础标准已经基本完备袁技术上趋于成熟袁面向特定场景应用的场景适配标准也在逐步推进中袁标准化进展如图 1 所示遥图 1TSN 标准演进场景应用方面袁面向音视频网络应用的 IEEE802.1BA 和面向移动前传网的 IEEE802.1CM已经正式发布袁面向工业控制领域的IEC/IEEE 60802 标准尧面向车载以太网领域的 P802.1DG
4、标准尧面向航空航天应用的 P802.1DP 标准等处于标准草案修订阶段遥1.2 主要关键技术1.2.1 时间同步通过时间同步使得系统内所有节点具有全局统一的时间基准是时间敏感网络实施整形调度的必要前提遥 IEEE802.1AS-2011 对 IEEE1588 规定的 PTP 协议进行了优化改进袁形成通用精确时间同步协议 gPTP曰IEEE802.1AS-2020 增加了多域时间同步功能袁提高系统的可用性遥1.2.2 整形调度整形调度的主要思路咱1暂院首先通过流分类将网络中不同需求的业务流量划分成不同的优先级袁 将有确性需求的流量与其他流量区分开曰在时间维度上袁以类似时分复用的思想袁通过不同的整
5、形调度机制为高优先级流量提供确定的传输时隙袁 从而为关键业务数据提供确定性传输服务遥渊1冤流量分类IEEE802.1Q 定义了 VLAN 的帧格式袁其中 4 个字节用于定时间敏感网络在航空航天及军事领域的应用研究吴建鲁王洋渊江苏自动化研究所袁江苏 连云港222061冤Research on Application of Time-sensitive Network in Aerospace and Military Fields摘要院时间敏感网络在时间同步基础上通过整形调度尧可靠冗余等机制解决了以太网数据传输的确定性尧可靠性等问题袁以开放标准尧确定延迟尧业务保障等优势成为极具竞争力的新一代确定
6、性网络解决方案遥 在介绍时间敏感网络技术及其标准化进展基础上袁以典型场景应用案例分析为主线袁系统性梳理国外航空航天及军事领域的时间敏感网络应用进展袁并对国内装备相关领域的研究进展进行介绍袁最后对国内外应用进展进行总结分析袁从部署应用角度提出发展建议袁为推动时间敏感网络在国内相关领域落地应用提供借鉴和参考遥关键词院时间敏感网络曰航空航天曰军事领域曰舰艇装备Abstract:On the basis of time synchronization,time-sensitive network has solved the problems of certainty and reliabil鄄ity
7、 of Ethernet data transmission through shaping scheduling,reliable redundancy and other mechanisms.With the advan鄄tages of open standards,definite delay and service guarantee,it has become a highly competitive new generation deter鄄ministic network solution.Based on the introduction of time-sensitive
8、 network technology and its standardization progress,this paper systematically sorts out the application progress of time-sensitive network in foreign aerospace and military fieldswith typical scenario application case analysis as the main line,and introduces the research progress of domestic equip鄄
9、ment-related fields.Finally,it summarizes and analyzes the application progress at home and abroad,and puts forwarddevelopment suggestions from the perspective of deployment and application.Keywords:time-sensitive network,aerospace,military field,warship equipment时间敏感网络在航空航天及军事领域的应用研究14叶工业控制计算机曳圆园圆3
10、 年第 猿6 卷第 8 期义 TSN 相关字段咱2暂袁如图 2 所示院图 2TSN 字段定义标签协议标识 TPI院16 位袁TSN 网络用 0 x8100 标识曰 优先级代码 PCP院3 位袁8 个优先级袁0渊最低冤耀7(最高冤曰丢弃标志位DEI院1 位袁对低 QoS 要求的数据可以丢弃袁以确保高优先级数据的 QoS曰VLAN 标识号 VID院12 位袁可支持的子网数量为 4096遥渊2冤整形调度整形调度允许在同一网络上具有不同优先级的不同流量类共存袁 每一个流量类可以对可用带宽和端到端延迟具有不同的要求咱2-3暂遥IEEE802.1Qav-2009 定义了基于信用的整形器 CBS渊Credi
11、t-Based Shaper冤袁采用信用评估发送袁对应整形队列信用非负时袁帧可以传输遥IEEE802.1Qbv-2015 定义了时间感知整形器 TAS渊TimeAwareness Shaper冤袁基于预先设定的周期性门控列表袁动态为出口队列提供门控开关机制袁 门控状态为 Open 时对应队列开放传输袁门控状态为 Closed 时对应队列关闭传输遥IEEE802.1Qbu-2016定义了帧抢占机制袁允许时间敏感数据抢占非实时数据传输袁从而为时间敏感数据提供有界低延迟传输遥IEEE802.1Qch-2017 定义了循环队列转发 CQF渊CyclicQueuing and Forwarding冤袁C
12、QF 基于奇偶时间槽门控机制定义了乒乓队列进行循环转发袁 提升了流量聚合条件下时间敏感数据流延迟上界保证遥IEEE802.1Qci-2017 定义了逐流过滤和监管 PSFP 渊Per-Stream Filtering and Policing冤袁PSFP 根据预设的过滤和监管标准对入口队列进行处理袁对过大的带宽使用尧突发的数据传输以及错误或恶意端点攻击等异常情况进行保护遥IEEE802.1Qcr-2020 定义了异步整形 ATS渊AsynchronousTraffic Shaper冤袁ATS 设计了基于紧急度的调度器袁通过对逐个TSN 流进行整形实现流排队袁 并使得优先级紧急的数据流可以优先传
13、输遥各类整形调度机制可以根据流量模型组合应用袁为各类数据提供差异化服务袁并兼顾带宽利用率遥 如袁TAS 和 CBS 整形器组合袁 可以通过 CBS 整形器对其队列内部的数据按照信用进行排序调度曰CQF 与帧抢占组合袁可以降低保护带的传输时间占用袁提高网络利用率曰CQF 结合 Qci 入口策略和 ATS 整形器组合袁可确保所有帧保持在确定的延时范围袁并保证在其分配时间内发送遥1.2.3 可靠传输IEEE802.1Qca-2015 采用预定义显式转发路径 PCR渊PathControl and Reservation冤实现路径控制和预留曰IEEE802.1CB-2017 采用无缝冗余机制 FRER
14、渊Frame Replication and Elimi鄄nation for Reliability冤实现帧的复制与消除袁发送端为特定数据打上标签和序列号袁 在不相交的路径上发送关键流量的重复副本袁在接收端复制信息会被识别并消除袁防止上层应用处理多个重复数据曰PCR 与 FRER 结合使用可以实现快速恢复尧 高效路径冗余遥1.2.4 资源管理资源管理主要包括资源预留和配置管理两个方面袁 资源预留机制主要包括 IEEE802.1Qat-2010 流预留协议 SRP渊StreamReservation protocol冤尧IEEE802.1Qcc-2018 增 强 型 SRP曰IEEE802.1
15、Qcc-2018 定义了全集中尧 全分布和集中网络/分布式用户等多种配置模型用于 TSN 网络配置管理曰IEEE802.1Qcp-2018 定义了的 YNAG 数据模型袁提供了支持桥接能力的配置和操作状态信息曰IEEE802.1Qcx-2020 定义了用于连接故障管理CFM渊Connectivity Fault Management冤的 YNAG 数据模型曰IEEE802.1Qcz-2021 定义了数据中心环境中拥塞数据流隔离的协议尧 程序和管理对象曰P802.1CS尧P802.1CQ尧P802.1Qcw等多个标准草案正在制定中遥2国外航空航天及军事领域应用进展2.1 航天领域在航天领域袁TS
16、N 能够提供空间系统所期望的确定性和可靠性袁 同时具有更好的速率和更高的灵活性遥 西班牙 SevenSolutions 公司开发了基于 Xilinx Zynq-7000 的轻量化 TSN 平台袁 采用嵌入式实时操作系统 RTEMS 驱动现场可编程门阵列渊FPGA冤架构袁实现了具有千兆速率的四端口/双端口轻量化TSN 网桥袁 成功对 Miura 1 微型火箭发射器的航空电子设备进行了集成和验证咱4-5暂遥轻量化 TSN 网桥托管在一个 Zynq-7030 SoC 上袁CPU 托管实时操作系统 RTEMS袁 以及控制和访问 TSN 桥功能所需的固件和 API袁FPGA 逻辑实现 TSN 网络功能袁
17、如图 3 所示院图 3轻量化 TSN 网桥实现轻量化 TSN 网桥将几乎所有的 CPU 资源和超过 40%的FPGA 逻辑保留给额外的用户软件和 IP 逻辑袁为 Miura 1 不同类型的节点设备实现提供了高集成度的 TSN 解决方案遥Miura 1 采用环形拓扑结构的冗余网络袁主要包括 5种类型的节点设备院 箭载计算机尧发动机控制单元尧传感器和作动器控制节点尧 有效载荷节点尧GND 节点等袁如图 4 所示遥1冤箭载计算机 OBC院采用四端口 TSN 网桥实现袁处理系统中的大部分流量袁发射和接收控制和遥测数据袁并作为来自发射器的所有视频输入的接收器袁 还包括射图 4Miura 1 环形冗余网络
18、15频渊RF冤接口袁用于将数据转发到地面控制站遥2冤发动机控制单元 ECU院采用四端口 TSN 网桥实现袁处理遥测和控制流程袁是地面节点和系统航空电子设备之间的桥梁遥3冤传感器和作动器节点 N1耀N5院位于主环上袁采用双端口TSN 网桥袁并以菊花链形式连接袁作为 TSN 网络和系统操纵过程中涉及的特定传感器和作动器之间的网关遥4冤有效载荷节点 PN1耀PN2院位于单独的有效载荷环上袁作为处理命令的 TSN 监听端或发送端袁发送发射器特定有效载荷模块的遥测信息遥5冤GND 节点院在任务开始前袁提供稳定的时钟同步源遥Miura 1 的节点设备需要处理三种数据流院1冤关键的命令和控制数据流院通常来自
19、传感器/作动器节点或有效载荷节点袁并被路由到 OBC 和 ECU 单元袁转发到地面站或作为特定控制回路的一部分被处理遥 报文具有相对较小的尺寸渊50耀100 Byte冤袁并且周期性地渊10 条/s冤或不定期地发出遥2冤中等优先级内部遥测数据流院从系统中的所有节点发出袁并转发给 OBC遥 这些数据流携带大小适中的遥测数据帧渊63耀308 Byte冤袁速率可达 246.4 kb/s遥3冤尽力而为流院传感器和作动器节点的低优先级数据流袁使用 1500 Byte 的数据帧袁以 8 Mb/s 的受限速率传输视频遥2.2 军用飞机美国柯林斯公司渊Collins Aerospace冤是飞机上数据分配系统的主
20、要制造商之一袁 正在利用以太网技术发展其 Mosarc系统以提供更好的数据传输解决方案袁 其中增强的时间敏感网络功能在规定的延迟内提供可靠的数据传输袁 可以大幅提升带宽袁 在同一线路上同时分发有关飞行安全的关键数据或任务类数据袁从而降低数据通信的复杂度袁减少飞机数字骨干网所需的整合时间咱6暂袁如图 5咱7暂所示院图 5飞机数字骨干网美国柯蒂斯-赖特公司渊Curtiss-Wright冤推出了一款用于机载环境的微型任务计算机 DuraCOR 313袁 该计算机结合了低功耗尧第六代英特尔凌动 x6400E 系列渊Elkhart Lake冤处理器袁支持基于 802.1 时间敏感网络渊TSN冤网络连接遥
21、 Curtiss-Wright 正在规划的下一代任务计算机和以太网交换机均将支持 TSN 功能咱8暂遥美国联合工业电子公司 UEI 渊United Electronic Indus鄄tries冤 正在推进 TSN 的下一代直升机上的应用袁TSN 为下一代直升机提供了应对处理流量和用户数量增加的能力袁 并且有助于降低网络设备成本并简化对线束的要求咱9暂遥2.3 军用车辆北约通用车辆架构 NGVA 渊NATO Generic Vehicle Ar鄄chitecture冤采用基于标准的方法进行平台设计和集成袁其目标是定义一个通用架构袁该架构要求开放的实现标准袁支持陆地车辆平台上子系统的简化集成遥NG
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