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時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）與實時操作系統(tǒng)（RTOS）的融合標(biāo)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(fù)雜性，并確保了安全關(guān)鍵通信。其在航空電子、航天和國防系統(tǒng)中的應(yīng)用簡化了網(wǎng)絡(luò)，削減了成本，并支持混合關(guān)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(lǐng)域的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

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(jìn)者

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）不僅僅是以太網(wǎng)的增強(qiáng)，它是一種變革性方法，重新定義了關(guān)鍵領(lǐng)域中網(wǎng)絡(luò)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(shù)正契合其苛刻需求。

TSN的出現(xiàn)標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(yù)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(luò)性能完美契合。

統(tǒng)一技術(shù)：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(qiáng)大的框架中，為新一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)鋪平了道路。

虹科合作伙伴SOC-E的RelyUm TSN COTS設(shè)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(yīng)商資源。這使得TSN不僅成為一項面向當(dāng)下的技術(shù)，也成為一項面向未來的技術(shù)。

可靠性：值得信賴的通信基礎(chǔ)

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

IEEE802.1CB標(biāo)準(zhǔn)引入了FRER（幀復(fù)制與可靠性消除）等機(jī)制，即使在潛在的網(wǎng)絡(luò)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(yán)格過濾和監(jiān)管，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)奏

同步是網(wǎng)絡(luò)樂團(tuán)的指揮，確保每個設(shè)備與其他設(shè)備和諧運行。

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

低延遲：追求即時響應(yīng)

在實時操作領(lǐng)域，延遲是成功與失敗的關(guān)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(guān)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(yīng)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(guān)鍵流量的質(zhì)量服務(wù)（QoS）和約束。

資源管理：最大化網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)而有目的性。

IEEE 802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)資源的編導(dǎo)，它以效率為導(dǎo)向并了解網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)需求來引導(dǎo)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(yīng)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(rèn)識到航空航天應(yīng)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(yīng)用和傳統(tǒng)實現(xiàn)，從需要嚴(yán)格時序的應(yīng)用到能夠容忍一定程度延遲的應(yīng)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(dāng)前行業(yè)的需求，還預(yù)見了未來的發(fā)展方向。

這一擴(kuò)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(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

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(jìn)程）方面起著關(guān)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(jìn)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(jìn)程的使用之間進(jìn)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(dǎo)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(yīng)用程序的內(nèi)存塊。任意分配可能會降低緩存性能，導(dǎo)致應(yīng)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(yīng)性的操作系統(tǒng)，及時響應(yīng)中斷。雖然這可以增強(qiáng)用戶體驗，但它可能會干擾正在執(zhí)行的應(yīng)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(qiáng)調(diào)確定性，允許系統(tǒng)架構(gòu)做出預(yù)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(yīng)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(guān)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(jìn)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(guān)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(rèn)證高安全關(guān)鍵型系統(tǒng)至關(guān)重要。

這一概念被稱為「強(qiáng)大的資源和時間分區(qū)」，在航空電子標(biāo)準(zhǔn)ARINC653中有概述。它定義了系統(tǒng)的時間線，并相應(yīng)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(luò)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(yù)留協(xié)議等附加功能。

TSN確保時鐘源同步，使整個技術(shù)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(guān)鍵安全相關(guān)系統(tǒng)的正常運行至關(guān)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(shù)在航空航天工業(yè)中的多樣化應(yīng)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(yīng)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(wù)要求。這些協(xié)議滿足不同網(wǎng)絡(luò)在確定性、可靠性和高帶寬方面的需求，導(dǎo)致航天器內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。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(luò)，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(lǐng)先的航天機(jī)構(gòu)已經(jīng)認(rèn)識到TSN的重要性，并對旨在開發(fā)此類技術(shù)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(yīng)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(wù)質(zhì)量（QoS）類別，以確保高效的數(shù)據(jù)傳輸。例如，關(guān)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(wù)數(shù)據(jù)，而低優(yōu)先級類別可以用于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如家庭信息。

TSN在航天工業(yè)中的一個實際應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)在TSN網(wǎng)絡(luò)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(luò)中分發(fā)。這些時間戳同步所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)用中數(shù)據(jù)的確定性和可靠性至關(guān)重要，從而實現(xiàn)無縫且高效的通信。

一旦網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(qiáng)了衛(wèi)星和發(fā)射器的穩(wěn)定性和控制性，展示了TSN在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)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(luò)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(fù)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(qiáng)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(jìn)和高效的太空任務(wù)鋪平道路。

案例研究 2：

TSN在飛機(jī)航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

在航空電子控制單元中，管理混合關(guān)鍵性流量的同時確保確定性和可靠的通信是一個關(guān)鍵問題。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（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(jī)和直升機(jī)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(guān)鍵數(shù)據(jù)（如機(jī)上娛樂）到安全關(guān)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(wù)，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(luò)負(fù)載如何都能在保證的時間內(nèi)到達(dá)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(guān)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(guān)鍵數(shù)據(jù)安排時間定義的時隙來增強(qiáng)這些系統(tǒng)，確保高優(yōu)先級通信總是按時交付。這種機(jī)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(fù)雜，連接設(shè)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(fù)雜性。這減少了對傳統(tǒng)ARINC-664 P7系統(tǒng)特點的復(fù)雜且笨重的布線束的需求。通過降低布線復(fù)雜性，TSN有助于減輕飛機(jī)重量，提高燃油效率并降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本。

總之，TSN為管理飛機(jī)航空電子系統(tǒng)中的混合關(guān)鍵流量提供了強(qiáng)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(fù)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(jī)和直升機(jī)的重要技術(shù)。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(jìn)和高效的航空技術(shù)鋪平了道路。

案例研究 3：

TSN在國防關(guān)鍵系統(tǒng)中的應(yīng)用

在資源受限、動態(tài)的國防環(huán)境中，確保關(guān)鍵任務(wù)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(qiáng)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(guān)鍵車輛功能。時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 通過提供有保障的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)、低延遲和確定性流量管理發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這些對于國防行動至關(guān)重要。

對于陸地國防場景，實時視頻流對于監(jiān)視、目標(biāo)識別和態(tài)勢感知至關(guān)重要。TSN通過為延遲控制的視頻流預(yù)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(dǎo)航、通信和武器系統(tǒng)。通過提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，TSN減少了布線束的復(fù)雜性和重量，這在空間和重量至關(guān)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(hù)和升級。

TSN的可擴(kuò)展性是國防應(yīng)用的另一個顯著優(yōu)勢。隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，TSN網(wǎng)絡(luò)可以輕松容納新設(shè)備和功能，無需進(jìn)行廣泛的基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)新出現(xiàn)的威脅和技術(shù)進(jìn)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(qiáng)大的、低延遲和確定性通信解決方案。其處理混合關(guān)鍵流量、確保實時數(shù)據(jù)傳輸和支持可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)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(yīng)性，使其成為國防技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵組成部分。

結(jié)論與展望 .

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（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(yīng)用，突出了其在確保各種高風(fēng)險環(huán)境中的確定性、可靠性和高帶寬通信中的關(guān)鍵作用。特別為航空航天應(yīng)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(luò)協(xié)議的增強(qiáng)，它是一種革命性方法，重新定義了網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(qiáng)大的框架中。該技術(shù)對于取代復(fù)雜的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)、簡化架構(gòu)、降低成本和提高整體性能至關(guān)重要。IEEE P802.1DP規(guī)范在這個轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，提供了滿足航空航天通信嚴(yán)格要求的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵數(shù)據(jù)的及時交付，通過虛擬機(jī)監(jiān)控程序技術(shù)減少了硬件需求，并簡化了認(rèn)證過程，為客戶提供了全面的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案。

TSN在航空航天和國防場景中的實際應(yīng)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(luò)架構(gòu)，提高了關(guān)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(jī)航空電子系統(tǒng)中，TSN管理混合關(guān)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(fù)雜性并提高了燃油效率。在國防關(guān)鍵系統(tǒng)中，TSN提供了任務(wù)關(guān)鍵操作所需的強(qiáng)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(luò)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(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)將推動連接性的重大進(jìn)步，實現(xiàn)更加復(fù)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(shù)進(jìn)步，更是下一代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個戰(zhàn)略促進(jìn)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(lǐng)域的開創(chuàng)性創(chuàng)新鋪平了道路。本文為理解這些技術(shù)的深遠(yuǎn)影響奠定了基礎(chǔ)，為一個連接性和可靠性無縫交織的未來奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于SOC-E

虹科合作伙伴SOC-E是全球領(lǐng)先的基于FPGA技術(shù)的以太網(wǎng)通信解決方案供應(yīng)商。作為TSN技術(shù)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(jī)路由器及時間服務(wù)器設(shè)備，這些設(shè)備為電力、工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵系統(tǒng)實現(xiàn)了領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)、同步和安全技術(shù)。