时间敏感型网络和确定性网络

作者：Aaron Frank and Mike Southworth

时间敏感网络 （TSN） 是一组以太网网络功能，用于跨标准以太网传输时间敏感数据。最初，TSN源于IEEE 802.1标准音频视频桥接（AVB）工作组，以确保音频和视频数据的独立网络流在正确的时间到达，以确保同步。AVB 还需要保证交付吞吐量和延迟，以避免丢失视频帧等问题。如今，TSN具有新的802.1标准和增强功能，超越了AVB时间同步流，可以支持通过以太网的低延迟，精确的数据传输，适用于更广泛的工业，汽车，航空航天和其他实时通信应用。

传统的国防和航空航天系统依赖于 MIL-STD-1553、ARINC 429 和 CANBus 等经过验证的旧技术来支持时间关键型通信。然而，这些传统数据总线还没有发展到可以应对更快的运行速度的挑战。在民航方面，ARINC 664（AFDX）和时间触发以太网（TTE）等以太网技术已经获得了一定的普及，但这些技术需要大量的前期投资和高经常性成本。更重要的是，这些传统的航空电子解决方案一旦部署就不灵活，无法动态配置。作为英特尔等大多数主要半导体供应商支持的开放标准技术，TSN旨在与当今低成本的现有以太网技术共存。它可以动态工作，使时间敏感的通信通道能够根据需要实时灵活配置和设置。

在国防和航空航天市场，TSN具有巨大的潜力：集成商正在为未来的地面车辆和飞机设想以太网骨干网，不仅支持传统的数据和通信流量，还支持武器系统、自动驾驶汽车和其他历来通过传统数据总线控制的设备。

如上所述，TSN不是一个单一的标准，而是由许多单独的IEEE标准管理和管理的功能集合。TSN使用配置文件方法定义哪一组特定的功能，选项，配置和协议适用于一组特定的TSN应用程序。一些配置文件定义良好，而其他配置文件仍在进行中。例如，SAE和IEEE目前正在就航空航天配置文件（P802.1DP）开展工作，SAE AS6675工作组将其定义为IEEE 802.1DP;这些将侧重于确定性网络的安全性、高可用性和可靠性、可维护性和有限延迟，这些网络的范围是设计保证级别 （DAL）。

TSN技术为嵌入式防御系统提供了几个重要的功能。例如，TSN利用IEEE-1588v2精确时间协议（PTP）在节点之间提供时钟同步。使用标准以太网消息传递，节点可以同步其本地时间时钟，并保持时钟同步准确性。通常，选择一个节点作为主时钟（或者节点可以投票选出最佳主时钟），而其余节点则同步到主节点（或主节点）。时钟可以保持同步，精度低至10 ns。

一旦时钟同步，TSN可用于在节点之间建立确定性通信通道。可以使用保证参数（例如吞吐量、延迟、抖动等）来定义此设置。从节点 A 到节点 B 的路径中参与此设置的所有设备都将保留缓冲区和带宽，并配置队列优先级以满足请求。设置完成后，节点可以与已建立的确定性进行通信。如果不再需要该通道，则可以取消预留，将缓冲区和带宽返回到可能需要它的其他节点。

如今，许多Curtiss-Wright单板计算机（SBC）模块和任务计算机系统（示例，图1）已经可以在不同程度上利用TSN通信，只需要软件支持。例如，大多数 SBC 支持 IEEE-1588v2 的时间同步功能，并且可以支持 PTP 软件守护程序。

随着TSN在国防和航空航天工业中的成熟，领先的商用现货（COTS）供应商将开始将TSN功能整合到其产品中。COTS供应商开始了解TSN的潜在优势，并研究如何随着下一代以太网交换产品的形成而更全面地支持它。

审核编辑：郭婷