时间触发网络在机载系统中的应用分析_赵永库.pdf

收稿日期：2021-08-21修回日期：2021-11-07作者简介：赵永库（1974-），男，陕西乾县人，研究员。研究方向：航空电子总体设计技术。摘要：时间触发技术将是未来机载网络的发展趋势。为了解决时间触发网络在机载系统中的工程化应用问题，分析了时间触发网络的特点和优势、采用时间触发网络为系统设计带来的变革、时间触发网络在机载系统中的应用场景以及为系统带来的益处，可有效解决机载网络系统总体方案论证所关注的问题。关键词：时间触发网络；计算和通信模型；网络通信技术；航空电子中图分类号：TP393.1文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-0640.2022.11.025引用格式：赵永库.时间触发网络在机载系统中的应用分析 J.火力与指挥控制，2022，47（11）：153-158.时间触发网络在机载系统中的应用分析赵永库（中国航空工业集团第一飞机设计研究院，西安710089）The Application Analysis of Time-Triggered Networkin Airborne SystemZHAO Yongku（The First Aircraft Institute of AVIC，Xi an 710089，China）Abstract：Time triggered technology will be the development trend of airborne network in thefuture.In order to solve the engineering application problem of time triggered network in airbornesystem，the characteristics and advantages of time triggered network，the change brought by adoptingtime triggered network to system design，the application scenario of time triggered network in airbornesystem and the benefits brought to the system are analyzed，which can effectively solve the problemsconcerned in the overall scheme demonstration of the airborne network system.Key words：time-triggered network；models of computation and communication（MoCC）；networkcommunication technology；avionicsCitation format：ZHAO Y K.The application analysis of time-triggered network in airborne systemJ.Fire Control&Command Control，2022，47（11）：153-158.0引言随着航空电子技术的高速发展和机载设备的功能不断增加，航空电子设备朝着模块化、综合化和标准化的方向发展，航空电子系统的复杂度也日益增加，机载信息量、综合化程度不断提升，安全关键和任务关键的分布式通信应用要求不断提高1-2，这些都极大地推动了机载数据通信技术从总线向网络发展。机载数据通信技术在从总线向网络方向发展过程中，要解决诸多关键技术，除提高网络带宽、实时性、安全性外，更重要的是要解决资源访问冲突和抢占问题以及降低延迟和抖动的确定性问题。ARINC429 总线采用点到点传输，消息独占总线资源，无访问冲突，不存在总线上的消息调度问题；1553B 总线采用总线型拓扑结构，多个终端连接在一条总线上，多个终端访问同一总线资源，就出现了总线调度问题，1553B 总线采用命令/响应调度策略，在总线控制器的调度下，采用时分多址的访问方式，某个时刻只有一条消息在总线上传输，该时刻消息独占总线资源，不存在访问冲突问题；AFDX 网络采用星型拓扑结构，多个终端连接在交文章编号：1002-0640（2022）11-0153-06Vol.47，No.11Nov，2022火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 47 卷第 11 期2022 年 11 月153（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期换机上，每条物理链路独立工作；AFDX 网络采用基于虚拟链路的流量控制策略，将物理链路分成多个虚拟链路，每个虚拟链路的长度固定、带宽分配间隔固定，传输过程中引起的抖动有一定的范围限制，数据帧可按一定的顺序、无碰撞地进行传输，数据帧端到端的延迟是可控的，但是，当多个终端向同一个终端同时传输数据时，就会产生资源冲突和抢占问题，需设计足够大的缓冲区，消息按优先级进行等待排序，这就会引起延迟和抖动。FC 网络也属于交换式网络，采用缓冲到缓冲的流量控制策略，接收方多出一个空闲接收缓冲区后，就会向发送方反馈准备好信号（RDY），发送方收到 RDY 信号就知晓接收方有足够的空闲缓冲区接收数据帧，可组织数据进行传输。FC 网络属于事件触发网络，节点机发送数据的时刻没有限制，当多个节点同时向同一节点发送数据时，多个数据帧会抢占资源，形成冲突和排队，造成数据的延迟不确定，延迟时间随网络负载的增加而增加，不满足系统的强实时性要求。因此，在从总线向网络发展过程中，关键要解决资源冲突和抢占问题、延迟和抖动的确定性问题。时间触发通信技术可以有效避免传统事件触发机制下，通过大量时间预留来解决多个事件同时发生导致的资源共享冲突问题3-6，本文将详细分析系统架构发展对网络的需求、时间触发网络的特点和优势、时间触发网络的工程化应用，为分布式综合模块化航电系统网络选型提供解决方案。1分布式综合带来的挑战分布式综合模块化电子系统架构（distributedintegrated modular avionics，DIMA）是未来航空电子系统架构的发展方向，其综合了集中式和分立式两种 IMA 架构的设计特点：在分离数据处理和 I/O 处理的同时，将通用处理模块分散放置于机身各处，并使 I/O 接口处理靠近传感器和受动器。相比 IMA架构，DIMA 架构不仅解决了中心计算机功能过于集中且复杂、故障诊断检测及分布式维修不便实现等问题，而且更加强调可重用技术、系统重配置机制、高性能多核处理、增量升级和认证等。DIMA 架构分布式综合的方式会影响协同处理和信息融合的过程，这可能导致关键信息和核心处理的时序错位与失配，以致无法按照预期完成使命任务。例如，目标的位置信息需要通过函数 f（x1，x2，xi，xn）处理获得，其中，xi可表示电磁辐射、红外辐射、GPS 信息等。IMA 架构下各种不同传感器收集的信息汇总到集中处理计算机中，可通过某单一处理模块完成运算。而 DIMA 架构下考虑就近分布处理，该函数运算可能被拆分为两部分 f1（x1，x2，xi）和 f2（xi+1，xi+2，xi+n），分别通过综合化区域DMEA和 DMEB的处理模块完成运算，以缓解 IMA架构下集中处理的压力，并提高运算的速度。将其结果分别标记为 y1和 y2，那么目标的位置信息需要通过 f（y1，y2）运算得到。如果 y1和 y2不同步，f（y1，y2）可能会得到错误的运算结果，如 f（y1，y2）或 f（y1，y2），如图 1 所示。因此，有必要引入以时间为基准的同步机制保证协同处理和信息融合的正确性。图 1不同步可能会导致错误的运行结果（1）另外，不同端系统间的任务可能具有前驱和后续的关系，伴随有严格的时序性要求。将信号处理模块的运算结果分别标记为 x1和 x2。如果模块内分区的轮转激活以及任务执行未进行合理的调度，如图 2 所示，上一级传递下来的消息刚好错过下一级任务的处理，需要等待一个周期后才能得到响应，这样不仅会延长使命任务的端到端响应时间，也可能导致不同数字处理模块运算结果的不匹配。为此，有必要在时间同步的基准上进行精确的调度设计，即实施时间触发调度的策略。图 2不同步可能会导致错误的运算结果（2）因此，为了适应 DIMA 架构中分布式的部署与处理，保证各项功能的正确有效完成，需要依赖精准的全局时间同步基准，匹配合理时间触发调度窗口，即采用时间触发技术。2时间触发网络特点及优势机载数据传输一般分为事件触发和时间触发，事件触发是指当某个事件发生后就触发该事件产1542008（总第 47-）生数据的传输，具有灵活性、适应性较强、响应较为快速等特点7，缺点为数据传输的不确定性，需要花大量时间解决资源访问冲突、延迟和抖动问题，增加系统的复杂性，不适合安全关键系统的数据传输。时间触发是指系统任务的触发执行完全在系统设计阶段预先定义好的时刻进行，不存在资源访问冲突问题，具有确定的延迟和抖动，系统的行为确定，适合安全关键系统的数据传输。确定性传输是指网络中任何节点在任何负载情况下都能在规定时间内将数据发送到目的节点，针对确定性传输问题，业界提出了时间触发传输方法，采用时分复用（time-division multiple access，TD-MA）的方式确保数据的确定性传输8。时间触发传输采用时分复用传输机制确保数据传输的确定性，将一个传输周期的时间划分成若干个时间片（简称时隙），并分配各节点使用，每个节点在各自的时隙内独占信道进行数据传输。基于整个系统的精确时钟同步，采用时间触发技术，网络中的所有节点都按照所分配的时隙进行数据传输，可有效避免各节点抢占物理链路，确保传输延迟的确定性。图 3TDMA 调度TTE（SAE AS6802）是基于以太网的时间触发通信技术9-15，可以有效避免传统事件触发机制下通过大量时间预留来解决多个事件同时发生所导致的资源访问冲突问题。TTE 是在 AFDX 网络基础上实现的时间触发网络协议，综合了 AFDX 和时间触发机制的技术优势，从根本上解决了传统以太网的 CSMA/CD 信道访问机制弊病，使以太网的实时通信应用成为现实。TTE 网络支持 3 种不同类型的数据通信：时间触发（time-triggered，TT）消息：具有确定的延迟和抖动，用于安全关键和任务关键数据传输；速率受限（rate-constraint，RC）消息：规定了最大延迟和抖动，适用于事件触发消息传输；尽力发送（best-effort，BE）消息：没有延迟保障，兼容标准的商用网络传输。TTE 在各种航空航天领域得到了应用，如NASA 把 TTE 网络应用到火星探测项目中，美国西科斯基飞机公司将基于 TTE 协议的 IMA 系统用于新一代航电系统架构中，其时间触发特性，简化了应用开发，使综合工作减到最小，以较低的全寿命周期费用获得新的安全性水平。TTE 不仅可作为新一代飞机航电互连网络主干网，而且可直接连接安全关键子系统，在飞机中真正实现统一网络。基于时间触发的 TTE 网络可同时满足实时（控制系统）和非实时（传统的因特网）应用的需要。时间触发传输具有以下优势：1）避免资源冲突问题：系统基于时间片进行调度，每个消息都在自己的时间片内进行传输，不会引起冲突；2）传输确定性高，提供更高的服务质量保证：数据无论在系统带宽增大情况下或是在同一系统的不同运行周期下，其确定性可以保持前后一致，可控制微秒级的抖动偏差；3）支持混合安全关键业务传输，满足不同应用的需求：能为安全关键、任务关键、时间关键业务提供有保障的服务，提供最小化的调度抖动和固定传输延迟；4）提供故障隔离能力，具有良好的容错性能：将全局时间作为系统的“时间防火墙”，在发生网络故障的情况下，通信控制器或者交换机将阻止网络故障的传播；有助于将 DIMA 核心处理系统的“时-空”处理隔离保障机制向互连网络层次延伸，从