Time Sensitive Networking for Aerospace

作者：弗劳恩霍夫 IPMS 技术人员

将时敏网络（TSN）融入航空航天业，有望在确定性、实时传输、网络融合和可靠性等方面实现有价值的发展。电气与电子工程师协会（IEEE）目前正在编写各种行业规范，以便在各个应用领域使用该技术。用于航空航天的配置文件（IEEE P802.1DP 标准）初稿已于 2023 年底提交，最终配置文件计划于 2024 年底发布。本白皮书重点介绍了时敏网络（TSN）在航空航天业中的集成，并概述了与航空航天应用相关的 TSN 标准和配置文件以及 IEEE P802.1DP 标准。报告还讨论了 TSN 背景下的时间同步、延迟、资源管理和可靠性等关键主题。最后，还介绍了弗劳恩霍夫 IPMS 的 TSN IP 核，这些 IP 核可为航空航天提供稳健的可实施和可扩展性。

TSN 概览

TSN 包含一系列标准，可扩展以太网网络通信的确定性和实时传输性。这些标准实现了实时同步和确定性数据传输，并在融合以太网网络中实现了低延迟和抖动优化。通过这些标准，可将标准以太网组件用于专用解决方案和中央网络控制。

除了满足不同性能和功能要求的单个标准外，目前还在努力创建描述 TSN 在各个行业中应如何使用的配置文件。每个配置文件都定义了优化使用的特定配置和参数集。其中包括时间限制、优先级、网络拓扑结构和通信要求等主题。目前正在制定六个不同的配置文件：

• IEEE P802.1DP：用于航空机载以太网通信的 TSN 配置文件
• IEEE/IEC 60802：工业自动化 TSN 简介
• IEEE P802.1DG：车载通信 TSN 简介
• IEEE P802.1CM：前端传输 TSN 配置文件
• IEEE P8021.DF：服务提供商网络 TSN 简介
• IEEE P802.1BA：音视频桥接 (AVB) 系统 TSN 配置文件

除配置文件外，还有大量 TSN 功能，但不一定在所有 TSN 网络中都会使用。这取决于网络在时间同步、可靠性、资源管理和延迟等方面的要求。

时间同步

时间同步功能可确保网络中的所有设备具有共同的时间感知。一般来说，它以 IEEE 1588 标准为基础，该标准描述了节点如何同步本地时间并保持精确的时钟同步，精确度为几个纳秒。802.1AS 标准包括 1588 的选定选项，并取消了几个变体，以提高互操作性。

自 802.1AS-2020 起，该标准还包括对多时钟和冗余时钟的支持。对于航空航天来说，重点是 802.1AS-2020 和 802.1DP 中的扩展，以通过多个时域提高弹性。

延迟

延迟是 TSN 的另一个关键问题。有几项功能可确保高优先级流量与低优先级、尽力而为流量的网络延迟较低。

802.1Qbv 时间感知整形器使用分配给时隙的不同流量类别，通过最大限度地减少以太网交换机传输中的排队效应，帮助避免数据传输中的瓶颈。要做到这一点，交换机必须能够识别具有不同优先级的帧，这一功能已集成在以太网标准（VLAN 以太网帧格式）中。在某些情况下，调度程序会使用一个保护带，防止过大的帧通过时间窗口。这些帧会在下一个允许的时间窗口中传输，这可能会导致带宽利用效率低下，因为它会阻止队列中低优先级帧的传输。因此，802.1Qbu 规定了高优先级帧如何中断低优先级帧的传输。这意味着低优先级帧会被分割成碎片，并在接收端重新组装。这可以改善高优先级帧的数据传输延迟，因为高优先级流量会优先通过网络。

802.1Qav - 基于信用的整形器定义了一种算法，可优先处理有实时要求的数据流，而不是尽力而为的流量。整形器为数据流分配信用或发送信用。只要发送信用在正值范围内，就会优先传输预留带宽的数据包。发送信用会随着每次优先传输而减少，直到最后变成负值。一旦达到负值，队列中的尽力数据包就会被传输。如果这样会延迟转发预留带宽的数据包，发送信用就会相应增加。这样，就能通过尽力而为流量确保高优先级帧的传送，从而减少高优先级帧的延迟。

资源管理

资源管理区包括可用于管理 TSN 网络的功能。802.1Qat 数据流预留协议使设备能够申请和预留网络带宽，以确保为实时或关键数据流提供足够的容量。802.1Qcc 标准定义了 TSN 网络的管理接口和协议，用于设置网络中的交换机和其他设备。该标准同时涵盖集中式和非集中式管理、

根据网络管理员的偏好，可以使用分散模式和混合模式。802.1AB 标准描述了一种可用于确定网络拓扑结构的协议。这意味着设备可以使用该协议找出网络中的其他设备。这就是所谓的链路层发现协议。

可靠性

该领域包括提高网络可靠性和降低通信错误风险的功能。802.1CB- 帧复制和消除有助于确保即使在网络路径有缺陷的情况下也能进行传输。该标准描述了如何在发送方复制数据包，以及如何确保复制的数据包按照不同的路径通过网络。这就提高了数据包通过网络的概率，即使其中一条路径有缺陷。这样可以最大限度地减少电缆连接断裂或松动等问题。这一功能需要大量带宽，因为要在网络上发送多个副本。因此，802.1Qci 可以防止数据流量过载，提高网络的稳健性。确保数据流量在网络中分配前符合某些规则，从而保护网络免受错误或故障数据流量的影响。冗余传输通常由 TSN 交换机或具有多个端口的冗余 TSN 端点产生。

用于航空航天应用的 TSN

由于安全要求，低延迟和时间同步一直是航空航天界的决定性因素，这也是 TSN 在这些领域具有巨大潜力的原因。相比之下，目前使用的通信协议（如Spacewire、MIL-STD-1553 或 ARINC-664）并不具备与 TSN 相同的优势。由于产生的数据量越来越大，其中一些协议已经无法满足日益增长的带宽需求。数据量不断增加的部分原因是使用了更多的传感器和设备，另一个原因是如今网络中的每个传感器和每个设备都需要更多的带宽来采集和处理数据。ARINC 664 协议以以太网为基础，支持高带宽，但不包含通用时间概念，因此，如果不进一步努力，就无法用于时间关键型信息。

802.1DP 配置文件定义了航空航天领域的配置和功能选项，以确保互操作性。目前，它作为 IEEE 和 AE Avionics Network 的联合项目正在开发中，航空航天行业的许多其他合作伙伴也参与其中。航空航天包括许多不同的应用领域，如商用飞机、军用飞机和卫星。该配置文件包括同步和异步配置文件。同步配置文件必须用于时间关键型数据。异步配置文件用于非时间关键型数据通信，不支持时间同步。这些应用目前由航空航天业的以太网网络覆盖。该配置文件的工作重点是航空航天的安全关键特性。目前正在审查第一稿，预计将于 2024 年发布。

TSN 为航空航天业带来了诸多好处。其中最重要的一点是降低了设备成本，因为网络可以使用价格较低的以太网组件。网络融合也发挥着重要作用。这将减少飞机内孤立网络孤岛的数量，促进跨设备的数据访问。与其他行业一样，TSN 可以节省布线，从而减轻重量。

航空航天网络和要求

在当前的航空航天网络架构中，主要重点是安全功能。通常情况下，这些网络基于对确定性和带宽有不同要求的通信域。因此，这些域目前由不同的通信协议提供服务，以满足各自的要求。每个域通常都需要与地面计算机网络连接，必要时可以共享。

该行业的一个复杂因素是，虽然可以假定每架飞机都存在某些域，但使用的系统和网络架构种类繁多。这意味着只能笼统地描述领域内的特征。

客机

飞机域控制（ACD）由确保飞行安全的系统和网络组成。其中包括所有飞行控制系统，如仪表、发动机控制、自动驾驶仪、机组人员警告系统等等。该领域对确定性的要求很高，因为其中许多系统需要通过网络实现严格的同步。另一方面，对带宽的要求却很低。

第二个领域是航空信息服务领域（AISD），它涵盖了对飞机的安全监控没有直接必要的数据。该领域对确定性的要求中等，因为虽然不处理安全关键数据，但仍必须提供与安全相关的信息。例如，这包括对乘客的安全指导，也包括飞机监控和诊断等功能，以及与地面站进行通信以传输天气信息和其他飞行数据。

第三个域是乘客娱乐和网络服务域（PIESD），主要处理乘客服务的网络和娱乐服务。这包括音频和视频传输、乘客WiFi、灯光和温度控制等等。该领域的特点是对确定性要求较低，对带宽要求较高。

军用飞机

用于军事目的的飞机通常分为两个领域。根据飞机类型的不同，名称也会有所不同。例如，涵盖飞机安全控制和监测所需的数据区域的域，类似于客机的 ACD，通常被称为无人驾驶飞机的空中飞行器系统。

第二个领域通常称为任务系统，根据飞机类型的不同，可用于不同的应用。例如，它可以包括武器系统、视频雷达和其他各种传感器系统，直至任务规划。这一领域对确定性和带宽的要求也很高。

卫星

最后一类飞行器是卫星，它还包含一个飞行控制系统，称为平台控制系统，具有很高的确定性要求。此外还有有效载荷网络，其中包含通信、转发器、照相机、科研仪器等。这些仪器可能又需要很高的带宽，因此确定性一般不是很重要。

弗劳恩霍夫 IPMS TSN-IP 内核

图 1 显示了弗劳恩霍夫 IPMS 开发的 TSN IP 核，可通过我们的合作伙伴 CAST 获得许可。TSN-IP 系列由三个不同的 IP 核组成。TSN 核心功能包括定时同步（IEEE 802.1AS-2020）、流量整形（IEEE 802.1Qav 和 IEEE 802.1Qbv）、帧抢占（IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.3br），均通过硬件实现，以确保精度和可靠性。所有 IP 内核都实现了低延迟实时以太网 MAC (LLEMAC)。

• TSN-EP： TSN 端点
• TSN-SE： TSN 交换端点
• TSN-SW： TSN 多端口交换机

TSN-EP 为作为网络端点的设备增加了 TSN 功能。该组件也可视为 TSN MAC。

TSN-SE 可扩展两个具有交换功能的端点，从而将交换式端点设备集成到 TSN 网络中。这样就能实现设备的菊花链或环形架构，并根据 IEEE 802.1CB（冗余端点）使用冗余链路实现功能安全运行。该设计实现了具有直通架构的 1GbE 交换条，其特点是确定性输入和输出延迟极低。

TSN-SW 适用于集成到 TSN 以太网网络中的多端口交换设备。端口最多可扩展至 24 个外部端口。该交换机根据 IEEE 802.1Q-2018 标准支持以太网桥接功能，端口数可配置，以线速直通模式运行，端口到端口的延迟时间为一微秒。因此，该内核适用于对实时性有严格要求的应用。

所有这些 TSN IP 核均可通过我们的合作伙伴 CAST 以 RTL 源代码或针对 FPGA 器件优化的网表形式提供。交付范围包括成功实施所需的一切，包括示例，综合和仿真脚本、广泛的测试平台和详细的文档。

目前正在将 IP 内核扩展到 10G，以满足日益增长的数据吞吐量要求。TSN-EP 以及集成的低延迟以太网 MAC (LLEMAC) 已推出 10G 版本。

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关于弗劳恩霍夫 IPMS

总部设在德国的弗劳恩霍夫协会是世界领先的应用型研究机构。它专注于与未来相关的关键技术，并将研究成果应用于工商业，在创新过程中发挥着核心作用。

二十多年来，数据通信与计算 (DCC) 部门一直致力于为全球被许可方开发和授权 IP 内核。该部门的专长包括提供 IP 内核模块许可、个性化定制以及实施过程中的支持。 IPMS 为各种应用提供全面的以太网解决方案。

关于 CAST

计算机辅助软件技术公司（CAST）是一家硅 IP 供应商，成立于 1993 年。公司的 ASIC 和 FPGA IP 产品线包括微控制器和处理器；数据、图像和视频压缩引擎；汽车、航空航天和其他应用的接口；各种通用外围设备；以及全面的SoC安全模块等。