HONGKE

下一代航空航天電子真的需要TSN嗎？

以直升機(jī)為例（二）

虹科案例

03

基于TSN的通訊架構(gòu)

我們的案例研究的是Airbus Helicopters提供的基于TSN的通信架構(gòu)原型。該體系結(jié)構(gòu)由兩個(gè)以太網(wǎng)子網(wǎng)組成，在五個(gè)端系統(tǒng)上相互連接。上部主要用于核心航空電子功能，它承載了直升機(jī)安全的大多數(shù)關(guān)鍵功能，因此也承載了大多數(shù)關(guān)鍵流;這是本工作剩余部分的重點(diǎn)。下半部分主要與任務(wù)方面有關(guān)。該網(wǎng)絡(luò)中的一些流對(duì)客戶完成任務(wù)非常重要，但對(duì)飛機(jī)安全的影響較小。下文中的traffic flow和traffic stream是指一個(gè)發(fā)送方向一個(gè)或多個(gè)接收方發(fā)送的幀序列（即單播或組播流）。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong> 如下圖所示的上層網(wǎng)絡(luò)是由2臺(tái)交換機(jī)、40條全雙工鏈路和32個(gè)端節(jié)點(diǎn)組成的交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸速率分為兩種：30條100Mbit/s鏈路和10條1Gbit/s鏈路。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，應(yīng)該注意的是，并不是所有的鏈路都連接到交換機(jī)上，端系統(tǒng)之間也有直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

該通信體系結(jié)構(gòu)由兩個(gè)在多個(gè)終端系統(tǒng)上相互連接的子網(wǎng)絡(luò)組成。終端系統(tǒng)和交換機(jī)的名稱已被脫敏處理（附上RTaW-Pegase截圖）：

流量特性 流量由6種類型的流組成，根據(jù)其功能域進(jìn)行區(qū)分。流量的特性總結(jié)如下表所示。網(wǎng)絡(luò)中的路由是靜態(tài)的，因?yàn)檫@是關(guān)鍵系統(tǒng)的規(guī)范。在表格中，優(yōu)先級(jí)是根據(jù)流所屬的功能域的時(shí)間約束和臨界度分配的。這是一個(gè)合理的基線優(yōu)先級(jí)分配，在下文中稱為“用戶優(yōu)先級(jí)”。我們假設(shè)流的第一個(gè)包是在相對(duì)于終端系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間有一定傳輸偏移的情況下被釋放的。后續(xù)報(bào)文的釋放間隔正好為一個(gè)周期。所有流的偏移量都是隨機(jī)生成的，精度為5ms。如果沒(méi)有偏移量，所有的包有時(shí)會(huì)在同一時(shí)間被釋放（例如時(shí)間為0），這是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橥ǔ２粫?huì)為每個(gè)軟件任務(wù)分配一個(gè)專用的CPU，因此包不會(huì)在同一時(shí)間被釋放。

ps：在下文提到的性能評(píng)估中，流量根據(jù)表中所示的比例逐步增加。無(wú)論網(wǎng)絡(luò)負(fù)載如何，只有TFTP流的數(shù)量保持不變。

HONGKE-TSN

04

TSN調(diào)度方案的效率（上）

我們?cè)u(píng)估不同TSN機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增長(zhǎng)時(shí)滿足時(shí)間約束的相對(duì)能力。對(duì)于包含1000個(gè)流的特定應(yīng)用程序，我們還使用不同的調(diào)度解決方案量化內(nèi)存使用情況。所有實(shí)驗(yàn)均使用RTaW-Pegase v3.9.9軟件進(jìn)行。 在本文中，我們先講過(guò)載分析和基于優(yōu)先級(jí)的TSN調(diào)度方案，在下一篇part3中，我們將繼續(xù)詳細(xì)分析整形和搶占以及內(nèi)存方面。

A. 過(guò)載分析

?如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置中至少有一條鏈路的負(fù)載大于100%，則該網(wǎng)絡(luò)配置是過(guò)載的。這樣的配置是不可接受的，因?yàn)閿?shù)據(jù)包必然會(huì)丟失，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)存空間不是無(wú)限的。過(guò)載分析是一種粗粒度的評(píng)估，獨(dú)立于TSN QoS機(jī)制，對(duì)給定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢灾С值牧髁窟M(jìn)行評(píng)估。它包括測(cè)量當(dāng)流的數(shù)量增加時(shí)過(guò)載的網(wǎng)絡(luò)配置的百分比，如下圖所示。過(guò)載分析提供了網(wǎng)絡(luò)容量的上限，因?yàn)樗x的TSN調(diào)度機(jī)制可能無(wú)法成功調(diào)度所有非過(guò)載的配置。

我們?cè)谙聢D中觀察到，超過(guò)6000流網(wǎng)絡(luò)才會(huì)開(kāi)始過(guò)載，這表明，如果按照截止時(shí)間等于周期，基于一個(gè)合適的TSN調(diào)度解決方案，網(wǎng)絡(luò)很可能能夠支持傳輸一個(gè)重要的負(fù)載。然而，在超過(guò)7000流后，曲線急劇增加，這意味著對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鲾?shù)預(yù)期的上限。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，過(guò)載的網(wǎng)絡(luò)配置百分比。x軸為0 ~ 9000的流量，y軸為配置過(guò)載百分比。這些點(diǎn)的置信區(qū)間用豎條表示。每一個(gè)點(diǎn)都是1000次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

B.基于優(yōu)先級(jí)的TSN調(diào)度方案

在本段中，我們比較了不同調(diào)度方案的相對(duì)效率，它們都完全依賴于優(yōu)先級(jí)的使用：

l FIFO：所有流共享相同的優(yōu)先級(jí)，因此在交換機(jī)和終端系統(tǒng)的輸出端口上具有相同的等待隊(duì)列。

l Users-Priorities：根據(jù)流功能域分配優(yōu)先級(jí)，如表1所示。

l Concise-Priorities ：TFTP流被分配最低的優(yōu)先級(jí)，而其余的優(yōu)先級(jí)由RTaW-Pegase中可用的Concise-Priorities （CP）算法分配。CP是最優(yōu)優(yōu)先級(jí)分配（OPA）算法的一個(gè)變體，該算法最初是為單處理器系統(tǒng)[14]提出的，盡管在本研究中使用的可調(diào)度性分析表明該算法不是最優(yōu)的，但在我們的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)得非常好。

下圖顯示了在RTaW-Pegase中執(zhí)行拓?fù)鋲毫y(cè)試（TST）獲得的數(shù)據(jù)。TST是一個(gè)設(shè)計(jì)空間探索功能，通過(guò)對(duì)人工但現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，估計(jì)由一定數(shù)量的流組成的應(yīng)用程序可以通過(guò)給定的TSN調(diào)度解決方案成功調(diào)度的概率。TST的工作方式是迭代地創(chuàng)建增加規(guī)模的配置，應(yīng)用這些配置，然后通過(guò)可調(diào)度性分析和模擬評(píng)估應(yīng)用程序的時(shí)間約束是否得到滿足（截至?xí)r間和吞吐量）。測(cè)試的主要目的是進(jìn)行靈敏度分析,逐步增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的概率仍然能夠成功地滿足所有流的吞吐量和期限約束組成應(yīng)用程序。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)結(jié)論是“用戶優(yōu)先級(jí)”被FIFO超越。當(dāng)負(fù)載大于2000流時(shí)，用戶優(yōu)先級(jí)的成功率下降到70%以下，而FIFO則為3000流。另一方面，對(duì)于7500個(gè)流量，“簡(jiǎn)明優(yōu)先”的成功率仍然是71%。這表明，優(yōu)先級(jí)分配的方式在滿足時(shí)間限制方面是關(guān)鍵，使用次優(yōu)分配可能比單一優(yōu)先級(jí)類更糟糕。?

由上圖可知特定數(shù)量的流量被完全依賴于優(yōu)先級(jí)的不同調(diào)度解決方案成功調(diào)度的概率。x軸表示從0到9000的流量，y軸表示滿足所有時(shí)間約束的概率。這些點(diǎn)的置信區(qū)間用豎條表示。每個(gè)點(diǎn)是根據(jù)1000次實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來(lái)的。值得注意的是，沒(méi)有使用明顯優(yōu)先級(jí)（FIFO）的解決方案優(yōu)于使用6個(gè)優(yōu)先級(jí)的“用戶優(yōu)先級(jí)”。簡(jiǎn)潔優(yōu)先級(jí)，即由算法分配的8個(gè)優(yōu)先級(jí)，幾乎與“非過(guò)載”網(wǎng)絡(luò)配置的曲線疊加，這意味著在我們的案例研究中，它的表現(xiàn)幾乎是最佳的在我們的具體案例研究中，用戶優(yōu)先級(jí)的成功率迅速下降，因?yàn)閮?yōu)先級(jí)級(jí)別3的視頻流有20ms的延遲限制，這比單一優(yōu)先級(jí)（FIFO）的用戶優(yōu)先級(jí)受到更多的干擾。實(shí)際上，在后一種情況下，只有在到達(dá)之前到達(dá)的數(shù)據(jù)包才會(huì)延遲這些視頻流的數(shù)據(jù)包。第二個(gè)結(jié)論是，由于幾乎所有沒(méi)有超載的網(wǎng)絡(luò)配置（例如，在8500流的負(fù)載下99%）都能被CP成功調(diào)度，所以簡(jiǎn)潔優(yōu)先級(jí)（簡(jiǎn)約優(yōu)先級(jí)，CP）在這里的表現(xiàn)近乎最佳。這意味著，對(duì)于被考慮的用例的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜土髁縼?lái)說(shuō)，在引入其他機(jī)制（如整形、時(shí)間觸發(fā)傳輸或幀搶占）時(shí)，在滿足時(shí)間約束方面沒(méi)有任何好處。然而，這些機(jī)制會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中使用的內(nèi)存產(chǎn)生影響。

Tips：此篇為全文Part2，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注Part3案例部分