虹科案例|下一代航空航天电子真的需要TSN吗？—以直升机为例（一）
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下一代航空航天电子真的需要tsn吗？
以直升机为例（一）
虹科案例
以太网迅速取代传统网络，成为航空电子设备和任务系统中的核心高速网络。基于此背景，本文以直升机为例，探讨了时间敏感网络（tsn）在航空电子设备上应用的技术优势问题。事实上，tsn已经成为一个具有丰富的机制和协议的工具箱，可用于解决与时间和可靠性相关的服务质量（qos）需求。tsn正在迅速成为各种应用领域（如汽车、工业4.0和电信）有线高速通信的重要技术。在此背景下，本文研究了代表下一代系统的通信需求，探讨了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。
01
概述
背景 具有服务质量（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。在这样的系统中，以太网正逐渐成为高速有线通信的重要技术。原因之一是以太网一直在不断发展和适应，以成功地满足正在开发的新系统的需求。特别是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。
直升机采用以太网和tsn的主要驱动因素 以太网，特别是tsn网络，能提供解决方案去处理流量和用户数量的增加、以及混合临界流量，如安全功能、分布在网络上的时间敏感控制算法或基于ip的qos敏感的音频/视频流。此外，与arinc 664p7等航空航天特定解决方案相比，基于标准以太网的解决方案可降低网络设备、线束和测试设施的成本。
这项工作考虑了两个基本要求，即确保在任何可能的情况下，1）通信延迟低于截止时间，2）存储数据包所需的硬件内存不超过可用内存。
这项工作的第一个目标是提供与直升机航空电子设备和任务网络相关的tsn标准的审查，重点是时间。第二个目标是评估基于下一代系统子集的现实网络中，核心tsn定时qos机制在能够成功调度的最大流数量方面的效率。本实验通过模拟和最坏情况分析进行性能评估，以及灵敏度分析。实验结果突出了tsn定时qos机制的几个不明显的行为，如在某些场景下整形器的效率有限。最后，我们讨论了选择和配置tsn机制的问题，并给出了我们对tsn目前对直升机的兴趣的看法。
hongke-tsn
02
ieee802.1标准
ieee 802.1工作组（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。
在讨论更多细节之前，值得指出的是，有两种不同类型的tsn标准化项目。首先是基本标准，它们的缩写都是用大写字母书写的（ieee 802.1q ， ieee 802.1cb和ieee 802.1as），每隔几年修订一次。第二，在基本标准中增加小写字母的是修正案，一旦最终确定，将被纳入下一个修订版的基本标准（例如，2019年9月发布的ieee 802.1qcr将被并入ieee 802.1q-2021）。
802.1 wg从1990年就开始活跃了，在它的整个历史中，小组的重点已经发生了变化。从早期的项目定义mac桥（也称为“交换机”）和流量类（分别是ieee 802.1d和ieee 802.1p，都被纳入ieee 802.1q）的基础。2005年，针对专业音视频市场，音频视频桥接（avb）任务组（tg）的创建，引入了时间同步协议（ieee 802.1as-2011）、流预留协议（srp, ieee 802.1qat）和基于信用的整形器（cbs，ieee 802.1 qav）。最后，2012年将avb tg更名为目前的tsn tg，将应用范围扩大到汽车、工业自动化和航空航天等领域。
直到今天，tsn tg仍在继续开发提供确定性服务的机制，具有有限的低延迟（ieee 802.1qbv, ieee802.1qbu, ieee 802.1qcr）和可靠性（ieee 802.1 cb, ieee 802.1qci）和改进的时间同步（ieee 802.1as-2020）。事实上，由于tsn有这么多不同的机制和特性，很难理解tsn能给应用程序带来什么改变。为了解决这个问题，tsn tg正在开发另一种叫做概要文件（profile）的项目。本质上，tsn概要文件选择机制和配置策略来满足给定应用程序的需求。第一个配置是ieee 802.1ba，用于音视频桥接，定义了avb标准。第二个tsn概要是用于电信前端网络的ieee 802.1cm、ieee 60802工业自动化概要、ieee 802.1dg汽车概要和ieee 802.1dp航空航天概要目前正在积极开发中。
在本文中，我们感兴趣的是网络的实时性要求，因此在下一节中，我们将详细分析提供定时qos的tsn机制。此外，我们还介绍了tsn航空航天的概况。
a. 802.1 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，它们受到截止时间的限制。
1）优先级
保证延迟的第一种也是最简单的方法是为不同的流分配优先级，并使用优先级在准备在同一输出端口发送的帧之间进行仲裁。802.1通过流量类实现，tsn网络中最多有8个流量类，因此最多可以使用8个优先级。流量类表示在交换机端口或网络接口中实现的出口队列。数据帧根据其优先级被分配到不同的出口队列或流量类。重要的是要注意的分配优先级帧是一个设计决策,可以手动或使用算法分配,但这样的分配应当离线验证,以确保它能保证所需的延迟,和任何其他时间限制,如抖动和吞吐量。流量分类除了能够高效地满足高优先级的截止时间限制外，还可以确保不同临界级别的流量不会共享相同的等待队列。这保证了关键帧不会因为重要性低的流不满足其流量规范而被丢弃。
然而，使用正确的优先级仍然存在两个开放的问题：高优先级流量可能被其他高优先级流量阻塞，低优先级流量可能被高优先级流量阻塞。后一个问题可以通过使用流量整形机制来缓解，比如基于信用的整形器（cbs）。
2）基于信用的整形器
根据定义，高优先级流量可以阻塞低优先级流量。然而，即使是低优先级的流量也可能有性能需求，通常是吞吐量或“软截止时间”（即偶尔会错过的截止时间）。如果只使用优先级，高优先级流量（例如正在传输的视频帧）的突发传输或优先级的次优配置会导致低优先级流量被阻塞，即在很长一段时间内被阻止访问网络。基于信用的整形器（cbs, ieee 802.1qav中定义）有助于缓解这个问题。其基本思想是将“传输信用”与出口队列/流量类关联起来。要允许发送给定流量类的帧，与该类关联的信用值必须为正。一旦帧开始传输，该流量类的信用将以一个称为“发送斜率”的速率减少，这是一个特定于端口和类的参数。一旦流量类的信用值变为负值，那么该流量类的任何帧都不能再被传输了。当属于其他流量类的帧被发送时，一个类的信用会以每个端口每个类的速率被逐步补充，称为“空闲斜率”。通过将cbs应用于一个或两个高优先级队列，在许多情况下可以防止低优先级流量类被长时间阻塞。
使用正确优先级的另一个问题是高优先级流被其他的高优先级流阻塞。假设，如前所述，优先级分配允许满足定时要求，这只是一个问题，如果新的流量添加到网络，或如果一些流量不按预期运行。在这种情况下，高优先级的通信流得不到保护，可能会遭受意外的延迟，从而导致更长的延迟和错过最后期限。为了解决这个问题，802.1定义了为特定的流分配和保留带宽的机制，如按每跳工作的流预留协议（srp），或计划流量（在ieee 802.1 qbv中定义）。接下来，我们将描述预定的流量是如何工作的，因为该机制提供了一个解决方案来调度具有严格期限约束的流。
图1 ieee 802.1q定义的输出端口调度。可选的qos机制以分层的方式应用：首先是优先级，然后根据基于信用的整形器进行整形，再是时间感知整形器，最后是帧抢占
3）计划流量
对于对时间有严格要求的应用程序，tsn tg在ieee 802.1qbv中增加了对计划流量的支持，其机制称为时间感知整形器（tas）。tas允许管理出口队列，以便以时间触发的方式发送帧。这是通过与每个出口队列关联的逻辑门实现的，给定类的流量只能在相关的门打开的情况下传输。门的打开和关闭是由存储在逻辑门控制列表（gcl）中的时间触发计划控制的。机制本身非常简单，但找到一个合适的调度表才是复杂性所在。实际上，构建调度表是一个困难的算法问题（如np complete算法），通常使用启发式或smt求解器[15]来解决。使用计划流量的优点是双重的：第一，它可以保证低延迟和低抖动，第二，流量类可以使用专属的转发窗口，即，在这段时间内，只有对应于单个流量类的门是打开的。这样，流量类就受到了保护，并且即使新的流量以其他优先级类别添加到网络中，该类数据包的计时行为也不会改变。这种使用tas的方式称为“专属门控”，据我们所知，这是目前配置tas最常见的方式。
4）帧抢占
如果不使用专属窗口，那么会带来潜在的带宽浪费。此外，计划流量的实现必须强制帧的传输在流量类的门关闭之前结束。此外，预定流量的实现必须强制帧的传输在流量类的门关闭之前结束。这意味着在门关闭事件之前必须准备一个称为“保护带”的缓冲区。这将导致最多1522字节（最大帧大小）的带宽浪费。为了通过减少保护频带来提高带宽利用率，可以将帧抢占（ieee 802.1qbu中引入的）与计划流量结合使用。当启用帧抢占时，标记为“express”的流量类的帧可以中断或抢占标记为“抢占”的流量类的帧的传输。除了提高带宽利用率，帧抢占还可以潜在地减少不太重要的流量的延迟。帧抢占也可以在没有预定流量的情况下使用。它实际上可以为具有严格截止时间的应用程序提供一种替代定时通信的方法。以有限的开销（每次抢占24字节）为代价，抢占允许通过减少通常所说的“阻塞因子”来缩短关键流的延迟。阻塞因子是由于低优先级帧引起的，发生在每一跳的最大干扰（100mbit/s时每台交换机可达123us）。使用帧抢占，阻塞因子减少了10倍以上。
b. tsn航空航天概要
ieee 802和sae avionics networks as-1 a2目前正在合作，为航空航天板载以太网通信定义tsn概要。这个名为ieee p802.1dp / sae as 6675的项目还没有发布初稿，所以现在谈规范的细节还为时过早。到目前为止，工作一直集中在收集用例上，并且期望tsn概要文件可以应用于军事和客运飞机，直升机，甚至卫星。对于这些用例，联合项目正在研究提供时间同步（ieee 802.1as）、流量整形（ieee 802.1 qav和ieee 802.1qbv）、冗余（ieee 802.1cb）、过滤和监管（ieee 802.1qci）以及配置和管理（ieee 802.1qcc）的机制。即使在项目的最后有一个单一的规范，它也可能包含多个概要文件。例如，它可以有一个同步配置文件（即，使用预定流量）和一个异步配置文件。
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01
概述
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hongke-tsn
02
ieee802.1标准
ieee 802.1工作组（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。
在讨论更多细节之前，值得指出的是，有两种不同类型的tsn标准化项目。首先是基本标准，它们的缩写都是用大写字母书写的（ieee 802.1q ， ieee 802.1cb和ieee 802.1as），每隔几年修订一次。第二，在基本标准中增加小写字母的是修正案，一旦最终确定，将被纳入下一个修订版的基本标准（例如，2019年9月发布的ieee 802.1qcr将被并入ieee 802.1q-2021）。
802.1 wg从1990年就开始活跃了，在它的整个历史中，小组的重点已经发生了变化。从早期的项目定义mac桥（也称为“交换机”）和流量类（分别是ieee 802.1d和ieee 802.1p，都被纳入ieee 802.1q）的基础。2005年，针对专业音视频市场，音频视频桥接（avb）任务组（tg）的创建，引入了时间同步协议（ieee 802.1as-2011）、流预留协议（srp, ieee 802.1qat）和基于信用的整形器（cbs，ieee 802.1 qav）。最后，2012年将avb tg更名为目前的tsn tg，将应用范围扩大到汽车、工业自动化和航空航天等领域。
直到今天，tsn tg仍在继续开发提供确定性服务的机制，具有有限的低延迟（ieee 802.1qbv, ieee802.1qbu, ieee 802.1qcr）和可靠性（ieee 802.1 cb, ieee 802.1qci）和改进的时间同步（ieee 802.1as-2020）。事实上，由于tsn有这么多不同的机制和特性，很难理解tsn能给应用程序带来什么改变。为了解决这个问题，tsn tg正在开发另一种叫做概要文件（profile）的项目。本质上，tsn概要文件选择机制和配置策略来满足给定应用程序的需求。第一个配置是ieee 802.1ba，用于音视频桥接，定义了avb标准。第二个tsn概要是用于电信前端网络的ieee 802.1cm、ieee 60802工业自动化概要、ieee 802.1dg汽车概要和ieee 802.1dp航空航天概要目前正在积极开发中。
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1）优先级
保证延迟的第一种也是最简单的方法是为不同的流分配优先级，并使用优先级在准备在同一输出端口发送的帧之间进行仲裁。802.1通过流量类实现，tsn网络中最多有8个流量类，因此最多可以使用8个优先级。流量类表示在交换机端口或网络接口中实现的出口队列。数据帧根据其优先级被分配到不同的出口队列或流量类。重要的是要注意的分配优先级帧是一个设计决策,可以手动或使用算法分配,但这样的分配应当离线验证,以确保它能保证所需的延迟,和任何其他时间限制,如抖动和吞吐量。流量分类除了能够高效地满足高优先级的截止时间限制外，还可以确保不同临界级别的流量不会共享相同的等待队列。这保证了关键帧不会因为重要性低的流不满足其流量规范而被丢弃。
然而，使用正确的优先级仍然存在两个开放的问题：高优先级流量可能被其他高优先级流量阻塞，低优先级流量可能被高优先级流量阻塞。后一个问题可以通过使用流量整形机制来缓解，比如基于信用的整形器（cbs）。
2）基于信用的整形器
根据定义，高优先级流量可以阻塞低优先级流量。然而，即使是低优先级的流量也可能有性能需求，通常是吞吐量或“软截止时间”（即偶尔会错过的截止时间）。如果只使用优先级，高优先级流量（例如正在传输的视频帧）的突发传输或优先级的次优配置会导致低优先级流量被阻塞，即在很长一段时间内被阻止访问网络。基于信用的整形器（cbs, ieee 802.1qav中定义）有助于缓解这个问题。其基本思想是将“传输信用”与出口队列/流量类关联起来。要允许发送给定流量类的帧，与该类关联的信用值必须为正。一旦帧开始传输，该流量类的信用将以一个称为“发送斜率”的速率减少，这是一个特定于端口和类的参数。一旦流量类的信用值变为负值，那么该流量类的任何帧都不能再被传输了。当属于其他流量类的帧被发送时，一个类的信用会以每个端口每个类的速率被逐步补充，称为“空闲斜率”。通过将cbs应用于一个或两个高优先级队列，在许多情况下可以防止低优先级流量类被长时间阻塞。
使用正确优先级的另一个问题是高优先级流被其他的高优先级流阻塞。假设，如前所述，优先级分配允许满足定时要求，这只是一个问题，如果新的流量添加到网络，或如果一些流量不按预期运行。在这种情况下，高优先级的通信流得不到保护，可能会遭受意外的延迟，从而导致更长的延迟和错过最后期限。为了解决这个问题，802.1定义了为特定的流分配和保留带宽的机制，如按每跳工作的流预留协议（srp），或计划流量（在ieee 802.1 qbv中定义）。接下来，我们将描述预定的流量是如何工作的，因为该机制提供了一个解决方案来调度具有严格期限约束的流。
图1 ieee 802.1q定义的输出端口调度。可选的qos机制以分层的方式应用：首先是优先级，然后根据基于信用的整形器进行整形，再是时间感知整形器，最后是帧抢占
3）计划流量
对于对时间有严格要求的应用程序，tsn tg在ieee 802.1qbv中增加了对计划流量的支持，其机制称为时间感知整形器（tas）。tas允许管理出口队列，以便以时间触发的方式发送帧。这是通过与每个出口队列关联的逻辑门实现的，给定类的流量只能在相关的门打开的情况下传输。门的打开和关闭是由存储在逻辑门控制列表（gcl）中的时间触发计划控制的。机制本身非常简单，但找到一个合适的调度表才是复杂性所在。实际上，构建调度表是一个困难的算法问题（如np complete算法），通常使用启发式或smt求解器[15]来解决。使用计划流量的优点是双重的：第一，它可以保证低延迟和低抖动，第二，流量类可以使用专属的转发窗口，即，在这段时间内，只有对应于单个流量类的门是打开的。这样，流量类就受到了保护，并且即使新的流量以其他优先级类别添加到网络中，该类数据包的计时行为也不会改变。这种使用tas的方式称为“专属门控”，据我们所知，这是目前配置tas最常见的方式。
4）帧抢占
如果不使用专属窗口，那么会带来潜在的带宽浪费。此外，计划流量的实现必须强制帧的传输在流量类的门关闭之前结束。此外，预定流量的实现必须强制帧的传输在流量类的门关闭之前结束。这意味着在门关闭事件之前必须准备一个称为“保护带”的缓冲区。这将导致最多1522字节（最大帧大小）的带宽浪费。为了通过减少保护频带来提高带宽利用率，可以将帧抢占（ieee 802.1qbu中引入的）与计划流量结合使用。当启用帧抢占时，标记为“express”的流量类的帧可以中断或抢占标记为“抢占”的流量类的帧的传输。除了提高带宽利用率，帧抢占还可以潜在地减少不太重要的流量的延迟。帧抢占也可以在没有预定流量的情况下使用。它实际上可以为具有严格截止时间的应用程序提供一种替代定时通信的方法。以有限的开销（每次抢占24字节）为代价，抢占允许通过减少通常所说的“阻塞因子”来缩短关键流的延迟。阻塞因子是由于低优先级帧引起的，发生在每一跳的最大干扰（100mbit/s时每台交换机可达123us）。使用帧抢占，阻塞因子减少了10倍以上。
b. tsn航空航天概要
ieee 802和sae avionics networks as-1 a2目前正在合作，为航空航天板载以太网通信定义tsn概要。这个名为ieee p802.1dp / sae as 6675的项目还没有发布初稿，所以现在谈规范的细节还为时过早。到目前为止，工作一直集中在收集用例上，并且期望tsn概要文件可以应用于军事和客运飞机，直升机，甚至卫星。对于这些用例，联合项目正在研究提供时间同步（ieee 802.1as）、流量整形（ieee 802.1 qav和ieee 802.1qbv）、冗余（ieee 802.1cb）、过滤和监管（ieee 802.1qci）以及配置和管理（ieee 802.1qcc）的机制。即使在项目的最后有一个单一的规范，它也可能包含多个概要文件。例如，它可以有一个同步配置文件（即，使用预定流量）和一个异步配置文件。
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如何使用BPF对Linux内核进行实时跟踪