虹科白皮书 | 航空航天与国防革新：TSN和RTOS融合技术（附免费下载）

时间敏感网络（TSN）与实时操作系统（RTOS）的融合标志着航空航天行业的一个变革性里程碑。本文考察了TSN提供确定性、可靠和高带宽通信的能力，通过IEEE P802.1DP规范满足航空航天的独特需求。通过统一协议和优化架构，TSN提高了性能，降低了复杂性，并确保了安全关键通信。其在航空电子、航天和国防系统中的应用简化了网络，削减了成本，并支持混合关键性流量。TSN和RTOS一起使系统具备未来适用性、效率和韧性，重新定义了连接性，并为航空航天及其他领域的创新奠定了基础。

本文作者

Del Pino García, Javier (SOC-E)

Ruiz Dorantes, Oliver (SYSGO)

Walkembach, Franz (SYSGO)

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概述

TSN：航空电子和航天工业的战略促进者

时间敏感网络（TSN）不仅仅是以太网的增强，它是一种变革性方法，重新定义了关键领域中网络系统的功能。在航空电子和航天工业中，精确性和可靠性并非遥不可及，而是必需品。TSN技术正契合其苛刻需求。

TSN的出现标志着网络技术发展的一个重要里程碑。TSN在航空电子和航天工业中的引入预示着一个全新的互联时代即将到来，创新潜力与网络性能完美契合。

统一技术：能力的融合

TSN作为一个统一的解决方案，汇集了现代航空电子系统的核心要求。它将可靠性、确定性和高带宽融合到一个单一、强大的框架中，为新一代网络系统铺平了道路。

虹科合作伙伴SOC-E的RelyUm TSN COTS设备

TSN的以太网骨干提供了无与伦比的市场优势。它依托成熟的生态系统，拥有丰富的COTS产品、庞大的市场占有率以及多元化的供应商资源。这使得TSN不仅成为一项面向当下的技术，也成为一项面向未来的技术。

可靠性：值得信赖的通信基础

TSN的核心是可靠性的交付，这一「承诺」在严苛的关键环境中至关重要。

IEEE802.1CB标准引入了FRER（帧复制与可靠性消除）等机制，即使在潜在的网络中断情况下也能确保持续通信。

与此相辅相成的还有IEEE 802.1Qci提供的严格过滤和监管，增强了网络抵御错误的能力，提高了其弹性。

同步：协调统一的网络节奏

同步是网络乐团的指挥，确保每个设备与其他设备和谐运行。

TSN以IEEE 802.1AS为核心，实现了对任务协调至关重要的同步水平。该标准是操作的基石，对于每纳秒都至关重要的任务来说更是如此。

低延迟：追求即时响应

在实时操作领域，延迟是成功与失败的关键。

TSN通过一套协议解决低延迟和有限延迟问题，每套协议都旨在确保时间关键型数据被赋予最高优先级，并在最紧迫的时间范围内交付，从而保持实时响应的节奏。IEEE 802.1Qbv（时间感知整形器）、802.1Qav（基于信用的整形器）和 802.1Qbu（用于帧抢占）确保了关键流量的质量服务（QoS）和约束。

资源管理：最大化网络效率

有效的资源管理就像一场精心编排的芭蕾舞，每个动作都精准而有目的性。

IEEE 802.1Qcc标准是网络资源的编导，它以效率为导向并了解网络的动态需求来引导流量。

IEEE P802.1DP航空航天规范：

为航空定制的TSN

TSN的航空航天配置文件IEEE P802.1DP是TSN适应航空航天部门特殊需求的证明。

按功能分类的TSN协议列表

来源：IEEE

认识到航空航天应用的多样性，IEEE P802.1DP规范同时满足同步和异步通信需求。这种双重模式确保TSN能够支持各种应用和传统实现，从需要严格时序的应用到能够容忍一定程度延迟的应用。

该规范概述了支持的TSN协议，每个协议都因其传输时间敏感数据流的精确性和可靠性而被选中。该配置文件不仅满足当前行业的需求，还预见了未来的发展方向。

这一扩展性介绍提供了TSN在航空电子和航天工业中的作用的全面视图，为深入探索其与RTOS的集成以及由此产生的协同效应奠定了基础。

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具有TSN的实时操作系统的重要性

操作系统（OS） 在管理处理元素（如处理器或核心）分配给各种软件单元（称为线程或进程）方面起着关键作用。这种分配既涉及物理方面，也涉及时间方面。在对称多处理器系统（SMP）中，OS决定特定线程或进程在哪个处理器上运行以及何时使用处理元素，在与其他进程的使用之间进行平衡。

通用操作系统

通用操作系统通常优先考虑性能，会立即将可用的处理元素分配给待处理的软件单元。虽然这种方法可能很高效，但它可能导致诸如缓存争用等问题。现代处理器包含一级缓存，用于存储执行应用程序的内存块。任意分配可能会降低缓存性能，导致应用程序执行时间的可变性。亲和性策略可以减轻这种影响。

另一个例子是优先考虑响应性的操作系统，及时响应中断。虽然这可以增强用户体验，但它可能会干扰正在执行的应用程序，阻止一致的执行时间。

实时操作系统（RTOS）

相比之下，实时操作系统（RTOS）强调确定性，允许系统架构做出预定义的决策，而不是由操作系统本身做出。诸如减少上下文切换和增加响应性（例如 Linux 中的 PREEMPT_RT）等功能是有益的，但仅靠这些还不足以在关键安全系统中实现确定性执行。

PikeOS RTOS架构

实时操作系统 (RTOS)，例如PikeOS，支持对系统进行物理分区，并将资源分配给特定的软件单元。这些单元被限制在其分配的资源范围内，从而防止与其他分区发生干扰。时间分区也至关重要，它确保软件单元的执行时间不超过其分配的执行时间。这在多核系统中尤其具有挑战性，因为内部总线等共享资源可能会造成干扰。实时操作系统 (RTOS) 可以帮助最大限度地减少此类干扰，这对于在多核架构上认证高安全关键型系统至关重要。

这一概念被称为「强大的资源和时间分区」，在航空电子标准ARINC653中有概述。它定义了系统的时间线，并相应地分配软件单元，确保控制资源的使用。

具备TSN的RTOS

系统时间通常由外部晶体维持，驱动各种系统时钟。在RTOS中，此时钟源确保软件单元之间的时间一致性。然而，与外部系统的同步可能具有挑战性。精确时间协议（PTP，IEEE 1588）通过定义用于时钟分布的主从架构，使用时间戳消息在网络中同步时钟来解决这个问题。TSN采用PTP（IEEE 802.1AS）的一个子集，用于亚微秒精度，并支持无线通信。

在建立了时间同步后，TSN可以实现诸如调度、流量整形和流预留协议等附加功能。

TSN确保时钟源同步，使整个技术生态系统和谐且确定性地运行。这种同步通常对于更广泛的关键安全相关系统的正常运行至关重要。

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TSN在航空航天场景中的适用性

以下案例研究说明了TSN技术在航空航天工业中的多样化应用，突出了其在提高嵌入式实时系统的性能、可靠性和效率方面的作用。

案例研究 1：

TSN在航天器航空电子系统中的应用

航天工业传统上依赖各种通信协议，如MIL-STD-1553、SpaceWire、AFDX和TTEthernet以满足任务要求。这些协议满足不同网络在确定性、可靠性和高带宽方面的需求，导致航天器内出现复杂的多协议网络。TSN凭借其确定性和高带宽能力，提供了一个统一的基于以太网的解决方案，可以取代这些多协议网络，简化架构，降低成本并提高性能。

TSN的特性在下一代发射器通信系统中也非常有用。欧洲航天局 (ESA) 和美国国家航空航天局 (NASA) 等领先的航天机构已经认识到TSN的重要性，并对旨在开发此类技术和创新的研发项目表现出浓厚的兴趣。

OSRA-NET（用于实时应用的开放式系统架构）是一个定义了实时系统中不同类型数据的流量类别的框架。在卫星和发射器通信中，OSRA-NET流量类别可以映射到TSN的服务质量（QoS）类别，以确保高效的数据传输。例如，关键的遥测和控制数据可以映射到高优先级的TSN类别，确保最小的延迟和抖动。中等优先级类别可以处理需要及时传输但可以容忍一定延迟的任务数据，而低优先级类别可以用于非关键数据，如家庭信息。

TSN在航天工业中的一个实际应用是基于全球导航卫星系统（GNSS）的同步。全球导航卫星系统提供精确的时间信息，可以通过IEEE 802.1AS标准在TSN网络中用于同步。航天器和发射器上的GNSS接收器提供精确的时间戳，这些时间戳在TSN网络中分发。这些时间戳同步所有网络设备，确保数据在正确的时间传输和接收。这种同步对于维持太空应用中数据的确定性和可靠性至关重要，从而实现无缝且高效的通信。

一旦网络同步，姿态和轨道控制系统（AOCS）控制环可以在TSN的802.1Qbv（时间感知整形器）窗口内集成。通过在Qbv窗口中调度AOCS控制环数据，系统确保关键控制命令以最小的延迟传输，从而提高AOCS执行器的性能。这种集成增强了卫星和发射器的稳定性和控制性，展示了TSN在关键任务应用中的优势。

除了提高性能和可靠性外，TSN还有助于通过简化网络架构和减少布线需求显著减轻发射器的重量。这种重量减轻转化为成本节约，因为将额外一公斤的有效载荷送入轨道的成本仍然很高，尽管随着可重复使用阶段发射器的出现，成本有所下降。

总之，TSN为航天工业提供了显著优势，提供了一个统一的、确定性的和高带宽的通信解决方案。TSN可以增强卫星和发射器航空电子系统的性能和可靠性，为更先进和高效的太空任务铺平道路。

案例研究 2：

TSN在飞机航空电子系统中的应用

在航空电子控制单元中，管理混合关键性流量的同时确保确定性和可靠的通信是一个关键问题。时间敏感网络（TSN）正作为传统ARINC 664通信协议的升级，特别是在下一代飞机和直升机中得到采用。

航空电子系统必须处理各种具有不同优先级的数据流量，从非关键数据（如机上娱乐）到安全关键功能（如飞行控制和传感器数据）。TSN非常适合这项任务，因为它能够确保确定性通信，这意味着每个数据包无论网络负载如何都能在保证的时间内到达目的地。这对于维持飞行控制系统的精确性和安全性至关重要。

某些控制系统依赖于时间敏感算法，如自动驾驶仪和防撞系统。TSN通过为关键数据安排时间定义的时隙来增强这些系统，确保高优先级通信总是按时交付。这种机制对于管理传感器、执行器和飞行控制单元等子系统之间的通信尤为重要，即使是轻微的延迟也会影响性能。

由于航空电子系统变得越来越复杂，连接设备的数量和它们生成的数据量也在增加。TSN通过有效地处理更高的流量和订阅者数量，帮助管理这种日益增长的复杂性。这减少了对传统ARINC-664 P7系统特点的复杂且笨重的布线束的需求。通过降低布线复杂性，TSN有助于减轻飞机重量，提高燃油效率并降低网络设备成本。

总之，TSN为管理飞机航空电子系统中的混合关键流量提供了强大的解决方案。通过确保确定性和可靠的通信，TSN提高了飞行控制系统的精确性和安全性。其处理增加的数据流量和降低布线复杂性的能力转化为了显著的重量和成本节约，使其成为下一代飞机和直升机的重要技术。TSN在航空电子系统中的集成不仅提高了性能，还为更先进和高效的航空技术铺平了道路。

案例研究 3：

TSN在国防关键系统中的应用

在资源受限、动态的国防环境中，确保关键任务系统的实时、可靠通信是一个重大挑战。北约通用车辆架构（NGVA）平台需要强大的、低延迟的通信系统来管理高优先级视频流量和关键车辆功能。时间敏感网络 (TSN) 通过提供有保障的服务质量 (QoS)、低延迟和确定性流量管理发挥着至关重要的作用，这些对于国防行动至关重要。

对于陆地国防场景，实时视频流对于监视、目标识别和态势感知至关重要。TSN通过为延迟控制的视频流预留带宽，即使在资源受限和高需求的环境中也能确保不间断的高质量视频。

此外，TSN支持军事车辆内各种子系统的无缝集成，如导航、通信和武器系统。通过提供统一的网络基础设施，TSN减少了布线束的复杂性和重量，这在空间和重量至关重要的装甲车中特别有益。这种集成不仅提高了车辆系统的整体效率和可靠性，还简化了维护和升级。

TSN的可扩展性是国防应用的另一个显著优势。随着军事技术的发展，TSN网络可以轻松容纳新设备和功能，无需进行广泛的基础设施更改。这种灵活性使TSN成为未来通信系统的理想解决方案，确保它们能够适应新出现的威胁和技术进步。

总之，TSN为国防工业提供了显著的优势，提供了一个强大的、低延迟和确定性通信解决方案。其处理混合关键流量、确保实时数据传输和支持可扩展网络架构的能力使其成为现代国防行动的无价资产。TSN在国防系统中的集成提高了作战效率、可靠性和适应性，使其成为国防技术进步的关键组成部分。

结论与展望 .

时间敏感网络（TSN）与实时操作系统（RTOS）的融合代表了航空航天行业的一个变革性飞跃。本文探讨了TSN的多方面优势和应用，突出了其在确保各种高风险环境中的确定性、可靠性和高带宽通信中的关键作用。特别为航空航天应用定制的TSN航空航天规范IEEE P802.1DP确保了同步和异步通信需求都以精确性和可靠性得到满足。

TSN不仅是对现有网络协议的增强，它是一种革命性方法，重新定义了网络系统的能力。在航空电子和航天工业中，精确性和可靠性至关重要，TSN提供了一个统一的解决方案，将可靠性、确定性和高带宽集成到一个强大的框架中。该技术对于取代复杂的多协议网络、简化架构、降低成本和提高整体性能至关重要。IEEE P802.1DP规范在这个转变中发挥了关键作用，提供了满足航空航天通信严格要求的标准化方法。

虹科合作伙伴SOC-E的TSN解决方案与PikeOS RTOS的结合确保了无与伦比的性能和可靠性。这种集成保证了关键数据的及时交付，通过虚拟机监控程序技术减少了硬件需求，并简化了认证过程，为客户提供了全面的现代网络系统解决方案。

TSN在航空航天和国防场景中的实际应用凸显了其多样性和有效性。在航天器航空电子系统中，TSN简化了网络架构，提高了关键控制系统的性能，并减少了整个OBDH子系统的重量，因此也减少了成本。在飞机航空电子系统中，TSN管理混合关键流量，确保了飞行控制系统的精确性和安全性，同时降低了布线复杂性并提高了燃油效率。在国防关键系统中，TSN提供了任务关键操作所需的强大、低延迟通信，支持了子系统的无缝集成，并为国防通信网络提供了面向未来的保障。

展望未来，TSN与RTOS结合的潜力是无限的。这种强大的协同效应将推动连接性的重大进步，实现更加复杂、高效和可靠的系统。对创新和长期支持的持续承诺确保这些解决方案将继续满足行业不断发展的需求。

总之，TSN与RTOS的融合不仅是一项技术进步，更是下一代网络系统的一个战略促进者。通过提供统一、确定性和高带宽的通信解决方案，TSN和RTOS一起为航空电子、航天和国防领域的开创性创新铺平了道路。本文为理解这些技术的深远影响奠定了基础，为一个连接性和可靠性无缝交织的未来奠定了基础。

关于SOC-E

虹科合作伙伴SOC-E是全球领先的基于FPGA技术的以太网通信解决方案供应商。作为TSN技术的先驱，SOC-E开发了一系列知识产权（IP）核心和完全合格的坚固交换机路由器及时间服务器设备，这些设备为电力、工业和航空航天领域的关键系统实现了领先的网络、同步和安全技术。