面向航天器的時間敏感網絡技術應用研究

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

航天器網絡是航天電子系統的重要組成部分，目前主要使用FC-AE-1553、航空電子全雙工交換式以太網(Avionics Full Duplex Switched Ethernet，AFDX)和SpaceWire 等技術來構建航天器網絡[1]。 隨著航天技術的快速發展和新型應用場景的出現，航天器網絡對于承載流量帶寬、端到端時延的要求不斷提高[2-4]。 而國內現有航天器網絡技術存在接口種類繁多、沒有統一的硬件架構、缺乏統一標準、智能化設計水平不高和開發成本高昂等問題，無法適應航天電子系統綜合化發展的需求。 時間敏感網絡(Time Sensitive Network， TSN)基于傳統以太網技術，通過流量調度、時間同步等機制使以太網支持高可靠、低時延特性，具有在航天器網絡上應用的潛力。

為實現在航空航天、車載、工業互聯網等領域的兼容性，時間敏感網絡系列標準存在過于龐大的問題，需針對具體的應用領域對標準族進行取舍[5-6]。 目前，對于時間敏感網絡在航天領域適用的垂直行業標準IEEE 802.1DP 處于討論階段，有必要對現有主流時間敏感網絡調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絡技術進行探討，但缺乏對多種調度機制對網絡時延性能影響的研究。 Simon 等[8]使用OMNeT＋＋網絡仿真軟件對時間敏感網絡調度機制時延進行研究，但僅局限于簡單網絡拓撲，不適用于復雜的航天器網絡拓撲。

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

2 需求分析與架構設計

2.1 航天器數據業務需求分析

以歐洲航天局的SAVOIR 星上參考架構中的分類為例，航天器網絡中傳輸的數據類型可以劃分為多種類型，不同的星上數據傳輸類型其傳輸頻率及數據量不等，對時延和抖動的要求也有所區別。 針對航天器網絡中不同的數據業務需求，航天器網絡應至少滿足如下需求[7]:

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

2) 網絡中能夠同時處理高速率和低速率數據流，即能同時滿足平臺網絡和載荷網絡的流量傳輸需求。

3) 網絡能夠在應對低延遲和低抖動流量傳輸的同時，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務需求。

4) 網絡機制簡單，方便對網絡質量進行分析和對網絡參數進行配置。

2.2 航天器網絡拓撲結構

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

圖1 典型衛星網絡拓撲結構Fig.1 Typical satellite network topology

航天器的運行環境特殊，要求衛星網絡的運行平穩可靠，在出現單點故障等突發狀況時依然能夠正常運行。 網絡拓撲結構的冗余設計，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，能夠確保衛星網絡滿足上述要求。 以圖1 中的網絡為例，電源系統、通信系統、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，實現雙冗余交換。

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

圖2 TSN 與傳統航天器網絡相結合的網絡架構Fig. 2 Network architecture combining TSN with traditional spacecraft network

3 調度機制與時延分析

航天器網絡對低時延、高可靠性、高確定性和QoS 均有需求。 在時間敏感網絡中傳輸的可靠性依靠IEEE 802.1CB 標準來保障，通過冗余備份在物理上提高可靠性。 同時調度機制對時間敏感網絡中的精確時延估算影響很大。 因此需要適合的調度機制來保障服務質量，實現確定性有效傳輸，并根據選擇的調度機制進行精確時延計算。

3.1 調度機制與適配分析

對于航天數據業務場景，需要結合實際應用流量需求，選取如表1 所示3 個調度機制簡化網絡調度復雜度，同時縮短配置表項數量。

表1 適合航天器網絡的調度機制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，可將數據幀劃分為1 ～8 個不同的靜態優先級[9]，其作用機制如圖3 所示。 而對于數據幀的優先級區分可以通過IEEE 802.1Q 規定的以太網VLAN 字段中的3 bit 優先級字段來區分。

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先級隊列引入了傳輸門，傳輸門有開、關2 個狀態。 傳輸的選擇過程僅選擇那些數據隊列的門是開狀態的信息，而這些門的狀態由門控制列表定義。 門控制列表每隔一段時間切換狀態，通過不斷循環執行門控制列表實現時間感知整形。

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先級反轉問題，IEEE 802.1Qbu 規定了幀搶占機制[10]。將數據幀按照優先級分為可被搶占(低優先級幀)和不可被搶占(高優先級)2 種。 當高優先級幀準備好傳輸時，若此時低優先級的幀仍在占用傳輸隊列，則高優先級幀可以搶占其傳輸，等高優先級幀傳輸完成再恢復低優先級幀的傳輸。 幀搶占機制的引入降低了高優先級幀的傳輸等待時間。

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化，對于流量在中繼節點的傳輸過程不做處理，而在流量注入網絡的端節點進行操作[11]。 預整形要求在端節點對于流量注入網絡中的時間進行規劃，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絡的時間間隔，從而減少網絡中高優先級流量可能出現的延遲，以提高網絡傳輸性能。

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

3.2 基于網絡演算的精確時延分析

網絡中數據幀在端到端傳輸的時延可以定義為從源節點到目的節點的路徑中，在每一跳節點出現延遲的總和。 其中，時延可根據類型不同分為數據存儲時延、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，分析其流經的每一條中繼節點而產生的時延，則可計算出該流的端到端時延。

在時間敏感網絡中，其流量調度機制主要由時間感知整形機制實現，相應優先級的流量僅能在其對應優先級的門控狀態為開的情況下傳輸，故該機制將產生額外的門控列表開關等待時延。根據網絡拓撲中不同的應用流量情況，中繼節點應用的門控列表也會相應發生改變，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，以實現對網絡的精確時延預估。

為了確定數據傳輸時受突發流量干擾情況下的網絡延遲性能，而發展出了網絡演算理論。 網絡演算使用基于最小加代數的理論工具，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R來表示，R(t) 是該流在時間t內發送的總比特數。 給定廣義增函數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:接收并對流進行轉發的服務器S反映了輸入累積函數R和輸出累積函數R′ 直接的關系，且滿足R′≤R。 則說明流R經過服務器S轉發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，在其途經節點k(1 ≤k≤n)的輸出曲線和下一節點k＋1 的輸入曲線的關系可以表示為式(1):

使用網絡演算對時間敏感網絡進行時延分析的流程如圖4 所示。

圖4 網絡仿真流程Fig.4 Flowchart of network simulation

4 仿真結果及討論

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

4.1 簡單拓撲示例

為了驗證時間敏感網絡的優先級隊列機制和門控制列表機制對網絡傳輸的端到端時延影響，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 分別發送周期為0.5 ms 的盡力而為流；ST_tx 發送周期為0.5 ms 的時間敏感流。 具體流量特征如表2 所示。 其中，ST_tx 流設置優先級為7(最高優先級)，其余流設置其優先級為6。 應用優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，如未應用優先級劃分，ST_tx 流的端到端時延無法滿足約束。 應用優先級劃分之后，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絡的優先級隊列機制，可以提供高優先級隊列更好的質量保證，但會影響低優先級隊列的流量傳輸。

表3 應用優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的影響，在圖5 所示的簡單拓撲和表2 的業務流量基礎上，對交換節點添加門控表機制，門控表執行周期固定為50 μs，不斷調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，對高優先級流量門控調度越精細，其延遲也越小。

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

4.2 航天場景示例

本節使用MIURA-1 探空火箭網絡拓撲[9]和國際空間站網絡拓撲來對時間敏感網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絡技術。 根據項目執行方案，可將MIRUA-1 號的網絡拓撲抽象為圖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 號探空火箭網絡拓撲[16]Fig.6 Mirua-1 sounding rocket network topology[16]

根據MIURA-1 探空火箭的功能，可將其網絡拓撲傳輸的應用流量類型分為控制類流量、遙測類流量、視頻類和時間同步類流量4 類。 為了保證數據傳輸的冗余度，每條流量采用2 組不同的路由路徑傳輸到接收節點。 具體流量傳輸特征以及傳輸數量如表5 所示。

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

為驗證傳輸的時間同步幀對整個網絡中的應用流量造成的影響。 實驗分為2 個不同場景:網絡中包含時間同步幀且時間同步幀的優先級為最高的場景(AS Above)和網絡中包含時間同步幀且時間同步幀的優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先級排序為:控制類＞時間同步類＞遙測類＞視頻類。 圖7 展現了時間同步幀優先級對端到端時延的影響。 當時間同步幀被設置為最高優先級，大部分同步幀的端到端時延相較于設置為次高優先級降低。 當航天器網絡中若對時間同步精度要求較高，可將時間同步幀優先級設置為較高優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先級搶占的影響，控制幀需要等待高優先級的時間同步幀傳輸完成才能進行傳輸。所以，在航天器網絡中應用時間敏感網絡的時間同步技術時，需要對最高優先級的應用流量類型的設置進行權衡，結合實際場景的使用需求對時間同步幀進行優先級設置。 如果優先級設置不當，反而會影響原本的應用數據傳輸。

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絡在綜合復雜航天場景下應用多種調度技術的可行性，以圖9 所示假設的國際空間站復雜網絡拓撲場景為例[17]。 在該網絡拓撲結構下隨機生成3 組網絡流量，每組網絡流量包括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先級劃分、優先級劃分、應用預整形＋優先級劃分＋幀搶占的流量端到端時延情況。

圖9 國際空間站網絡拓撲結構[17]Fig.9 International Space Station network topology[17]

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

表7 展示了針對這3 組網絡流量中控制流量在應用3 種不同優先級組合之后的時延比較。 可以看出，應用優先級調度策略之后，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先級調度策略有了下降，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＋優先級＋高優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 表明時間敏感網絡的多種調度機制在復雜的航天網絡場景拓撲下是可行、有效的，能提升航天器網絡中高優先級流量(如控制類流量)的性能。

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

5 結論

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

使用網絡時序分析工具對航天器網絡進行實驗仿真，分析不同調度機制下的端到端時延，驗證時間敏感網絡在航天器網絡上應用的可行性。 結果表明，在航天器網絡上應用時間感知整形器、幀搶占、預整形等時間敏感網絡相關技術，能提高航天網絡傳輸的帶寬、降低端到端時延、提高網絡設備接入的通用性，為航天器網絡中應用時間敏感網絡、選用調度機制、優化網絡配置提供了參考。

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，先進的確定性網絡技術會加快航天器網絡智能化進程，使時間敏感網絡能夠更好地適配航天器網絡。