机载时间敏感网络关键技术研究.pdf

引用格式:孟悦王世奎刘智武.机载时间敏感网络关键技术研究.航空计算技术():.():.机载时间敏感网络关键技术研究孟 悦王世奎刘智武(航空工业西安航空计算技术研究所陕西 西安)摘 要:现有的机载网络受限于特定协议与支持的信息流种类难以为航空电子系统提供混合安全、灵活配置的多业务通信服务统一网络应运而生的时间敏感网络能够满足下一代航空电子系统网络的发展要求 针对下一代机载网络需求对时间敏感网络进行研究主要从时间同步、流量调度、可靠性提高和网络配置四个方面进行了论述重点阐述各个关键技术的解决方法为研发下一代时间确定性、低传输延时、高可靠性和高安全性机载网络提供了可借鉴的技术途径关键词:时间敏感时间同步流量调度可靠性中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言随着新一代作战平台应用逐渐向多任务、多形态、大纵深、强协同的方向发展航空电子系统也由封闭式模式向分布式开放型系统架构转换机载网络系统作为机载系统设备及应用的信息共享基础平台需要具备开放兼容、柔性接入、可靠传输服务和灵活的软件定义和自主控制能力并提供确定性、高带宽、低延时、更加灵活的实时数据传输和多业务统一化传输服务但现有机载网络均受限于特定的协议和支持的信息流种类无法为航空电子系统提供混合安全灵活动态的多业务统一网络基于技术、产品和生态开放的以太网基础时间敏感网络()提供了确定性传输和多业务传输的能力成为符合机载航空电子系统发展趋势的网络 网络不仅允许周期性与非周期性数据在同一以太网络中传输具有确定性传输的优势支持多种业务的混合传输而且同时保留了对传统机载信息系统以太网网络设备的兼容能力具备良好的兼容性、开放性和通用性 时间敏感网络概述 年.工作组成立音视频桥接()任务组并在随后几年成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题收稿日期:修订日期:基金项目:航空工业创新项目资助()作者简介:孟 悦()女陕西渭南人工程师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .是新型的以太网技术目标是解决传统以太网无法满足网络端到端确定性和低延时传输的需求 除车载领域外 年以来电力网络、舰载、机载等领域逐步开展了 网络的研究与技术验证 国外、国内正逐步结合相关领域要求开展 网络标准的研究进行网络相关技术的探索工作 在网络数据链路层提供一套通用的确定性传输机制不仅为以太网数据传输提供了确定性传输的能力又为不同网络协议(如/、)之间的互操作提供了可能性 经过长期的发展时间敏感网络(已形成较为完备的标准协议体系如图 所示图 网络标准协议发展进程 机载时间敏感网络关键技术研究机载网络是由多个分布式节点互联构成具备安全可靠传输特性的网络在网络传统的技术特性基础上网络的实时性、确定性、安全性成为支撑未来机载系统设计考虑的重要因素 在传统以太网基础上使用精准时钟同步机制通过带宽预留和数据流量调度策略提高网络数据传输效率降低数据传输时延提高网络服务质量()同时兼容现有网络技术集成不同关键等级业务的混合传输为下一代机载平台提供安全开放灵活的统一网络本文通过分析未来机载网络需求选择了符合机载信息系统应用特征的 标准.时钟同步提供精准的网络时钟同步机制是机载确定性网络的基本要求在 标准协议簇中.协议提供了亚微秒级的通用精确时间同步机制()该标准基于 精确时间同步协议实现网络时钟同步机制 通过执行最佳主时钟算法()来确定最优的时钟源以及备份最佳时钟源协商和建立设备之间的主从关系 主时钟()周期性地发送同步报文给各个从时钟节点从时钟节点根据接收到的时钟同步报文修正本地时钟使网络达到统一的全局时间 同时增加多个时域进行时间同步的功能既能在某域内 时钟发生故障时实现快速切换到其他域的功能又能提高时间精度.时钟同步过程如图 所示:)交换机主时钟周期性地发送 报文给网络接口从时钟同时记录报文的发送时刻)主时钟将 报文的发送时刻 封装至后继 报文中并发送至从时钟从时钟记录 报文到达时刻)从时钟发送延迟请求 报文给主时钟同时记录下发送时刻)主时钟获得 报文时记录下接收时刻 并发送延迟响应 报文给网络接口通过上述过程计算出从时钟与主时钟之间的时间偏差修正本地时钟完成时间同步图 网络时钟同步过程.流量调度数据调度是保证时间敏感的基础其核心思想是基于不同的流量整形器进行不同应用场景的流控制不同流量调度算法进行组合可实现网络的有界低延时、实时性和确定性各种整形器主要在数据链路层为网络提供不同流量的延时服务质量保障.基于信用的流量整形器.协议通过定义优先级映射和队列带宽占用算法为时间敏感(有限的时延和抖动)数据业务提供性能保证 .标准的主要技术包含流预留协议()、年 月孟 悦 等:机载时间敏感网络关键技术研究 算法以及严格的优先级算法 其中 协议指定了流在域边界处的优先级再生和域内的优先级映射机制 为了避免传统以太网流量的干扰交换机将时间敏感数据帧作为最高优先级采用严格优先级算法进行调度而其它非时间敏感流量则采用 算法进行调度因此对时间敏感数据流帧和普通数据流帧的调度进行了区分 的工作原理如图 所示对于每一个采用 算法作为其传输选择算法的队列均维持一个有界的信用值 其变化可分为以下几种情况:)当队列中有数据帧处于等待传输状态时该队列对应的信用按照 的速率增长)当队列中的数据帧正在进行传输时该队列对应的信用按照 的速率减小)当前队列为空且信用值大于 时则将 直接清)只有当队列的信用值非负时队列才满足传输条件图 工作原理 的优点是通过调整 和 的值使得每个队列最大数据流不超过配置的带宽限值 通过设置 和 的差值可控制突发数据的缓冲深度防止数据丢失使发送的网络包更平滑并保证高优先数据的优先传输 由于 整形器的延迟比较大所以 整形算法很少单独使用需与其他调度策略配合使用.基于时间的流量整形器 的核心原理是基于时间的流量调度和管理在 .中提出了时间感知整形器()的机制 用于延时要求更高的控制数据调度采用预先设定的周期性门控列表动态地为出口队列提供开/关控制的机制 工作原理如图 所示数据流进入 交换机后设备根据流特征将时间敏感流、非时间敏感流映射到 个不同接口的队列中然后通过 控制队列中的数据流 在 中引入了传输门()的概念传输门有“开”、“关”两个状态数据流只有在状态为开时才能被传输而门状态在 中定义 流控功能周期执行门控列表对队列中报文的转发进行调度能够保障对传输时间要求严格队列的带宽和时延图 工作原理为了确保受保护时间敏感流的传输不被之前数据帧传输扰有必要设置一个时隙保护带以确保最后一次未受保护的传输提前完成 在保护时间窗口内不允许传输新的未受保护的数据流.循环排队与转发调度技术复杂的网络传输路径拓扑和各种干扰都会导致延时增加因此 的调度最坏延时与拓扑紧密相关.中提出的循环队列转发机制或蠕动整形机制可以用于改善这一短板.定义了蠕动整形器()机制通过同步控制入队和出队的策略使得转发过程在一个周期内实现以便使数据流经过交换机的时间更具确定性 如图 所示 模型将全网时间划分为长度固定为 的连续时间槽用 表示若交换机 在时间槽 中的 时刻从链路上接收到数据帧 则必须在 时间槽中的某个时刻 输出到链路上因此 经 交换的延时控制在之间在整个交换机路径上的传输延迟在()()之间图 蠕动整形器机制 协议通常需与 .协议配合使用其中 标准会根据到达时间、速度、带宽对网桥 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期节点输入的每个队列进行过滤和监管用于带宽保护、增加对 流以及错误的处理使数据流在流入到不同的优先级队列中并在适当的时间传输出去.帧抢占机制在 网络中低优先级的数据流可能造成高优先级数据流不能及时传输存在优先级帧传输延时过大的问题 因此 网络标准推出了定义帧抢占机制的.和.标准允许高优先级帧中断当前帧的传输然后再继续传输之前被中断的消息为高优先级的帧提供了带宽和时延的保障帧抢占运行在网络数据链路层工作原理如图 所示低速帧在传输过程中高速帧到达并需要传输此时高速帧需要发送帧抢占请求交换机接收到帧抢占请求后判断当前低速帧是否满足切片条件若条件允许则中断当前低速帧的传输并续接校验和与头部信息组成完整数据帧 一个时间间隔后开始传输高速帧高速帧传输完成后在低速帧未发送部分头部添加新前导码并传输 若切片条件不允许则不允许高速帧中断低速帧的传输图 帧抢占机制帧抢占通过抢占低速帧的传输来减少高速帧的排队时间降低高速帧传输时延确保了高优先级单帧端到端延迟和抖动的最坏情况下的上限 帧抢占机制需要专用的硬件电路完成增加了硬件的复杂度.选型论证分析针对机载信息系统确定性、低延时、高可靠和高安全性需求对本小节所论述的 种流量调度方法进行了分析并选用出适用于机载信息系统的 流量调度机制具体对比分析见表.高可靠性.协议定义了以太网中实现冗余传输的方案提出可靠性的帧复制与删除机制()用来提高通信业务的可靠性 该协议许在网络中通过不同路径同时发送重复消息的副本在接收端对接收到的冗余路径上的副本进行处理以解决关键性数据因单链路出现的丢包问题从而提高网络可靠性 为实现数据流沿不同路径的传输需要多个节点配合实现各节点需具备不同的 功能以共同实现数据的冗余传输 功能组件组成如表 所示表 标定结果统计表调度机制论证分析推荐与否基于信用的流量调度帧发送时信用量降低等待时信用量增加信用量大于 时才允许发送 能够限制突发流量和低优先级数据饿死问题推荐基于时间的流量调度在预定时间窗口输出提供 优先级缓存队列支持不同 传输服务推荐面向时间片的确定性调度每个周期执行一个动作能够保证从源到目的端的延迟确定 但存在带宽带费的问题不推荐将数据帧分为快速帧和可抢占帧保证快速帧的优先传输 但是由于帧的抢占行为会对通信系统可靠性造成影响并且在 /速率下传输速度 无需进行抢占不推荐表 功能组件作用序号 功能组件标识符 功能组件的作用 流识别功能识别需经过 组件处理的数据包 编号功能包含序号生成功能、序号恢复功能及潜在错误检测/序号编码/解码功能将数据包编号编码至以太网帧中或从以太网帧解码数据包编号 流分离功能使复制的数据包沿不同路径传输实现分离 帧恢复功能用于检测某节点流故障冗余传输网络工作原理如图 所示 是数据流的 端 是数据流的 端两者之间有多个交换机终端 不具备 功能需由交换机 代理此时 成为 的 代理 虚线表示数据流及其流动方向椭圆框表示节点具备 功能 不同端节点配置 不同功能组件功能共同实现通信业务的可靠性传输图 工作原理.可用于实现机载网络中关键数据的冗余传输适用于对数据传输有高可靠性需求的应用使用时间敏感网络流量调度协议再配合 可实现机 年 月孟 悦 等:机载时间敏感网络关键技术研究 载网络数据传输的可靠性传输更好地满足机载系统需求及传输服务质量.网络配置面向时间敏感网络应用提供 种用户网络配置模型即纯分布式配置模型、集中式/分布式用户配置模型和纯集中式配置模型用户可根据实际应用需要选择不同的网络配置模型 工作原理如图 所示 在全分布式模式包含用户流的终端直接通过 用户/网络协议传达用户需求没有集中的网络配置实体 在纯集中式配置模型中集中式用户配置()用于发现 和收集、的能力集和用户需求集中式网络配置()通过与 交互 协议获取用户需求 在集中式网络/分布式用户配置模型中网桥通过与/交互 协议完成用户需求收集并作为代理将用户需求发送给 其中使用远程管理协议(如、和 等)图 配置模式 对于整个网络而言使用高效、易用的集中式网络配置模型与方法可以获得每个终端节点、网桥节点的资源、带宽、数据负载、目标地址、时钟等信息并方便汇集到中央节点进行统一调度达到最优的网络配置与管理效率 结束语本文基于新一代机载信息系统需求结合时间敏感网络标准从时间同步、流量调度、可靠性保障和配置管理 个方面研究分析了时间敏感网络的核心关键性技术为时间敏感网络在机载信息系统的应用中提供了可行的技术途径以期满足机载信息系统对于确定性、低延时、高可靠和高安全性的网络传输要求下一步考虑结合软件定义网络()思想细化 网络需求、设计方案和实现途径研发针对机载信息系统的 网络为实现新一代机载信息系统的多业务统一化网络通信奠定基础参考文献:杨伟.关于未来战斗机发展的若干讨论.航空学报():.黄韬汪硕黄玉栋等.确定性网络研究综述.通信学报():.张磊王盼盼.时间敏感网络流量整形技术综述.微电子学与计算机():.孔璇张双刘智武.机载时间敏感网络流量调度算法性能研究.计算机测量与控制():.宋华振时间敏感型网络技术综述.自动化仪表():.航 空 计 算 技 术 第 卷第 期