虹科技術(shù) | 如何用TSN流識(shí)別技術(shù)破解航空電子網(wǎng)絡(luò)的傳輸難題？

導(dǎo)讀：隨著航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，航空電子網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如多網(wǎng)絡(luò)并行傳輸、高帶寬需求以及確保數(shù)據(jù)傳輸的確定性等。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，航空電子網(wǎng)絡(luò)急需一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足布線簡(jiǎn)單、供應(yīng)商多、組網(wǎng)成本相對(duì)較低等要求。而以太網(wǎng)技術(shù)，特別是TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）的出現(xiàn)，為航空電子網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的解決方案。本文將重點(diǎn)介紹TSN流識(shí)別技術(shù)在航空電子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，以及如何通過(guò)適應(yīng)航空電子網(wǎng)絡(luò)的TSN流識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的航空電子網(wǎng)絡(luò)傳輸。

一、航空電子網(wǎng)絡(luò)面臨挑戰(zhàn)

航空航天業(yè)專(zhuān)用協(xié)議包括AFDX、ARINC等，這些協(xié)議帶寬較低且供應(yīng)商稀少，而又由于多網(wǎng)絡(luò)的平行傳輸，因此沒(méi)有一個(gè)特定的協(xié)議能夠適用于一架飛機(jī)的所有子系統(tǒng)，組網(wǎng)成本高昂，系統(tǒng)布線也很復(fù)雜。航空航天網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，布線簡(jiǎn)單、供應(yīng)商多、組網(wǎng)成本相對(duì)較低，同時(shí)滿足確定性傳輸、低延時(shí)、低抖動(dòng)、冗余機(jī)制和高帶寬的要求。

二、現(xiàn)有航空電子網(wǎng)絡(luò)中的流識(shí)別和潛在的TSN用例場(chǎng)景

在航空電子設(shè)備當(dāng)中，通常由舊有應(yīng)用、以及認(rèn)證的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)棧+端站(硬件-例如arinc664終端系統(tǒng)）組成航電設(shè)備，外部通過(guò)航空交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

應(yīng)用1：整合TSN交換機(jī)與TSN終端

應(yīng)用1-1：將LRU與TSN交換機(jī)做結(jié)合，對(duì)于航空交換機(jī)而言，采用TSN機(jī)進(jìn)行替代。其中TSN交換機(jī)使用組播DMAC來(lái)執(zhí)行流量監(jiān)管和轉(zhuǎn)發(fā)，TSN交換機(jī)需要具備N(xiāo)ull Stream Identification能力。

應(yīng)用1-2：通過(guò)將TSN端點(diǎn)的功能集成到航電設(shè)備當(dāng)中，外部依舊采用舊有航空交換機(jī)，終端系統(tǒng)使用組播DMAC執(zhí)行流量整形和幀復(fù)制消除FRER，TSN端點(diǎn)須具備N(xiāo)ull Stream Identification能力。

應(yīng)用2：TSN終端集成進(jìn)航空電子設(shè)備

應(yīng)用2-1：通過(guò)將專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和TSN協(xié)議堆棧相結(jié)合，在航電設(shè)備當(dāng)中添加TSN終端網(wǎng)卡MAC，實(shí)現(xiàn)TSN終端在航電設(shè)備中的集成，外部依舊采用航空交換機(jī)進(jìn)行通信。此時(shí)交換機(jī)使用組播DMAC來(lái)執(zhí)行流量監(jiān)管和轉(zhuǎn)發(fā)，TSN端點(diǎn)需要具備N(xiāo)ull Stream Identification能力。

應(yīng)用2-2：通過(guò)操作系統(tǒng)和協(xié)議堆棧的方式，進(jìn)行TSN端系統(tǒng)功能的添加，此時(shí)堆棧進(jìn)行幀的產(chǎn)生。并且L2&L3的報(bào)文頭遵循尋址約定，以符合集成商網(wǎng)絡(luò)慣例，對(duì)于交換機(jī)需要具備N(xiāo)ull Stream Identification能力，同時(shí)TSN端點(diǎn)需要具備IP + Active MAC Identification的能力。

應(yīng)用3：將現(xiàn)有應(yīng)用/操作系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡(luò)集成

應(yīng)用3-1：通過(guò)操作系統(tǒng)和協(xié)議堆棧的方式，進(jìn)行TSN端系統(tǒng)功能的添加，并且外部采用TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。此時(shí)系統(tǒng)以及堆棧進(jìn)行幀的產(chǎn)生。L2&L3的報(bào)文頭遵循尋址約定，以符合集成商網(wǎng)絡(luò)慣例。堆棧進(jìn)行幀的產(chǎn)生。L2和L3標(biāo)頭遵循尋址約定，以符合集成商網(wǎng)絡(luò)慣例。

應(yīng)用3-2：

• 網(wǎng)絡(luò)集成商可能需要一個(gè)完全確定的網(wǎng)絡(luò)回程，但仍然允許盡力而為，COTS以太網(wǎng)參與的設(shè)備。
• TSN可以通過(guò)利用TSN橋來(lái)形成流、管理并在網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行FRR來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)新的用例網(wǎng)絡(luò)的回程
• TSN橋：Null Stream + IP + Active MAC Identification
• TSN IP&硬件HW提供對(duì)Null Stream的支持

現(xiàn)代 FPGA 和可重構(gòu)平臺(tái)的長(zhǎng)期供應(yīng)、靈活性和集成能力使這些器件成為航空航天和國(guó)防市場(chǎng)中新型嵌入式器件的首選技術(shù)。其次，在對(duì)數(shù)據(jù)采集單元和COTS子系統(tǒng)的低延遲、高帶寬和互操作性的需求的推動(dòng)下，A&D行業(yè)正在以太網(wǎng)上融合。

三、FRER在RELY-TSN交換機(jī)中流識(shí)別原理

虹科RELY-TSN交換機(jī)

1、內(nèi)涵

在IEEE802.1CB中定義的TSN流識(shí)別（Stream Identification）是FRER中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。它有兩個(gè)主要目標(biāo)：

• 確定傳入的幀是否屬于TSN流。
• 為標(biāo)識(shí)流中的數(shù)據(jù)包分配一個(gè)名為stream_handde的本地重要的整數(shù)值。

2、功能

Switch支持各種流識(shí)別功能，包括空流識(shí)別、源MAC和VLAN流識(shí)別、主動(dòng)目標(biāo)MAC和VLAN流識(shí)別、掩碼和匹配流識(shí)別。這些函數(shù)決定了哪些參數(shù)用于計(jì)算流句柄值。

3、主動(dòng)/被動(dòng)流識(shí)別

流標(biāo)識(shí)可以是主動(dòng)的，也可以是被動(dòng)的。在被動(dòng)模式下，識(shí)別參數(shù)在出口（輸出幀）中保持不變，而在主動(dòng)模式下，則可以在出口期間覆蓋這些參數(shù)。SWICTH同時(shí)支持這兩種識(shí)別類(lèi)型。

4、協(xié)同工作

Swicth可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)TSN流識(shí)別功能，最多4個(gè)。該功能允許通過(guò)不同的函數(shù)來(lái)識(shí)別不同的數(shù)據(jù)流。在流由多個(gè)函數(shù)標(biāo)識(shí)的情況下，與流關(guān)聯(lián)的流句柄由根據(jù)GUI中配置的順序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的第一個(gè)流標(biāo)識(shí)函數(shù)確定。

5、計(jì)算器監(jiān)控

該交換機(jī)提供了基于每個(gè)端口的監(jiān)控流識(shí)別的計(jì)數(shù)器。

四、RELY-TSN交換機(jī)中流識(shí)別配置

添加NULL條目

RELY-TSN交換機(jī)

虹科RELY-TSN交換機(jī)可用于無(wú)縫實(shí)施確定性以太網(wǎng)，該器件基于SoC-e的TSN技術(shù)在最苛刻的行業(yè)（鐵路、航空航天、汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化等）中使用的可靠且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。該設(shè)備可用作提供4/12/20個(gè)多媒體千兆以太網(wǎng)端口和1個(gè)內(nèi)部端口的TSN Bridge，可與市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品互操作。虹科RELY-TSN交換機(jī)支持市場(chǎng)上數(shù)量最多的TSN標(biāo)準(zhǔn)，這使其適用于任何特定的配置文件。這些關(guān)鍵功能使虹科RELY-TSN交換機(jī)成為用于關(guān)鍵環(huán)境的最可靠和多功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理的配置和優(yōu)化，TSN流識(shí)別技術(shù)能夠?yàn)楹娇针娮泳W(wǎng)絡(luò)提供高效、可靠的傳輸服務(wù)，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)τ诟邘挕⒌脱舆t和確定性傳輸?shù)男枨?。未?lái)，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，我們期待TSN流識(shí)別技術(shù)在航空電子網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更大的作用。

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