虹科技術 | 如何用TSN流識別技術破解航空電子網(wǎng)絡的傳輸難題？

導讀：隨著航空航天技術的迅猛發(fā)展，航空電子網(wǎng)絡面臨著諸多挑戰(zhàn)，如多網(wǎng)絡并行傳輸、高帶寬需求以及確保數(shù)據(jù)傳輸的確定性等。為應對這些挑戰(zhàn)，航空電子網(wǎng)絡急需一個通用的網(wǎng)絡架構，滿足布線簡單、供應商多、組網(wǎng)成本相對較低等要求。而以太網(wǎng)技術，特別是TSN（時間敏感網(wǎng)絡）的出現(xiàn)，為航空電子網(wǎng)絡帶來了新的解決方案。本文將重點介紹TSN流識別技術在航空電子網(wǎng)絡中的應用，以及如何通過適應航空電子網(wǎng)絡的TSN流識別技術實現(xiàn)高效的航空電子網(wǎng)絡傳輸。

一、航空電子網(wǎng)絡面臨挑戰(zhàn)

航空航天業(yè)專用協(xié)議包括AFDX、ARINC等，這些協(xié)議帶寬較低且供應商稀少，而又由于多網(wǎng)絡的平行傳輸，因此沒有一個特定的協(xié)議能夠適用于一架飛機的所有子系統(tǒng)，組網(wǎng)成本高昂，系統(tǒng)布線也很復雜。航空航天網(wǎng)絡需要一個通用的網(wǎng)絡架構，布線簡單、供應商多、組網(wǎng)成本相對較低，同時滿足確定性傳輸、低延時、低抖動、冗余機制和高帶寬的要求。

二、現(xiàn)有航空電子網(wǎng)絡中的流識別和潛在的TSN用例場景

在航空電子設備當中，通常由舊有應用、以及認證的專用網(wǎng)絡棧+端站(硬件-例如arinc664終端系統(tǒng)）組成航電設備，外部通過航空交換機進行數(shù)據(jù)通信。

應用1：整合TSN交換機與TSN終端

應用1-1：將LRU與TSN交換機做結合，對于航空交換機而言，采用TSN機進行替代。其中TSN交換機使用組播DMAC來執(zhí)行流量監(jiān)管和轉發(fā)，TSN交換機需要具備Null Stream Identification能力。

應用1-2：通過將TSN端點的功能集成到航電設備當中，外部依舊采用舊有航空交換機，終端系統(tǒng)使用組播DMAC執(zhí)行流量整形和幀復制消除FRER，TSN端點須具備Null Stream Identification能力。

應用2：TSN終端集成進航空電子設備

應用2-1：通過將專用網(wǎng)絡協(xié)議棧和TSN協(xié)議堆棧相結合，在航電設備當中添加TSN終端網(wǎng)卡MAC，實現(xiàn)TSN終端在航電設備中的集成，外部依舊采用航空交換機進行通信。此時交換機使用組播DMAC來執(zhí)行流量監(jiān)管和轉發(fā)，TSN端點需要具備Null Stream Identification能力。

應用2-2：通過操作系統(tǒng)和協(xié)議堆棧的方式，進行TSN端系統(tǒng)功能的添加，此時堆棧進行幀的產(chǎn)生。并且L2&L3的報文頭遵循尋址約定，以符合集成商網(wǎng)絡慣例，對于交換機需要具備Null Stream Identification能力，同時TSN端點需要具備IP + Active MAC Identification的能力。

應用3：將現(xiàn)有應用/操作系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡集成

應用3-1：通過操作系統(tǒng)和協(xié)議堆棧的方式，進行TSN端系統(tǒng)功能的添加，并且外部采用TSN網(wǎng)絡進行傳輸。此時系統(tǒng)以及堆棧進行幀的產(chǎn)生。L2&L3的報文頭遵循尋址約定，以符合集成商網(wǎng)絡慣例。堆棧進行幀的產(chǎn)生。L2和L3標頭遵循尋址約定，以符合集成商網(wǎng)絡慣例。

應用3-2：

• 網(wǎng)絡集成商可能需要一個完全確定的網(wǎng)絡回程，但仍然允許盡力而為，COTS以太網(wǎng)參與的設備。
• TSN可以通過利用TSN橋來形成流、管理并在網(wǎng)絡上執(zhí)行FRR來實現(xiàn)這個新的用例網(wǎng)絡的回程
• TSN橋：Null Stream + IP + Active MAC Identification
• TSN IP&硬件HW提供對Null Stream的支持

現(xiàn)代 FPGA 和可重構平臺的長期供應、靈活性和集成能力使這些器件成為航空航天和國防市場中新型嵌入式器件的首選技術。其次，在對數(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下，A&D行業(yè)正在以太網(wǎng)上融合。

三、FRER在RELY-TSN交換機中流識別原理

虹科RELY-TSN交換機

1、內(nèi)涵

在IEEE802.1CB中定義的TSN流識別（Stream Identification）是FRER中的一個關鍵步驟。它有兩個主要目標：

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

2、功能

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

3、主動/被動流識別

流標識可以是主動的，也可以是被動的。在被動模式下，識別參數(shù)在出口（輸出幀）中保持不變，而在主動模式下，則可以在出口期間覆蓋這些參數(shù)。SWICTH同時支持這兩種識別類型。

4、協(xié)同工作

Swicth可以同時實現(xiàn)多個TSN流識別功能，最多4個。該功能允許通過不同的函數(shù)來識別不同的數(shù)據(jù)流。在流由多個函數(shù)標識的情況下，與流關聯(lián)的流句柄由根據(jù)GUI中配置的順序進行優(yōu)先級的第一個流標識函數(shù)確定。

5、計算器監(jiān)控

該交換機提供了基于每個端口的監(jiān)控流識別的計數(shù)器。

四、RELY-TSN交換機中流識別配置

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RELY-TSN交換機

虹科RELY-TSN交換機可用于無縫實施確定性以太網(wǎng)，該器件基于SoC-e的TSN技術在最苛刻的行業(yè)（鐵路、航空航天、汽車、工業(yè)自動化等）中使用的可靠且經(jīng)過現(xiàn)場驗證的設計。該設備可用作提供4/12/20個多媒體千兆以太網(wǎng)端口和1個內(nèi)部端口的TSN Bridge，可與市場上的其他產(chǎn)品互操作。虹科RELY-TSN交換機支持市場上數(shù)量最多的TSN標準，這使其適用于任何特定的配置文件。這些關鍵功能使虹科RELY-TSN交換機成為用于關鍵環(huán)境的最可靠和多功能的網(wǎng)絡設備。

結語

通過合理的配置和優(yōu)化，TSN流識別技術能夠為航空電子網(wǎng)絡提供高效、可靠的傳輸服務，滿足航空航天領域對于高帶寬、低延遲和確定性傳輸?shù)男枨?。未來，隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展和普及，我們期待TSN流識別技術在航空電子網(wǎng)絡中發(fā)揮更大的作用。

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