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以太网正在迅速取代传统网络#xff0c;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#xff0c;TSN已成为一个具有丰富的机制和协议的工具箱#xff0c;可满足与时间和可靠性相关…
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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