HONGKE

下一代航空航天電子真的需要TSN嗎？

以直升機為例（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)由兩個以太網(wǎng)子網(wǎng)組成，在五個端系統(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。下半部分主要與任務(wù)方面有關(guān)。該網(wǎng)絡(luò)中的一些流對客戶完成任務(wù)非常重要，但對飛機安全的影響較小。下文中的traffic flow和traffic stream是指一個發(fā)送方向一個或多個接收方發(fā)送的幀序列（即單播或組播流）。

網(wǎng)絡(luò)拓撲 如下圖所示的上層網(wǎng)絡(luò)是由2臺交換機、40條全雙工鏈路和32個端節(jié)點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。在拓撲結(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上，端系統(tǒng)之間也有直接的點對點連接。

該通信體系結(jié)構(gòu)由兩個在多個終端系統(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，因為這是關(guān)鍵系統(tǒng)的規(guī)范。在表格中，優(yōu)先級是根據(jù)流所屬的功能域的時間約束和臨界度分配的。這是一個合理的基線優(yōu)先級分配，在下文中稱為“用戶優(yōu)先級”。我們假設(shè)流的第一個包是在相對于終端系統(tǒng)的啟動時間有一定傳輸偏移的情況下被釋放的。后續(xù)報文的釋放間隔正好為一個周期。所有流的偏移量都是隨機生成的，精度為5ms。如果沒有偏移量，所有的包有時會在同一時間被釋放（例如時間為0），這是不現(xiàn)實的，因為通常不會為每個軟件任務(wù)分配一個專用的CPU，因此包不會在同一時間被釋放。

ps：在下文提到的性能評估中，流量根據(jù)表中所示的比例逐步增加。無論網(wǎng)絡(luò)負載如何，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）

我們評估不同TSN機制在網(wǎng)絡(luò)負載增長時滿足時間約束的相對能力。對于包含1000個流的特定應(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。所有實驗均使用RTaW-Pegase v3.9.9軟件進行。 在本文中，我們先講過載分析和基于優(yōu)先級的TSN調(diào)度方案，在下一篇part3中，我們將繼續(xù)詳細分析整形和搶占以及內(nèi)存方面。

A. 過載分析

?如果一個網(wǎng)絡(luò)配置中至少有一條鏈路的負載大于100%，則該網(wǎng)絡(luò)配置是過載的。這樣的配置是不可接受的，因為數(shù)據(jù)包必然會丟失，因為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)存空間不是無限的。過載分析是一種粗粒度的評估，獨立于TSN QoS機制，對給定網(wǎng)絡(luò)拓撲可以支持的流量進行評估。它包括測量當流的數(shù)量增加時過載的網(wǎng)絡(luò)配置的百分比，如下圖所示。過載分析提供了網(wǎng)絡(luò)容量的上限，因為所選的TSN調(diào)度機制可能無法成功調(diào)度所有非過載的配置。

我們在下圖中觀察到，超過6000流網(wǎng)絡(luò)才會開始過載，這表明，如果按照截止時間等于周期，基于一個合適的TSN調(diào)度解決方案，網(wǎng)絡(luò)很可能能夠支持傳輸一個重要的負載。然而，在超過7000流后，曲線急劇增加，這意味著對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鲾?shù)預期的上限。

當網(wǎng)絡(luò)負載增加時，過載的網(wǎng)絡(luò)配置百分比。x軸為0 ~ 9000的流量，y軸為配置過載百分比。這些點的置信區(qū)間用豎條表示。每一個點都是1000次實驗的結(jié)果

B.基于優(yōu)先級的TSN調(diào)度方案

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

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

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

l Concise-Priorities ：TFTP流被分配最低的優(yōu)先級，而其余的優(yōu)先級由RTaW-Pegase中可用的Concise-Priorities （CP）算法分配。CP是最優(yōu)優(yōu)先級分配（OPA）算法的一個變體，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，但在我們的實驗中表現(xiàn)得非常好。

下圖顯示了在RTaW-Pegase中執(zhí)行拓撲壓力測試（TST）獲得的數(shù)據(jù)。TST是一個設(shè)計空間探索功能，通過對人工但現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)配置進行重復實驗，估計由一定數(shù)量的流組成的應(yīng)用程序可以通過給定的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，然后通過可調(diào)度性分析和模擬評估應(yīng)用程序的時間約束是否得到滿足（截至時間和吞吐量）。測試的主要目的是進行靈敏度分析,逐步增加網(wǎng)絡(luò)負載和網(wǎng)絡(luò)測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。

這個實驗的第一個結(jié)論是“用戶優(yōu)先級”被FIFO超越。當負載大于2000流時，用戶優(yōu)先級的成功率下降到70%以下，而FIFO則為3000流。另一方面，對于7500個流量，“簡明優(yōu)先”的成功率仍然是71%。這表明，優(yōu)先級分配的方式在滿足時間限制方面是關(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軸表示滿足所有時間約束的概率。這些點的置信區(qū)間用豎條表示。每個點是根據(jù)1000次實驗計算出來的。值得注意的是，沒有使用明顯優(yōu)先級（FIFO）的解決方案優(yōu)于使用6個優(yōu)先級的“用戶優(yōu)先級”。簡潔優(yōu)先級，即由算法分配的8個優(yōu)先級，幾乎與“非過載”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)先級的成功率迅速下降，因為優(yōu)先級級別3的視頻流有20ms的延遲限制，這比單一優(yōu)先級（FIFO）的用戶優(yōu)先級受到更多的干擾。實際上，在后一種情況下，只有在到達之前到達的數(shù)據(jù)包才會延遲這些視頻流的數(shù)據(jù)包。第二個結(jié)論是，由于幾乎所有沒有超載的網(wǎng)絡(luò)配置（例如，在8500流的負載下99%）都能被CP成功調(diào)度，所以簡潔優(yōu)先級（簡約優(yōu)先級，CP）在這里的表現(xiàn)近乎最佳。這意味著，對于被考慮的用例的網(wǎng)絡(luò)拓撲和流量來說，在引入其他機制（如整形、時間觸發(fā)傳輸或幀搶占）時，在滿足時間約束方面沒有任何好處。然而，這些機制會對網(wǎng)絡(luò)中使用的內(nèi)存產(chǎn)生影響。

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