面向航天器的時間敏感網(wǎng)絡技術應用研究

曹素芝， 余子晗，2， 劉 鵬， 李煥菁，2

(1.中國科學院空間應用工程與技術中心， 北京 100094； 2.中國科學院大學， 北京 100049)

1 引言

航天器網(wǎng)絡是航天電子系統(tǒng)的重要組成部分，目前主要使用FC-AE-1553、航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)和SpaceWire 等技術來構建航天器網(wǎng)絡[1]。 隨著航天技術的快速發(fā)展和新型應用場景的出現(xiàn)，航天器網(wǎng)絡對于承載流量帶寬、端到端時延的要求不斷提高[2-4]。 而國內(nèi)現(xiàn)有航天器網(wǎng)絡技術存在接口種類繁多、沒有統(tǒng)一的硬件架構、缺乏統(tǒng)一標準、智能化設計水平不高和開發(fā)成本高昂等問題，無法適應航天電子系統(tǒng)綜合化發(fā)展的需求。 時間敏感網(wǎng)絡(Time Sensitive Network， TSN)基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術，通過流量調(diào)度、時間同步等機制使以太網(wǎng)支持高可靠、低時延特性，具有在航天器網(wǎng)絡上應用的潛力。

為實現(xiàn)在航空航天、車載、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領域的兼容性，時間敏感網(wǎng)絡系列標準存在過于龐大的問題，需針對具體的應用領域?qū)藴首暹M行取舍[5-6]。 目前，對于時間敏感網(wǎng)絡在航天領域適用的垂直行業(yè)標準IEEE 802.1DP 處于討論階段，有必要對現(xiàn)有主流時間敏感網(wǎng)絡調(diào)度技術在航天器上的適應性進行研究。 Chaine 等[7]對航天適用的時間敏感網(wǎng)絡技術進行探討，但缺乏對多種調(diào)度機制對網(wǎng)絡時延性能影響的研究。 Simon 等[8]使用OMNeT＋＋網(wǎng)絡仿真軟件對時間敏感網(wǎng)絡調(diào)度機制時延進行研究，但僅局限于簡單網(wǎng)絡拓撲，不適用于復雜的航天器網(wǎng)絡拓撲。

本文從航天電子系統(tǒng)網(wǎng)絡對高帶寬、低時延和確定性的需求出發(fā)，對時間敏感網(wǎng)絡技術在航天電子系統(tǒng)上的應用進行適應性分析。 針對航天器網(wǎng)絡拓撲和航天器網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務類型，在典型場景中應用時間敏感網(wǎng)絡相關調(diào)度機制，并基于時延分析軟件RTaW-Pegase，對航天器網(wǎng)絡應用時間敏感網(wǎng)絡技術前后不同數(shù)據(jù)業(yè)務的端到端時延進行仿真驗證，明確在面向航天器網(wǎng)絡的基礎架構上應用時間敏感網(wǎng)絡的可行性。

2 需求分析與架構設計

2.1 航天器數(shù)據(jù)業(yè)務需求分析

以歐洲航天局的SAVOIR 星上參考架構中的分類為例，航天器網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型可以劃分為多種類型，不同的星上數(shù)據(jù)傳輸類型其傳輸頻率及數(shù)據(jù)量不等，對時延和抖動的要求也有所區(qū)別。 針對航天器網(wǎng)絡中不同的數(shù)據(jù)業(yè)務需求，航天器網(wǎng)絡應至少滿足如下需求[7]:

1) 能夠支持幾十個端系統(tǒng)接入，以滿足航天器平臺上各類傳感器、執(zhí)行器和科研設備的接入需求。

2) 網(wǎng)絡中能夠同時處理高速率和低速率數(shù)據(jù)流，即能同時滿足平臺網(wǎng)絡和載荷網(wǎng)絡的流量傳輸需求。

3) 網(wǎng)絡能夠在應對低延遲和低抖動流量傳輸?shù)耐瑫r，保證對延遲和抖動不敏感但吞吐率大的流量的傳輸。 能夠適配盡力而為流、帶寬敏感流和時延敏感流等不同流量的業(yè)務需求。

4) 網(wǎng)絡機制簡單，方便對網(wǎng)絡質(zhì)量進行分析和對網(wǎng)絡參數(shù)進行配置。

2.2 航天器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

圖1 展示了一個符合SAVOIR 參考架構的典型衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。 航天器平臺通常根據(jù)功能不同劃分為2 個相互連通的網(wǎng)絡:平臺網(wǎng)絡及有效載荷網(wǎng)絡。 平臺網(wǎng)絡負責傳輸航天器上各個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與航天器控制相關的命令，這些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小，但對時延要求敏感；有效載荷網(wǎng)絡負責傳輸航天器上各個有效載荷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量往往較大。 圖1 標明了2種網(wǎng)絡的范圍，并體現(xiàn)出了平臺網(wǎng)絡中一些典型星載傳感器的連接方式。

圖1 典型衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結(jié)構Fig.1 Typical satellite network topology

航天器的運行環(huán)境特殊，要求衛(wèi)星網(wǎng)絡的運行平穩(wěn)可靠，在出現(xiàn)單點故障等突發(fā)狀況時依然能夠正常運行。 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的冗余設計，包括同分支冗余、交叉分支冗余、跨層冗余、雙端口冗余和主備雙機等，能夠確保衛(wèi)星網(wǎng)絡滿足上述要求。 以圖1 中的網(wǎng)絡為例，電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、星載計算機與星載傳感器都有主備2 套，有效載荷有2 個端口分別連接2 臺互為備份的開關設備，實現(xiàn)雙冗余交換。

基于時間敏感網(wǎng)絡的航天器網(wǎng)絡在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構上與傳統(tǒng)航天器網(wǎng)絡并無差別，僅需將時間敏感網(wǎng)絡技術和網(wǎng)絡中其他技術進行橋接，作為統(tǒng)合各種接口技術的橋梁，以此應用于航天器網(wǎng)絡，應用方案如圖2 所示。 以時間敏感網(wǎng)絡作為航天器的骨干網(wǎng)部分，與當前航天器網(wǎng)絡現(xiàn)有的各種總線進行連接，可以支持多種網(wǎng)絡架構組成混合網(wǎng)絡拓撲，對傳統(tǒng)載荷和特殊需求載荷提供傳統(tǒng)接口，對新引入的商用現(xiàn)貨以太網(wǎng)設備提供以太網(wǎng)接口，保證與現(xiàn)有航天網(wǎng)絡技術的兼容性，以實現(xiàn)多種業(yè)務類型的共網(wǎng)傳輸。

圖2 TSN 與傳統(tǒng)航天器網(wǎng)絡相結(jié)合的網(wǎng)絡架構Fig. 2 Network architecture combining TSN with traditional spacecraft network

3 調(diào)度機制與時延分析

航天器網(wǎng)絡對低時延、高可靠性、高確定性和QoS 均有需求。 在時間敏感網(wǎng)絡中傳輸?shù)目煽啃砸揽縄EEE 802.1CB 標準來保障，通過冗余備份在物理上提高可靠性。 同時調(diào)度機制對時間敏感網(wǎng)絡中的精確時延估算影響很大。 因此需要適合的調(diào)度機制來保障服務質(zhì)量，實現(xiàn)確定性有效傳輸，并根據(jù)選擇的調(diào)度機制進行精確時延計算。

3.1 調(diào)度機制與適配分析

對于航天數(shù)據(jù)業(yè)務場景，需要結(jié)合實際應用流量需求，選取如表1 所示3 個調(diào)度機制簡化網(wǎng)絡調(diào)度復雜度，同時縮短配置表項數(shù)量。

表1 適合航天器網(wǎng)絡的調(diào)度機制Table 1 Scheduling mechanism suitable for spacecraft network

1) 時間感知整形器。 時間感知整形器由IEEE 802.1Qbv 標準定義，可將數(shù)據(jù)幀劃分為1 ～8 個不同的靜態(tài)優(yōu)先級[9]，其作用機制如圖3 所示。 而對于數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級區(qū)分可以通過IEEE 802.1Q 規(guī)定的以太網(wǎng)VLAN 字段中的3 bit 優(yōu)先級字段來區(qū)分。

圖3 時間感知整形器Fig.3 Time aware shaper

時間感知整形器對于每個優(yōu)先級隊列引入了傳輸門，傳輸門有開、關2 個狀態(tài)。 傳輸?shù)倪x擇過程僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是開狀態(tài)的信息，而這些門的狀態(tài)由門控制列表定義。 門控制列表每隔一段時間切換狀態(tài)，通過不斷循環(huán)執(zhí)行門控制列表實現(xiàn)時間感知整形。

2) 幀搶占機制。 為了解決時間感知整形器中存在的保護帶對帶寬的占用問題和低優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，IEEE 802.1Qbu 規(guī)定了幀搶占機制[10]。將數(shù)據(jù)幀按照優(yōu)先級分為可被搶占(低優(yōu)先級幀)和不可被搶占(高優(yōu)先級)2 種。 當高優(yōu)先級幀準備好傳輸時，若此時低優(yōu)先級的幀仍在占用傳輸隊列，則高優(yōu)先級幀可以搶占其傳輸，等高優(yōu)先級幀傳輸完成再恢復低優(yōu)先級幀的傳輸。 幀搶占機制的引入降低了高優(yōu)先級幀的傳輸?shù)却龝r間。

3) 預整形機制。 預整形機制是對時間感知整形器的進一步優(yōu)化，對于流量在中繼節(jié)點的傳輸過程不做處理，而在流量注入網(wǎng)絡的端節(jié)點進行操作[11]。 預整形要求在端節(jié)點對于流量注入網(wǎng)絡中的時間進行規(guī)劃，在滿足端到端時延約束的情況下，盡量保持一個合理的流量注入網(wǎng)絡的時間間隔，從而減少網(wǎng)絡中高優(yōu)先級流量可能出現(xiàn)的延遲，以提高網(wǎng)絡傳輸性能。

通過上述3 種時間敏感網(wǎng)絡的調(diào)度機制，基本上可以滿足航天器網(wǎng)絡中的流量傳輸需求。

3.2 基于網(wǎng)絡演算的精確時延分析

網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)幀在端到端傳輸?shù)臅r延可以定義為從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑中，在每一跳節(jié)點出現(xiàn)延遲的總和。 其中，時延可根據(jù)類型不同分為數(shù)據(jù)存儲時延、鏈路傳播時延、交換機處理時延等類型，這些時延可近似為一個確定值進行計算。 因此，對一條應用流，分析其流經(jīng)的每一條中繼節(jié)點而產(chǎn)生的時延，則可計算出該流的端到端時延。

在時間敏感網(wǎng)絡中，其流量調(diào)度機制主要由時間感知整形機制實現(xiàn)，相應優(yōu)先級的流量僅能在其對應優(yōu)先級的門控狀態(tài)為開的情況下傳輸，故該機制將產(chǎn)生額外的門控列表開關等待時延。根據(jù)網(wǎng)絡拓撲中不同的應用流量情況，中繼節(jié)點應用的門控列表也會相應發(fā)生改變，這對端到端時延帶來了不確定性，因此，為確定時間敏感網(wǎng)絡的端到端時延特性，需要分析流量傳輸中的各個過程，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡的精確時延預估。

為了確定數(shù)據(jù)傳輸時受突發(fā)流量干擾情況下的網(wǎng)絡延遲性能，而發(fā)展出了網(wǎng)絡演算理論。 網(wǎng)絡演算使用基于最小加代數(shù)的理論工具，由到達曲線、服務曲線和推算定理3 個部分組成[12-13]。

1)到達曲線:一條流可由累積函數(shù)R來表示，R(t) 是該流在時間t內(nèi)發(fā)送的總比特數(shù)。 給定廣義增函數(shù)α， 當滿足?t，s≥0，R(t＋s)-R(t) ≤α(s)，則稱流R有到達曲線α。

2)服務曲線:接收并對流進行轉(zhuǎn)發(fā)的服務器S反映了輸入累積函數(shù)R和輸出累積函數(shù)R′ 直接的關系，且滿足R′≤R。 則說明流R經(jīng)過服務器S轉(zhuǎn)發(fā)并生成相應的輸出流R′。 如果對于任意時刻t，R′≥R⊕β，這樣的服務器S具有服務曲線β。

對于一條流Ri，在其途經(jīng)節(jié)點k(1 ≤k≤n)的輸出曲線和下一節(jié)點k＋1 的輸入曲線的關系可以表示為式(1):

使用網(wǎng)絡演算對時間敏感網(wǎng)絡進行時延分析的流程如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡仿真流程Fig.4 Flowchart of network simulation

4 仿真結(jié)果及討論

為了驗證時間敏感網(wǎng)絡在航天器網(wǎng)絡上應用的可行性，本文以航天器網(wǎng)絡中的流量端到端時延為分析目標，使用RTaW-Pegase 網(wǎng)絡時序分析工具，對比分析簡單網(wǎng)絡拓撲及航天器拓撲中應用時間敏感網(wǎng)絡技術前后的端到端時延。 實驗中網(wǎng)絡鏈路的傳輸帶寬為100 Mbit/s，交換機造成的轉(zhuǎn)發(fā)延遲設置為5 μs。

4.1 簡單拓撲示例

為了驗證時間敏感網(wǎng)絡的優(yōu)先級隊列機制和門控制列表機制對網(wǎng)絡傳輸?shù)亩说蕉藭r延影響，設計了如圖5 所示的簡單拓撲。

圖5 簡單拓撲示例Fig.5 Simple topology example

對于圖5 的拓撲，BE_tx1、BE_tx2、BE_tx3 分別發(fā)送周期為0.5 ms 的盡力而為流；ST_tx 發(fā)送周期為0.5 ms 的時間敏感流。 具體流量特征如表2 所示。 其中，ST_tx 流設置優(yōu)先級為7(最高優(yōu)先級)，其余流設置其優(yōu)先級為6。 應用優(yōu)先級劃分前后的流量端到端時延見表3。

表2 簡單拓撲示例發(fā)送的流量說明Table 2 Description of traffic sent by simple topology example

從表3 中可以看出，如未應用優(yōu)先級劃分，ST_tx 流的端到端時延無法滿足約束。 應用優(yōu)先級劃分之后，平均時延降低，最壞時延滿足約束，而BE 類型流量的平均時延和最壞時延都增加。 說明應用時間敏感網(wǎng)絡的優(yōu)先級隊列機制，可以提供高優(yōu)先級隊列更好的質(zhì)量保證，但會影響低優(yōu)先級隊列的流量傳輸。

表3 應用優(yōu)先級劃分前后端到端時延對比Table 3 Comparison of end-to-end latency before and after application prioritization ms

為了驗證門控列表機制對于流量傳輸?shù)挠绊懀趫D5 所示的簡單拓撲和表2 的業(yè)務流量基礎上，對交換節(jié)點添加門控表機制，門控表執(zhí)行周期固定為50 μs，不斷調(diào)整門控列表計算的粒度。表4 為應用不同粒度門控表之后，模擬流量傳輸30 min，得到的ST_tx 流量的端到端傳輸時延統(tǒng)計。

表4 不同門控表粒度下ST 流量的端到端時延Table 4 End to end delay of ST traffic with different gating table granularity

從表4 可以看出，在相同門控表周期時間下，隨著門控表計算粒度的增加，ST 流量的端到端最壞時延逐漸增加，同時端到端平均時延也逐漸增加。 同時，在鏈路SwitchA-SwitchB 上分配給ST流量的時長也逐漸增加。 與無門控表機制和無優(yōu)先級機制相比，使用門控表機制大大降低了端到端時延。 同時，門控表計算粒度越小，對高優(yōu)先級流量門控調(diào)度越精細，其延遲也越小。

通過簡單拓撲示例的實驗，說明了時間敏感網(wǎng)絡的優(yōu)先級隊列以及門控制列表機制能夠有效降低高優(yōu)先級流量的端到端時延，可進一步應用于航天器網(wǎng)絡。

4.2 航天場景示例

本節(jié)使用MIURA-1 探空火箭網(wǎng)絡拓撲[9]和國際空間站網(wǎng)絡拓撲來對時間敏感網(wǎng)絡在航天器上的應用進行驗證。

西班牙PLD 航天公司的MIURA-1 號探空火箭上應用了時間敏感網(wǎng)絡技術。 根據(jù)項目執(zhí)行方案，可將MIRUA-1 號的網(wǎng)絡拓撲抽象為圖6 所示[16]。 其中，方形藍底代表交換機，方形橙底代表終端。 假設其中鏈路的傳輸速率都為100 Mbit/s。

圖6 MIRUA-1 號探空火箭網(wǎng)絡拓撲[16]Fig.6 Mirua-1 sounding rocket network topology[16]

根據(jù)MIURA-1 探空火箭的功能，可將其網(wǎng)絡拓撲傳輸?shù)膽昧髁款愋头譃榭刂祁惲髁俊⑦b測類流量、視頻類和時間同步類流量4 類。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂喽龋織l流量采用2 組不同的路由路徑傳輸?shù)浇邮展?jié)點。 具體流量傳輸特征以及傳輸數(shù)量如表5 所示。

表5 MIRUA-1 號傳輸流量說明Table 5 Mirua-1 transmission flow description

為驗證傳輸?shù)臅r間同步幀對整個網(wǎng)絡中的應用流量造成的影響。 實驗分為2 個不同場景:網(wǎng)絡中包含時間同步幀且時間同步幀的優(yōu)先級為最高的場景(AS Above)和網(wǎng)絡中包含時間同步幀且時間同步幀的優(yōu)先級低于控制類流量的場景(AS Below)。 AS Above 場景中流量類別的優(yōu)先級排序為:時間同步類＞控制類＞遙測類＞視頻類；AS Below 場景中流量類別的優(yōu)先級排序為:控制類＞時間同步類＞遙測類＞視頻類。 圖7 展現(xiàn)了時間同步幀優(yōu)先級對端到端時延的影響。 當時間同步幀被設置為最高優(yōu)先級，大部分同步幀的端到端時延相較于設置為次高優(yōu)先級降低。 當航天器網(wǎng)絡中若對時間同步精度要求較高，可將時間同步幀優(yōu)先級設置為較高優(yōu)先級來保證時間同步幀的傳輸時延，以提升時間同步精度。

圖7 2 個場景下的時間同步幀的端到端時延對比Fig.7 End to end delay comparison of time synchronization frames in different scenarios

圖8 是2 個場景下控制幀的端到端最差時延對比。 As Above 場景的控制幀端到端最壞時延較As Below 場景的更高，這是由于時間同步幀對于控制幀的優(yōu)先級搶占的影響，控制幀需要等待高優(yōu)先級的時間同步幀傳輸完成才能進行傳輸。所以，在航天器網(wǎng)絡中應用時間敏感網(wǎng)絡的時間同步技術時，需要對最高優(yōu)先級的應用流量類型的設置進行權衡，結(jié)合實際場景的使用需求對時間同步幀進行優(yōu)先級設置。 如果優(yōu)先級設置不當，反而會影響原本的應用數(shù)據(jù)傳輸。

圖8 含時間同步幀2 種場景的控制幀端到端時延對比Fig. 8 End to end delay comparison of control frames in two scenarios with time synchronization frames

為了驗證時間敏感網(wǎng)絡在綜合復雜航天場景下應用多種調(diào)度技術的可行性，以圖9 所示假設的國際空間站復雜網(wǎng)絡拓撲場景為例[17]。 在該網(wǎng)絡拓撲結(jié)構下隨機生成3 組網(wǎng)絡流量，每組網(wǎng)絡流量包括80 條流，包含控制流量、遙測流量和視頻流量的場景，如表6 所示。 并對每組流量場景，分別對比在流量無優(yōu)先級劃分、優(yōu)先級劃分、應用預整形＋優(yōu)先級劃分＋幀搶占的流量端到端時延情況。

圖9 國際空間站網(wǎng)絡拓撲結(jié)構[17]Fig.9 International Space Station network topology[17]

表6 國際空間站網(wǎng)絡拓撲傳輸流量參數(shù)Table 6 International Space Station network topology transmission traffic parameters

表7 展示了針對這3 組網(wǎng)絡流量中控制流量在應用3 種不同優(yōu)先級組合之后的時延比較。 可以看出，應用優(yōu)先級調(diào)度策略之后，控制流量的平均端到端時延和最大端到端時延相比于無優(yōu)先級調(diào)度策略有了下降，同時方差平均值也降低，說明控制流量的時延抖動性更低，流量的確定性得到了提升。 同時，在應用了預整形＋優(yōu)先級＋高優(yōu)先級流量幀搶占機制之后，控制流量的確定性得到進一步提升。

表7 控制類流量在不同調(diào)度機制下的端到端時延Table 7 End to end delay of control class traffic under different scheduling mechanisms

表7 表明時間敏感網(wǎng)絡的多種調(diào)度機制在復雜的航天網(wǎng)絡場景拓撲下是可行、有效的，能提升航天器網(wǎng)絡中高優(yōu)先級流量(如控制類流量)的性能。

通過上述實驗數(shù)據(jù)可知，在航天器中應用時間敏感網(wǎng)絡技術可以有效改善網(wǎng)絡中關鍵流量的時延，驗證了在航天器中應用時間敏感網(wǎng)絡的可行性。 同時，在航天器上應用時間敏感網(wǎng)絡時，仍需結(jié)合具體應用特征選取相應的調(diào)度機制組合，來保證關鍵流量類別的傳輸要求。

5 結(jié)論

本文探討時間敏感網(wǎng)絡在航天器上應用可行性，設計了基于時間敏感網(wǎng)絡的航天器網(wǎng)絡架構，并設計合理的調(diào)度策略，在此基礎上研究時間敏感網(wǎng)絡對于流量傳輸端到端時延的改善。

使用網(wǎng)絡時序分析工具對航天器網(wǎng)絡進行實驗仿真，分析不同調(diào)度機制下的端到端時延，驗證時間敏感網(wǎng)絡在航天器網(wǎng)絡上應用的可行性。 結(jié)果表明，在航天器網(wǎng)絡上應用時間感知整形器、幀搶占、預整形等時間敏感網(wǎng)絡相關技術，能提高航天網(wǎng)絡傳輸?shù)膸挕⒔档投说蕉藭r延、提高網(wǎng)絡設備接入的通用性，為航天器網(wǎng)絡中應用時間敏感網(wǎng)絡、選用調(diào)度機制、優(yōu)化網(wǎng)絡配置提供了參考。

隨著IEEE 在航空航天領域的TSN 配置標準(IEEE 802.1DP)的推進，該項標準預計2023 年4月完成，先進的確定性網(wǎng)絡技術會加快航天器網(wǎng)絡智能化進程，使時間敏感網(wǎng)絡能夠更好地適配航天器網(wǎng)絡。