時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)和確定性網(wǎng)絡(luò)

作者：Aaron Frank and Mike Southworth

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 是一組以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能，用于跨標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸時(shí)間敏感數(shù)據(jù)。最初，TSN源于IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)音頻視頻橋接（AVB）工作組，以確保音頻和視頻數(shù)據(jù)的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)流在正確的時(shí)間到達(dá)，以確保同步。AVB 還需要保證交付吞吐量和延遲，以避免丟失視頻幀等問(wèn)題。如今，TSN具有新的802.1標(biāo)準(zhǔn)和增強(qiáng)功能，超越了AVB時(shí)間同步流，可以支持通過(guò)以太網(wǎng)的低延遲，精確的數(shù)據(jù)傳輸，適用于更廣泛的工業(yè)，汽車(chē)，航空航天和其他實(shí)時(shí)通信應(yīng)用。

傳統(tǒng)的國(guó)防和航空航天系統(tǒng)依賴(lài)于 MIL-STD-1553、ARINC 429 和 CANBus 等經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的舊技術(shù)來(lái)支持時(shí)間關(guān)鍵型通信。然而，這些傳統(tǒng)數(shù)據(jù)總線還沒(méi)有發(fā)展到可以應(yīng)對(duì)更快的運(yùn)行速度的挑戰(zhàn)。在民航方面，ARINC 664（AFDX）和時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE）等以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)獲得了一定的普及，但這些技術(shù)需要大量的前期投資和高經(jīng)常性成本。更重要的是，這些傳統(tǒng)的航空電子解決方案一旦部署就不靈活，無(wú)法動(dòng)態(tài)配置。作為英特爾等大多數(shù)主要半導(dǎo)體供應(yīng)商支持的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，TSN旨在與當(dāng)今低成本的現(xiàn)有以太網(wǎng)技術(shù)共存。它可以動(dòng)態(tài)工作，使時(shí)間敏感的通信通道能夠根據(jù)需要實(shí)時(shí)靈活配置和設(shè)置。

在國(guó)防和航空航天市場(chǎng)，TSN具有巨大的潛力：集成商正在為未來(lái)的地面車(chē)輛和飛機(jī)設(shè)想以太網(wǎng)骨干網(wǎng)，不僅支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)和通信流量，還支持武器系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和其他歷來(lái)通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)總線控制的設(shè)備。

如上所述，TSN不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，而是由許多單獨(dú)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)管理和管理的功能集合。TSN使用配置文件方法定義哪一組特定的功能，選項(xiàng)，配置和協(xié)議適用于一組特定的TSN應(yīng)用程序。一些配置文件定義良好，而其他配置文件仍在進(jìn)行中。例如，SAE和IEEE目前正在就航空航天配置文件（P802.1DP）開(kāi)展工作，SAE AS6675工作組將其定義為IEEE 802.1DP;這些將側(cè)重于確定性網(wǎng)絡(luò)的安全性、高可用性和可靠性、可維護(hù)性和有限延遲，這些網(wǎng)絡(luò)的范圍是設(shè)計(jì)保證級(jí)別 （DAL）。

TSN技術(shù)為嵌入式防御系統(tǒng)提供了幾個(gè)重要的功能。例如，TSN利用IEEE-1588v2精確時(shí)間協(xié)議（PTP）在節(jié)點(diǎn)之間提供時(shí)鐘同步。使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)消息傳遞，節(jié)點(diǎn)可以同步其本地時(shí)間時(shí)鐘，并保持時(shí)鐘同步準(zhǔn)確性。通常，選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主時(shí)鐘（或者節(jié)點(diǎn)可以投票選出最佳主時(shí)鐘），而其余節(jié)點(diǎn)則同步到主節(jié)點(diǎn)（或主節(jié)點(diǎn)）。時(shí)鐘可以保持同步，精度低至10 ns。

一旦時(shí)鐘同步，TSN可用于在節(jié)點(diǎn)之間建立確定性通信通道?？梢允褂帽ＷC參數(shù)（例如吞吐量、延遲、抖動(dòng)等）來(lái)定義此設(shè)置。從節(jié)點(diǎn) A 到節(jié)點(diǎn) B 的路徑中參與此設(shè)置的所有設(shè)備都將保留緩沖區(qū)和帶寬，并配置隊(duì)列優(yōu)先級(jí)以滿足請(qǐng)求。設(shè)置完成后，節(jié)點(diǎn)可以與已建立的確定性進(jìn)行通信。如果不再需要該通道，則可以取消預(yù)留，將緩沖區(qū)和帶寬返回到可能需要它的其他節(jié)點(diǎn)。

如今，許多Curtiss-Wright單板計(jì)算機(jī)（SBC）模塊和任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（示例，圖1）已經(jīng)可以在不同程度上利用TSN通信，只需要軟件支持。例如，大多數(shù) SBC 支持 IEEE-1588v2 的時(shí)間同步功能，并且可以支持 PTP 軟件守護(hù)程序。

隨著TSN在國(guó)防和航空航天工業(yè)中的成熟，領(lǐng)先的商用現(xiàn)貨（COTS）供應(yīng)商將開(kāi)始將TSN功能整合到其產(chǎn)品中。COTS供應(yīng)商開(kāi)始了解TSN的潛在優(yōu)勢(shì)，并研究如何隨著下一代以太網(wǎng)交換產(chǎn)品的形成而更全面地支持它。

審核編輯：郭婷