如何用TSN流识别技术破解航空电子网络的传输难题？

随着航空航天技术的迅猛发展，航空电子网络面临着诸多挑战，如多网络并行传输、高带宽需求以及保障数据传输的确定性等。为应对这些挑战，航空电子网络急需一个通用的网络架构，满足布线简单、供应商多、组网成本相对较低等要求。而以太网技术，特别是TSN（时间敏感网络）的出现，为航空电子网络带来了新的解决方案。本文将重点介绍TSN流识别技术在航空电子网络中的应用，以及如何通过适应航空电子网络的TSN流识别技术实现高效的航空电子网络传输。

 

 

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航空电子网络面临的挑战

航空航天业专用协议包括AFDX、ARINC等，这些协议带宽较低且供应商稀少，而又由于多网络的平行传输，因此没有一个特定的协议能够适用于一架飞机的所有子系统，组网成本高昂，系统布线也很复杂。航空航天网络需要一个通用的网络架构，布线简单、供应商多、组网成本相对较低，同时满足确定性传输、低延时、低抖动、冗余机制和高带宽的要求。

 

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现有航空电子网络中流识别

和潜在TSN应用场景

 

在航空电子设备当中，通常由旧有应用、以及认证的专用网络栈+端站（硬件-例如arinc664终端系统）组成航电设备，外部通过航空交换机进行数据通信。

 

应用1：整合TSN交换机与TSN终端 

 

应用1-1：将LRU与TSN交换机结合，对于航空交换机而言，采用TSN机进行替代。其中TSN交换机使用组播DMAC来执行流量监管和转发，TSN交换机需要具备Null Stream Identification能力。

 

应用1-2：通过将TSN端点的功能集成到航电设备当中，外部依旧采用旧有航空交换机，终端系统使用组播DMAC执行流量整形和帧复制消除FRER，TSN端点须具备Null Stream Identification能力。

 

应用2：TSN终端集成进航空电子设备

 

应用2-1：通过将专用网络协议栈和TSN协议堆栈相结合，在航电设备当中添加TSN终端网卡MAC，实现TSN终端在航电设备中的集成，外部依旧采用航空交换机进行通信。此时交换机使用组播DMAC来执行流量监管和转发，TSN端点需要具备Null Stream Identification能力。

 

应用2-2：通过操作系统和协议堆栈的方式，进行TSN端系统功能的添加，此时堆栈进行帧的产生。并且L2&L3的报文头遵循寻址约定，以符合集成商网络惯例，对于交换机需要具备Null Stream Identification能力，同时TSN端点需要具备IP + Active MAC Identification的能力。

 

应用3：将现有应用/操作系统与TSN网络集成

 

应用3-1：通过操作系统和协议堆栈的方式，进行TSN端系统功能的添加，并且外部采用TSN网络进行传输。此时系统以及堆栈进行帧的产生。L2&L3的报文头遵循寻址约定，以符合集成商网络惯例。堆栈进行帧的产生。L2和L3标头遵循寻址约定，以符合集成商网络惯例。

 

应用3-2：

 

网络集成商可能需要一个完全确定的网络回程，但仍然允许尽力而为，COTS以太网参与的设备。

TSN可以通过利用TSN桥来形成流、管理并在网络上执行FRR来实现这个新的用例网络的回程。

TSN桥：Null Stream + IP + Active MAC Identification 。

TSN IP&硬件HW提供对Null Stream的支持。

 

现代 FPGA 和可重构平台的长期供应、灵活性和集成能力使这些器件成为航空航天和国防市场中新型嵌入式器件的首选技术。其次，在对数据采集单元和COTS子系统的低延迟、高带宽和互操作性的需求的推动下，A&D行业正在以太网上融合。

 

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FRER在RELY-TSN交换机中

流识别原理

虹科RELY-TSN交换机

 

内涵 

在IEEE802.1CB中定义的TSN流识别（Stream Identification）是FRER中的一个关键步骤。它有两个主要目标：

确定传入的帧是否属于TSN流。

为标识流中的数据包分配一个名为stream_handde的本地重要的整数值。

功能 

Switch支持各种流识别功能，包括空流识别、源MAC和VLAN流识别、主动目标MAC和VLAN流识别、掩码和匹配流识别。这些函数决定了哪些参数用于计算流句柄值。
 

主动/被动流识别

流标识可以是主动的，也可以是被动的。在被动模式下，识别参数在出口（输出帧）中保持不变，而在主动模式下，则可以在出口期间覆盖这些参数。Switch同时支持这两种识别类型。
 

协同工作 

Swicth可以同时实现多个TSN流识别功能，最多4个。该功能允许通过不同的函数来识别不同的数据流。在流由多个函数标识的情况下，与流关联的流句柄由根据GUI中配置的顺序进行优先级的第一个流标识函数确定。
 

计算器监控

该交换机提供了基于每个端口的监控流识别的计数器。

 

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RELY-TSN交换机中流识别配置
 

添加NULL条目

 

RELY-TSN交换机

 

虹科RELY-TSN交换机可用于无缝实施确定性以太网，该器件基于SoC-e的TSN技术在最苛刻的行业（铁路、航空航天、汽车、工业自动化等）中使用的可靠且经过现场验证的设计。该设备可用作提供4/12/20个多媒体千兆以太网端口和1个内部端口的TSN Bridge，可与市场上的其他产品互操作。虹科RELY-TSN交换机支持市场上数量最多的TSN标准，这使其适用于任何特定的配置文件。这些关键功能使虹科RELY-TSN交换机成为用于关键环境的最可靠和多功能的网络设备。

 

 结语 

通过合理的配置和优化，TSN流识别技术能够为航空电子网络提供高效、可靠的传输服务，满足航空航天领域对于高带宽、低延迟和确定性传输的需求。未来，随着以太网技术的发展和普及，我们期待TSN流识别技术在航空电子网络中发挥更大的作用。