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時間敏感網(wǎng)絡（TSN）與實時操作系統(tǒng)（RTOS）的融合標志著航空航天行業(yè)的一個變革性里程碑。本文考察了TSN提供確定性、可靠和高帶寬通信的能力，通過IEEE P802.1DP規(guī)范滿足航空航天的獨特需求。通過統(tǒng)一協(xié)議和優(yōu)化架構(gòu)，TSN提高了性能，降低了復雜性，并確保了安全關鍵通信。其在航空電子、航天和國防系統(tǒng)中的應用簡化了網(wǎng)絡，削減了成本，并支持混合關鍵性流量。TSN和RTOS一起使系統(tǒng)具備未來適用性、效率和韌性，重新定義了連接性，并為航空航天及其他領域的創(chuàng)新奠定了基礎。

本文作者

Del Pino García, Javier (SOC-E)

Ruiz Dorantes, Oliver (SYSGO)

Walkembach, Franz (SYSGO)

01 .

概述

TSN：航空電子和航天工業(yè)的戰(zhàn)略促進者

時間敏感網(wǎng)絡（TSN）不僅僅是以太網(wǎng)的增強，它是一種變革性方法，重新定義了關鍵領域中網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能。在航空電子和航天工業(yè)中，精確性和可靠性并非遙不可及，而是必需品。TSN技術正契合其苛刻需求。

TSN的出現(xiàn)標志著網(wǎng)絡技術發(fā)展的一個重要里程碑。TSN在航空電子和航天工業(yè)中的引入預示著一個全新的互聯(lián)時代即將到來，創(chuàng)新潛力與網(wǎng)絡性能完美契合。

統(tǒng)一技術：能力的融合

TSN作為一個統(tǒng)一的解決方案，匯集了現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的核心要求。它將可靠性、確定性和高帶寬融合到一個單一、強大的框架中，為新一代網(wǎng)絡系統(tǒng)鋪平了道路。

虹科合作伙伴SOC-E的RelyUm TSN COTS設備

TSN的以太網(wǎng)骨干提供了無與倫比的市場優(yōu)勢。它依托成熟的生態(tài)系統(tǒng)，擁有豐富的COTS產(chǎn)品、龐大的市場占有率以及多元化的供應商資源。這使得TSN不僅成為一項面向當下的技術，也成為一項面向未來的技術。

可靠性：值得信賴的通信基礎

TSN的核心是可靠性的交付，這一「承諾」在嚴苛的關鍵環(huán)境中至關重要。

IEEE802.1CB標準引入了FRER（幀復制與可靠性消除）等機制，即使在潛在的網(wǎng)絡中斷情況下也能確保持續(xù)通信。

與此相輔相成的還有IEEE 802.1Qci提供的嚴格過濾和監(jiān)管，增強了網(wǎng)絡抵御錯誤的能力，提高了其彈性。

同步：協(xié)調(diào)統(tǒng)一的網(wǎng)絡節(jié)奏

同步是網(wǎng)絡樂團的指揮，確保每個設備與其他設備和諧運行。

TSN以IEEE 802.1AS為核心，實現(xiàn)了對任務協(xié)調(diào)至關重要的同步水平。該標準是操作的基石，對于每納秒都至關重要的任務來說更是如此。

低延遲：追求即時響應

在實時操作領域，延遲是成功與失敗的關鍵。

TSN通過一套協(xié)議解決低延遲和有限延遲問題，每套協(xié)議都旨在確保時間關鍵型數(shù)據(jù)被賦予最高優(yōu)先級，并在最緊迫的時間范圍內(nèi)交付，從而保持實時響應的節(jié)奏。IEEE 802.1Qbv（時間感知整形器）、802.1Qav（基于信用的整形器）和 802.1Qbu（用于幀搶占）確保了關鍵流量的質(zhì)量服務（QoS）和約束。

資源管理：最大化網(wǎng)絡效率

有效的資源管理就像一場精心編排的芭蕾舞，每個動作都精準而有目的性。

IEEE 802.1Qcc標準是網(wǎng)絡資源的編導，它以效率為導向并了解網(wǎng)絡的動態(tài)需求來引導流量。

IEEE P802.1DP航空航天規(guī)范：

為航空定制的TSN

TSN的航空航天配置文件IEEE P802.1DP是TSN適應航空航天部門特殊需求的證明。

按功能分類的TSN協(xié)議列表

來源：IEEE

認識到航空航天應用的多樣性，IEEE P802.1DP規(guī)范同時滿足同步和異步通信需求。這種雙重模式確保TSN能夠支持各種應用和傳統(tǒng)實現(xiàn)，從需要嚴格時序的應用到能夠容忍一定程度延遲的應用。

該規(guī)范概述了支持的TSN協(xié)議，每個協(xié)議都因其傳輸時間敏感數(shù)據(jù)流的精確性和可靠性而被選中。該配置文件不僅滿足當前行業(yè)的需求，還預見了未來的發(fā)展方向。

這一擴展性介紹提供了TSN在航空電子和航天工業(yè)中的作用的全面視圖，為深入探索其與RTOS的集成以及由此產(chǎn)生的協(xié)同效應奠定了基礎。

02 .

具有TSN的實時操作系統(tǒng)的重要性

操作系統(tǒng)（OS） 在管理處理元素（如處理器或核心）分配給各種軟件單元（稱為線程或進程）方面起著關鍵作用。這種分配既涉及物理方面，也涉及時間方面。在對稱多處理器系統(tǒng)（SMP）中，OS決定特定線程或進程在哪個處理器上運行以及何時使用處理元素，在與其他進程的使用之間進行平衡。

通用操作系統(tǒng)

通用操作系統(tǒng)通常優(yōu)先考慮性能，會立即將可用的處理元素分配給待處理的軟件單元。雖然這種方法可能很高效，但它可能導致諸如緩存爭用等問題。現(xiàn)代處理器包含一級緩存，用于存儲執(zhí)行應用程序的內(nèi)存塊。任意分配可能會降低緩存性能，導致應用程序執(zhí)行時間的可變性。親和性策略可以減輕這種影響。

另一個例子是優(yōu)先考慮響應性的操作系統(tǒng)，及時響應中斷。雖然這可以增強用戶體驗，但它可能會干擾正在執(zhí)行的應用程序，阻止一致的執(zhí)行時間。

實時操作系統(tǒng)（RTOS）

相比之下，實時操作系統(tǒng)（RTOS）強調(diào)確定性，允許系統(tǒng)架構(gòu)做出預定義的決策，而不是由操作系統(tǒng)本身做出。諸如減少上下文切換和增加響應性（例如 Linux 中的 PREEMPT_RT）等功能是有益的，但僅靠這些還不足以在關鍵安全系統(tǒng)中實現(xiàn)確定性執(zhí)行。

PikeOS RTOS架構(gòu)

實時操作系統(tǒng) (RTOS)，例如PikeOS，支持對系統(tǒng)進行物理分區(qū)，并將資源分配給特定的軟件單元。這些單元被限制在其分配的資源范圍內(nèi)，從而防止與其他分區(qū)發(fā)生干擾。時間分區(qū)也至關重要，它確保軟件單元的執(zhí)行時間不超過其分配的執(zhí)行時間。這在多核系統(tǒng)中尤其具有挑戰(zhàn)性，因為內(nèi)部總線等共享資源可能會造成干擾。實時操作系統(tǒng) (RTOS) 可以幫助最大限度地減少此類干擾，這對于在多核架構(gòu)上認證高安全關鍵型系統(tǒng)至關重要。

這一概念被稱為「強大的資源和時間分區(qū)」，在航空電子標準ARINC653中有概述。它定義了系統(tǒng)的時間線，并相應地分配軟件單元，確保控制資源的使用。

具備TSN的RTOS

系統(tǒng)時間通常由外部晶體維持，驅(qū)動各種系統(tǒng)時鐘。在RTOS中，此時鐘源確保軟件單元之間的時間一致性。然而，與外部系統(tǒng)的同步可能具有挑戰(zhàn)性。精確時間協(xié)議（PTP，IEEE 1588）通過定義用于時鐘分布的主從架構(gòu)，使用時間戳消息在網(wǎng)絡中同步時鐘來解決這個問題。TSN采用PTP（IEEE 802.1AS）的一個子集，用于亞微秒精度，并支持無線通信。

在建立了時間同步后，TSN可以實現(xiàn)諸如調(diào)度、流量整形和流預留協(xié)議等附加功能。

TSN確保時鐘源同步，使整個技術生態(tài)系統(tǒng)和諧且確定性地運行。這種同步通常對于更廣泛的關鍵安全相關系統(tǒng)的正常運行至關重要。

03 .

TSN在航空航天場景中的適用性

以下案例研究說明了TSN技術在航空航天工業(yè)中的多樣化應用，突出了其在提高嵌入式實時系統(tǒng)的性能、可靠性和效率方面的作用。

案例研究 1：

TSN在航天器航空電子系統(tǒng)中的應用

航天工業(yè)傳統(tǒng)上依賴各種通信協(xié)議，如MIL-STD-1553、SpaceWire、AFDX和TTEthernet以滿足任務要求。這些協(xié)議滿足不同網(wǎng)絡在確定性、可靠性和高帶寬方面的需求，導致航天器內(nèi)出現(xiàn)復雜的多協(xié)議網(wǎng)絡。TSN憑借其確定性和高帶寬能力，提供了一個統(tǒng)一的基于以太網(wǎng)的解決方案，可以取代這些多協(xié)議網(wǎng)絡，簡化架構(gòu)，降低成本并提高性能。

TSN的特性在下一代發(fā)射器通信系統(tǒng)中也非常有用。歐洲航天局 (ESA) 和美國國家航空航天局 (NASA) 等領先的航天機構(gòu)已經(jīng)認識到TSN的重要性，并對旨在開發(fā)此類技術和創(chuàng)新的研發(fā)項目表現(xiàn)出濃厚的興趣。

OSRA-NET（用于實時應用的開放式系統(tǒng)架構(gòu)）是一個定義了實時系統(tǒng)中不同類型數(shù)據(jù)的流量類別的框架。在衛(wèi)星和發(fā)射器通信中，OSRA-NET流量類別可以映射到TSN的服務質(zhì)量（QoS）類別，以確保高效的數(shù)據(jù)傳輸。例如，關鍵的遙測和控制數(shù)據(jù)可以映射到高優(yōu)先級的TSN類別，確保最小的延遲和抖動。中等優(yōu)先級類別可以處理需要及時傳輸?shù)梢匀萑桃欢ㄑ舆t的任務數(shù)據(jù)，而低優(yōu)先級類別可以用于非關鍵數(shù)據(jù)，如家庭信息。

TSN在航天工業(yè)中的一個實際應用是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的同步。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供精確的時間信息，可以通過IEEE 802.1AS標準在TSN網(wǎng)絡中用于同步。航天器和發(fā)射器上的GNSS接收器提供精確的時間戳，這些時間戳在TSN網(wǎng)絡中分發(fā)。這些時間戳同步所有網(wǎng)絡設備，確保數(shù)據(jù)在正確的時間傳輸和接收。這種同步對于維持太空應用中數(shù)據(jù)的確定性和可靠性至關重要，從而實現(xiàn)無縫且高效的通信。

一旦網(wǎng)絡同步，姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)（AOCS）控制環(huán)可以在TSN的802.1Qbv（時間感知整形器）窗口內(nèi)集成。通過在Qbv窗口中調(diào)度AOCS控制環(huán)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)確保關鍵控制命令以最小的延遲傳輸，從而提高AOCS執(zhí)行器的性能。這種集成增強了衛(wèi)星和發(fā)射器的穩(wěn)定性和控制性，展示了TSN在關鍵任務應用中的優(yōu)勢。

除了提高性能和可靠性外，TSN還有助于通過簡化網(wǎng)絡架構(gòu)和減少布線需求顯著減輕發(fā)射器的重量。這種重量減輕轉(zhuǎn)化為成本節(jié)約，因為將額外一公斤的有效載荷送入軌道的成本仍然很高，盡管隨著可重復使用階段發(fā)射器的出現(xiàn)，成本有所下降。

總之，TSN為航天工業(yè)提供了顯著優(yōu)勢，提供了一個統(tǒng)一的、確定性的和高帶寬的通信解決方案。TSN可以增強衛(wèi)星和發(fā)射器航空電子系統(tǒng)的性能和可靠性，為更先進和高效的太空任務鋪平道路。

案例研究 2：

TSN在飛機航空電子系統(tǒng)中的應用

在航空電子控制單元中，管理混合關鍵性流量的同時確保確定性和可靠的通信是一個關鍵問題。時間敏感網(wǎng)絡（TSN）正作為傳統(tǒng)ARINC 664通信協(xié)議的升級，特別是在下一代飛機和直升機中得到采用。

航空電子系統(tǒng)必須處理各種具有不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流量，從非關鍵數(shù)據(jù)（如機上娛樂）到安全關鍵功能（如飛行控制和傳感器數(shù)據(jù)）。TSN非常適合這項任務，因為它能夠確保確定性通信，這意味著每個數(shù)據(jù)包無論網(wǎng)絡負載如何都能在保證的時間內(nèi)到達目的地。這對于維持飛行控制系統(tǒng)的精確性和安全性至關重要。

某些控制系統(tǒng)依賴于時間敏感算法，如自動駕駛儀和防撞系統(tǒng)。TSN通過為關鍵數(shù)據(jù)安排時間定義的時隙來增強這些系統(tǒng)，確保高優(yōu)先級通信總是按時交付。這種機制對于管理傳感器、執(zhí)行器和飛行控制單元等子系統(tǒng)之間的通信尤為重要，即使是輕微的延遲也會影響性能。

由于航空電子系統(tǒng)變得越來越復雜，連接設備的數(shù)量和它們生成的數(shù)據(jù)量也在增加。TSN通過有效地處理更高的流量和訂閱者數(shù)量，幫助管理這種日益增長的復雜性。這減少了對傳統(tǒng)ARINC-664 P7系統(tǒng)特點的復雜且笨重的布線束的需求。通過降低布線復雜性，TSN有助于減輕飛機重量，提高燃油效率并降低網(wǎng)絡設備成本。

總之，TSN為管理飛機航空電子系統(tǒng)中的混合關鍵流量提供了強大的解決方案。通過確保確定性和可靠的通信，TSN提高了飛行控制系統(tǒng)的精確性和安全性。其處理增加的數(shù)據(jù)流量和降低布線復雜性的能力轉(zhuǎn)化為了顯著的重量和成本節(jié)約，使其成為下一代飛機和直升機的重要技術。TSN在航空電子系統(tǒng)中的集成不僅提高了性能，還為更先進和高效的航空技術鋪平了道路。

案例研究 3：

TSN在國防關鍵系統(tǒng)中的應用

在資源受限、動態(tài)的國防環(huán)境中，確保關鍵任務系統(tǒng)的實時、可靠通信是一個重大挑戰(zhàn)。北約通用車輛架構(gòu)（NGVA）平臺需要強大的、低延遲的通信系統(tǒng)來管理高優(yōu)先級視頻流量和關鍵車輛功能。時間敏感網(wǎng)絡 (TSN) 通過提供有保障的服務質(zhì)量 (QoS)、低延遲和確定性流量管理發(fā)揮著至關重要的作用，這些對于國防行動至關重要。

對于陸地國防場景，實時視頻流對于監(jiān)視、目標識別和態(tài)勢感知至關重要。TSN通過為延遲控制的視頻流預留帶寬，即使在資源受限和高需求的環(huán)境中也能確保不間斷的高質(zhì)量視頻。

此外，TSN支持軍事車輛內(nèi)各種子系統(tǒng)的無縫集成，如導航、通信和武器系統(tǒng)。通過提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎設施，TSN減少了布線束的復雜性和重量，這在空間和重量至關重要的裝甲車中特別有益。這種集成不僅提高了車輛系統(tǒng)的整體效率和可靠性，還簡化了維護和升級。

TSN的可擴展性是國防應用的另一個顯著優(yōu)勢。隨著軍事技術的發(fā)展，TSN網(wǎng)絡可以輕松容納新設備和功能，無需進行廣泛的基礎設施更改。這種靈活性使TSN成為未來通信系統(tǒng)的理想解決方案，確保它們能夠適應新出現(xiàn)的威脅和技術進步。

總之，TSN為國防工業(yè)提供了顯著的優(yōu)勢，提供了一個強大的、低延遲和確定性通信解決方案。其處理混合關鍵流量、確保實時數(shù)據(jù)傳輸和支持可擴展網(wǎng)絡架構(gòu)的能力使其成為現(xiàn)代國防行動的無價資產(chǎn)。TSN在國防系統(tǒng)中的集成提高了作戰(zhàn)效率、可靠性和適應性，使其成為國防技術進步的關鍵組成部分。

結(jié)論與展望 .

時間敏感網(wǎng)絡（TSN）與實時操作系統(tǒng)（RTOS）的融合代表了航空航天行業(yè)的一個變革性飛躍。本文探討了TSN的多方面優(yōu)勢和應用，突出了其在確保各種高風險環(huán)境中的確定性、可靠性和高帶寬通信中的關鍵作用。特別為航空航天應用定制的TSN航空航天規(guī)范IEEE P802.1DP確保了同步和異步通信需求都以精確性和可靠性得到滿足。

TSN不僅是對現(xiàn)有網(wǎng)絡協(xié)議的增強，它是一種革命性方法，重新定義了網(wǎng)絡系統(tǒng)的能力。在航空電子和航天工業(yè)中，精確性和可靠性至關重要，TSN提供了一個統(tǒng)一的解決方案，將可靠性、確定性和高帶寬集成到一個強大的框架中。該技術對于取代復雜的多協(xié)議網(wǎng)絡、簡化架構(gòu)、降低成本和提高整體性能至關重要。IEEE P802.1DP規(guī)范在這個轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了關鍵作用，提供了滿足航空航天通信嚴格要求的標準化方法。

虹科合作伙伴SOC-E的TSN解決方案與PikeOS RTOS的結(jié)合確保了無與倫比的性能和可靠性。這種集成保證了關鍵數(shù)據(jù)的及時交付，通過虛擬機監(jiān)控程序技術減少了硬件需求，并簡化了認證過程，為客戶提供了全面的現(xiàn)代網(wǎng)絡系統(tǒng)解決方案。

TSN在航空航天和國防場景中的實際應用凸顯了其多樣性和有效性。在航天器航空電子系統(tǒng)中，TSN簡化了網(wǎng)絡架構(gòu)，提高了關鍵控制系統(tǒng)的性能，并減少了整個OBDH子系統(tǒng)的重量，因此也減少了成本。在飛機航空電子系統(tǒng)中，TSN管理混合關鍵流量，確保了飛行控制系統(tǒng)的精確性和安全性，同時降低了布線復雜性并提高了燃油效率。在國防關鍵系統(tǒng)中，TSN提供了任務關鍵操作所需的強大、低延遲通信，支持了子系統(tǒng)的無縫集成，并為國防通信網(wǎng)絡提供了面向未來的保障。

展望未來，TSN與RTOS結(jié)合的潛力是無限的。這種強大的協(xié)同效應將推動連接性的重大進步，實現(xiàn)更加復雜、高效和可靠的系統(tǒng)。對創(chuàng)新和長期支持的持續(xù)承諾確保這些解決方案將繼續(xù)滿足行業(yè)不斷發(fā)展的需求。

總之，TSN與RTOS的融合不僅是一項技術進步，更是下一代網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個戰(zhàn)略促進者。通過提供統(tǒng)一、確定性和高帶寬的通信解決方案，TSN和RTOS一起為航空電子、航天和國防領域的開創(chuàng)性創(chuàng)新鋪平了道路。本文為理解這些技術的深遠影響奠定了基礎，為一個連接性和可靠性無縫交織的未來奠定了基礎。

關于SOC-E

虹科合作伙伴SOC-E是全球領先的基于FPGA技術的以太網(wǎng)通信解決方案供應商。作為TSN技術的先驅(qū)，SOC-E開發(fā)了一系列知識產(chǎn)權(quán)（IP）核心和完全合格的堅固交換機路由器及時間服務器設備，這些設備為電力、工業(yè)和航空航天領域的關鍵系統(tǒng)實現(xiàn)了領先的網(wǎng)絡、同步和安全技術。