机载时间敏感组网分析综述

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28165

Abstract

Abstract:

The “on time and deterministic” scheduling and transmission mechanism of Time-Sensitive Networking （TSN） can effectively improve the determinism of information interaction in industrial automation systems and vehicle integrated electronics systems. Therefore， TSN has potentially become one of the candidates for high-deterministic networking of avionics systems. However， how to match its various time-sensitive shaping and scheduling mechanisms with the airborne networking environment and requirements is the primary problem to be solved at present. Based on a summary of current TSN standards， this paper firstly analyzes the requirements of airborne networking. Then， the latest progress of current TSN related research is summarized from the perspectives of TSN scheduling optimization and delay boundary analysis. This paper also discusses the challenges and key technologies of TSN in the airborne environment in terms of protocol tailoring， system management， model engineering， reliability and security， and wireless hybrid transmission.

Key words: avionics system, airborne network, time-sensitive networking, communication scheduling, delay analysis

CLC Number:

V247

Feng HE, Ershuai LI, Xuan ZHOU, Luxi ZHAO. A review of airborne time sensitive networking[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(17): 28165-028165.

Figures/Tables 13

Table 1

Technical summary of typical COTS switch networking solution

技术特征	FC-AE	标准以太网	AFDX	TTE	TSN
组网特征	面向航空机载组网的标准	面向各种组网应用，包括嵌入式和互联网的IEEE网络标准	面向航空机载组网的ARINC组网标准	面向混合关键实时应用的SAE网络标准	面向车载、工业互联网等领域的实时网络协议
实际应用	美军F35航电系统	每个行业，包括航空航天	A380/350、B787航电系统	NASA火星探测项目	汽车电子控制领域、工厂自动化控制
物理介质	光缆	电缆/光缆	电缆/光缆	电缆/光缆	电缆/光缆
通信速率	266/512 MHz，1G/2G/4 Gbps	1G/10 Gbps，路线图支持100 Gbps	现行标准为100 Mbps，正在研究1 Gbps	100 Mbps/1 Gbps，可支持10 Gbps	100 Mbps/1 Gbps，已演示10 Gbps以上带宽
组网拓扑	点对点/逻辑环/交换式	点对点/总线/交换式	点对点/交换式	点对点/交换式	点对点/总线/交换式
NoC支持	支持基于通道模式的传输	可以	无	轻量式剪裁预期支持	潜在支持
时钟同步	无，上层定义	无，上层定义	无，定制VL授时同步	AS6802同步，分布式域同步	集中式主从同步
流控机制	信用量控制结合FC-AE上层具体协议	无，优先级调度	带宽整形	时分多路/带宽整形	CBS/TAS/ATS等
通信机制	事件触发	事件触发	事件触发	时间触发	时间触发/事件触发
实时性能	依赖于设计	无确定性保障	实时（依赖于设计）	强实时	实时（取决于流控机制）
冗余配置	双冗余/混合异构冗余	无	双冗余网络	多冗余网络	支持冗余路径
供应链	开放标准，但终端和交换机供应商有限	广泛	仅航空相关行业供应商	开放标准，但终端和交换机供应商有限	潜在多家供应商
安全认证	无	无	FAA/EASA/CAA认证	已开发安全关键用例，EASA认证	正在开发用于认证的航空航天协议子集
控制管理	静态配置，经扩展支持网络管理	多种网络管理模型，动态自适应资源管控	静态配置，支持SNMP网络管理	静态配置，已演示支持SNMP网络管理	三种控制模型，支持在线配置，可支持SNMP网络管理

Table 1

Table 2

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Table 3

Comparison of features of TSN scheduling algorithms based on time-triggered communication

流控机制	调度算法	优化目标	求解方式	适用规模
TAS	Craciunas等^［15］	占用队列数	SMT/OMT（增量式）	100条流量/1 394个数据帧（超过4 h）
TAS	Durr等^［42］	保护带宽	禁忌搜索	1 500条流量（3.2 h）
TAS	Farzaneh等^［36］	无	SMT	100条流量（4 min以内）更多流量（所需时间指数型增长）
TAS	Schweissguth^［47］	传输延迟	ILP（联合路由）	52条流量（22 min以内）
TAS	Serna Oliver等^［39］	接收抖动	SMT/OMT	50条流量/211个数据帧（超过40 h）
TAS	Steiner等^［38］	无	SMT	50条流量/175个数据帧（10 ms/1个窗口~1 h/5个窗口）
TAS	Heilmann等^［43］	保护带宽	考虑优先级的手动求解	未形成自动化调度工具
TAS	Santos等^［37］	无	SMT	5条流量/10个发布者+73个订阅者（80 h以内）
TAS	Jin等^［19］	GCL调度条目	SMT、OMT、启发式	SMT：100条流量（超过48 h） OMT：10 000条流量（小于48 h）启发式：8 000条流量（两种启发式算法分别在1 min以内或1 h）
TAS	Falk等^［34］	流量冲突图中独立配置顶点数	ILP（联合路由）	200条流量（53 min以内）
TAS	Reusch等^［40］	时间窗口的占用率	启发式	16条流量（20 s以内）
TAS	Atallah等^［31］	分组策略优化组间流量冲突度	ILP（分组增量式）	480条流量（40 min）
TAS	Schweissguth等^［48］	路由和调度权衡：流延迟最小、具有最优差距的延迟最小、具有最小次要延迟的最短路径	ILP（联合路由）	40条流量（21 min以内）
TAS	Zhang等^［44］	占用队列数和带宽利用率	适用于优先级约束背包问题的动态规划求解	255条流量（可支持）
TAS	Vlk等^［21］	占用队列数和传输延迟	ILP（增量式）	1 910条流量（10 min内可调度88.5%）
TAS	Li等^［17］	无	SMT	50条流量（33 min以内）
TAS	Wang等^［25］	传输延迟	蚁群算法（联合路由）	100条流量（80 s以内）
TAS	Tu等^［32］	无	半监督学习（分组增量式）	多组流量规模（可调度86.6%）
TAS	Houtan等^［18］	考虑BE流量服务质量：最大化调度时刻、稀疏调度与均匀稀疏调度	OMT	10条流量（20 min以内）
TAS	Vlk等^［22］	占用队列数和传输延迟	CP（联合路由）	300条流量（1 h以内可调度54.7%）
TAS	Jia等^［26］	传输延迟	深度强化学习（增量式）	1 000条流量（每条流量100 ms以内）
TAS	Xu等^［33］	分组策略优化组间流量冲突度	基于学习（分组增量式）	80条流量（17 min以内）
TAS	Yuan等^［30］	传输延迟	启发式	30条流量（可支持）
TAS	Vlk等^［41］	无	启发式	10 812条流量/93 814个数据帧（1 h以内）
TAS	Zhou等^［50］	无	SMT增量式	200条流量（7 min以内）
TAS+CBS	Pop等^［45］	占用队列数	ILP	小规模流量求解快；不适应大规模案例
TAS+CBS	Raagaard等^［46］	占用队列数和传输延迟	ILP、ASAP、GRASP	ILP：100个数据帧（超过4 h） ASAP、GRASP：1 000个数据帧（1 min以内）
TAS+CBS	Gavrilut等^［49］	CDT流量的占用队列数和传输延迟，AVB流量的最坏延迟	GRASP（联合路由）	427条CDT流量+464条AVB流量（9 min以内）
TAS+CBS	Gavrilut等^［23］	传输延迟	禁忌搜索	186条流量（12.5 h）
CQF	Jiang等^［51］	可调度流数量	贪心算法	140条流量（可支持）
CQF	Yan等^［52］	可调度流数量	禁忌搜索	2 000条流量（30 min以内）
CQF	Guo等^［53］	可调度流数量	启发式	500条流量（2 min以内）
CQF	Liu等^［54］	路由策略优化链路带宽利用率	强化学习（联合路由）	7 000条流量（可支持），9 000条流量（可调度40%）
CQF	Zhang等^［29］	传输时隙的负载均衡	并行算法（增量式）	400条流量（3 min以内）

Table 3

Table 4

Table 5

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

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类别	标准名称	发布年份	简称
时钟同步	Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications	2020	IEEE 802.1AS-2020
确定性流控	Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams	2009	IEEE 802.1Qav
	Enhancements for Scheduled Traffic	2015	IEEE 802.1Qbv
	Frame Preemption	2016	IEEE 802.1Qbu
	Cyclic Queuing and Forwarding	2017	IEEE 802.1Qch
	Asynchronous Traffic Shaping	2020	IEEE 802.1Qcr
网络配置与管理	Stream Reservation Protocol Enhancements and Performance Improvements	2018	IEEE 802.1Qcc
可靠性与安全性	Frame Replication and Elimination for Reliability	2017	IEEE 802.1CB
可靠性与安全性	Per-Stream Filtering and Policing	2017	IEEE 802.1Qci
典型场景参考	TSN Profile for Automotive In-Vehicle Ethernet Communications	待发布	IEEE P802.1DG
典型场景参考	IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation	待发布	IEC/IEEE 60802

协议	传输特点	积压边界	延迟边界	抖动边界	配置复杂度
IEEE 802.1Qbv TAS	全网时钟同步传输	低	极低	极低	高，更适合静态，在适应大规模和动态网络有难度
IEEE 802.1Qav CBS	异步传输	较高	高，带宽分配对延迟边界影响大	高	较低，可基于不同流量类别实现带宽预留
IEEE 802.1Qcr ATS	节点时钟异步传输	高	对高负载量/低优先级的整形效果明显，延迟较低；对低负载量/高优先级流量具有负向的整形效果，延迟高	高	低，适合于动态
IEEE 802.1Qch CQF	全网时钟同步/异步传输	较低	端到端延迟基于循环周期的配置，容易计算，独立于拓扑	较低	较高，适合于动态；广域网应用受限
IEEE 802.1Q SP	异步传输	较高	较高	高	较低，适合于动态严格优先级

协议	目标	依据	机载组网需求
IEEE 802.1AS	强制	基于时间分配和同步以及故障检测隔离和恢复	可靠性和安全性
IEEE 802.1Qci	强制	第二层数据链路层的策略以及QoS相关的管理	可靠性和安全性
IEEE 802.1CB	强制	网络和系统的可用性（RASM）	可靠性和安全性
IEEE 802.1 Qbv	强制	针对调度流量	确定性和混合关键保障
IEEE 802.1Qav	强制	对于有服务质量需求的流量	确定性和混合关键保障/带宽和吞吐量
IEEE 802.1Qcr	强制	对于有服务质量需求的流量	确定性和混合关键保障
IEEE 802.1 Qcc	强制	静态配置部分是必要的	体系化融合与混合组网
IEEE 802.1Qbu & IEEE 802.3br	待定	对于高链路带宽（比如1 Gbps以上）是没有必要的	确定性和混合关键保障
IEEE 802.1Qch	待定	实际上是其它标准的一个组合	确定性和混合关键保障
IEEE 802.1 Qat &IEEE 802.1 Qcc	不需要	动态（重新）配置，目前非必要	重构与在线配置
IEEE 802.1 Qca	不需要	动态（重新）配置，目前非必要	重构与在线配置
IEEE 802.1 Qcc	不需要	动态（重新）配置，目前非必要	重构与在线配置

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A review of airborne time sensitive networking

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