孔 璇，張 雙，劉智武

(中國航空工業(yè)集團公司 西安航空計算技術研究所，西安 710068)

0 引言

在硬實時通信系統(tǒng)中，消息傳輸?shù)淖畲笱舆t必須得到保障且不能容忍任何的數(shù)據(jù)丟失[1]。嚴格的時間確定性，即確定的網絡時延和抖動，對于機載系統(tǒng)中的安全關鍵應用是至關重要的。某些帶有關鍵控制信息的數(shù)據(jù)幀需要按照一定時間周期進行傳輸，一旦時延和抖動超過了上限，可能導致嚴重的機器、設備損壞及人身傷害?；诓煌脑O計思想，目前應用在機載網絡的確定性以太網主要有基于時間觸發(fā)以太網(TTE, time-triggered ethernet)和時間敏感網絡(TSN, time sensitive network)。

在TTE網絡中，消息被劃分為時間觸發(fā)(TT, time-triggered)消息、速率受限(RC, rate-constraint)消息和盡力而為(BE, best-effort)消息[2]。通過對鏈路資源預先規(guī)劃和靜態(tài)時間調度表的設計[3]，實現(xiàn)TT、RC和BE消息在同一網絡中的數(shù)據(jù)轉發(fā)，保證了時間觸發(fā)流量的延時是可控的，并且固定在一定的范圍內[4]。TTE能夠精確描述網絡中各種消息的調度行為，但是實現(xiàn)較為復雜，并且TT業(yè)務的分組調度是根據(jù)時間調度表對緩存空間的讀寫操作，并沒有采取基于排隊理論的網橋實現(xiàn)，和傳統(tǒng)以太網的轉發(fā)交換的具體實現(xiàn)和設計思想存在較大差異[5]。

TSN是由以太網音視頻橋接(AVB, audio video bridging)網絡演進而來的[6]，其通過時鐘同步、流預留、循環(huán)排隊、門控列表和搶占等機制保證了數(shù)據(jù)流的有界低時延。該技術的核心是以時間感知整形(TAS, time-aware shaper)和幀搶占為代表的流量調度算法。

TAS引入了時分多址(TDMA, time division multiple access)的思想，通過門控時間表(GCL, gate control list)控制隊列門控開關的打開閉合，在鏈路上創(chuàng)建獨享的保護窗口[7]，使時間敏感業(yè)務在保護窗口內無干擾地傳輸，從而提供確定的時延[8]。TAS的研究包括最壞情況分析和調度合成。通過最壞情況分析，可以得到通信系統(tǒng)的時延上限。文獻[9]研究了基于IEEE 802.1Qbv的預定流量時間感知，結果表明，TAS可以支持非常低的延遲以及抖動保證，同時，利用幀搶占機制，可以增強整形器的性能；考慮到相同優(yōu)先級幀間干擾的問題，文獻[10]分析了TAS與基于信用值的整形器(CBS, credit-based shaper)的組合性能。然而，基于模擬和形式的方法并不能解決TSN的配置問題[11]，應通過調度合成提高網絡通信的確定性。文獻[12-13]指出，調度合成是通過計算傳輸路由和GCL共同實現(xiàn)的。

幀搶占允許高優(yōu)先級流量中斷低優(yōu)先級流量的傳輸，減少高優(yōu)先級的阻塞時間，解決了保護窗口過長引起的帶寬浪費問題。文獻[14-15]分析了幀搶占調度的優(yōu)勢并給出了時延及抖動性能的優(yōu)化方法。

上述文獻試圖采用商用的TSN數(shù)據(jù)流傳輸場景進行網絡仿真，評估流量調度機制對網絡確定性的影響，且要求應用和網絡完全同步，沒有針對不同關鍵等級的機載業(yè)務給出量化的性能評估。針對上述問題，通過探索TAS和幀搶占算法的特征，推導出一個數(shù)據(jù)流傳輸時延的數(shù)學模型，使用開源TSN網絡仿真平臺，評估了TAS和幀搶占在機載應用場景下的性能結果，分析算法在可靠性、通信性能和適用場景的不同。

1 TSN系統(tǒng)模型

1.1 交換架構

IEEE 802.1Q標準中規(guī)定了TSN交換機架構，如圖1所示，TSN交換機的每個全雙工端口都配置了8個優(yōu)先級隊列。到達交換機的數(shù)據(jù)幀在轉發(fā)到出端口之前，要經過過濾、計時。出端口的8個隊列對應不同的流量類別，交換機根據(jù)優(yōu)先碼將數(shù)據(jù)幀分配給出口隊列，傳輸選擇(TS, transmission selection)從優(yōu)先級最高的隊列頭部選擇符合條件的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送到鏈路上，如果隊列整形器的時隙與數(shù)據(jù)幀配置相符，則允許數(shù)據(jù)幀傳輸。TSN工作組規(guī)定了各種不同的整形器，如嚴格優(yōu)先級和基于信用的整形器(IEEE 802.1Qav)。如圖2所示，TAS是在其他整形器之后生效的，通過TS后，MAC負責傳輸數(shù)據(jù)幀，這里就涉及到幀搶占機制。

圖1 TSN交換機架構

圖2 出端口傳輸選擇(TS)和門控開關

1) 時間感知整形器：TAS是出口隊列的一個門控開關，分為基于流的TAS和基于類的TAS，通過打開或關閉對應的出口隊列來啟用或禁用它，只有啟用的隊列才能進行數(shù)據(jù)流的傳輸。驅動程序根據(jù)GCL來周期地改變門控開關的狀態(tài)。GCL中規(guī)定了門控開關的開啟時間和保持時間，GCL循環(huán)一次所需的時間與網絡周期時間相同。

2) 幀搶占：幀搶占采用了IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br的搶占式MAC傳輸機制，將出端口分為2個MAC服務接口，即快速MAC(eMAC, express MAC) 和可搶占MAC(pMAC, preemptable MAC)。如圖3所示，pMAC可被eMAC搶占，進入隊列后，等待eMAC數(shù)據(jù)傳輸完成后，再傳輸pMAC數(shù)據(jù)。如果沒有幀搶占，一個最大傳輸單元(MTU, maximum transmission unit)幀(1 500字節(jié)) 在1 Gpbps速率下，能夠阻塞端口約12.5 μs，而幀搶占將最大阻塞時間限制為1 μs。如果發(fā)生了搶占，被搶占幀的剩余部分的數(shù)據(jù)負載將重新整合成新的幀，稱為分片，其長度至少為64字節(jié)。端口的出口隊列分為快速隊列或可搶占隊列，分別在eMAC和pMAC中處理快速幀和可搶占幀。

圖3 幀搶占機制

1.2 流

流是指具有傳輸方向的數(shù)據(jù)流。TSN將數(shù)據(jù)流分為同步流、循環(huán)流和“盡力而為”流。對于同步流而言，發(fā)送周期需要高精度網絡時鐘同步技術的支持，數(shù)據(jù)流按照規(guī)定的起始時間和偏移，在指定的網絡周期內完成傳輸。同步流具有最小的端到端時延和最小的抖動上限，例如某些運動控制應用。循環(huán)流的發(fā)送周期無需與網絡周期同步，其傳輸起始時間可以是網絡周期內的任何時刻，其端到端延遲不超過一個網絡周期，抖動以周期時間來衡量。一個網絡周期內，同步流和循環(huán)流只傳輸一幀，最大幀長為300字節(jié)。TSN需要保證最大數(shù)據(jù)負載的同步流和循環(huán)流的時延上限。

1.3 幀延遲

為了確定網絡傳輸時延和抖動上限，需要分析端到端時延的組成因素。

發(fā)送方發(fā)出一幀數(shù)據(jù)，從發(fā)送方開始傳輸數(shù)據(jù)到接收方收到全部數(shù)據(jù)的時間間隔稱為端到端延遲，由傳播延遲、幀相關延遲、幀無關延遲及排隊延遲共同決定，其中前三者統(tǒng)稱為路徑延遲，每個流的路徑延遲是恒定的，它只取決于路徑長度和幀長。因此，保證端到端的傳輸延遲需要確定排隊延遲的上限。

1.4 網絡拓撲

在時間敏感網絡中，主要的網絡構件包括端系統(tǒng)、網絡交換機和物理鏈路。

端系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)流的發(fā)送方或接收方，需要同時支持同步流、循環(huán)流和“盡力而為”流的收發(fā)處理。與傳統(tǒng)以太網不同，TSN端系統(tǒng)集成了時鐘同步模塊和流量整形模塊，基于統(tǒng)一的全局時鐘，能夠滿足數(shù)據(jù)流無沖突的發(fā)送和接收。

網絡交換機主要功能是同時支持TSN三種數(shù)據(jù)流的轉發(fā)，同時，交換機集成了時鐘同步模塊、流量過濾警管模塊和數(shù)據(jù)容錯控制機制。時鐘同步模塊記錄數(shù)據(jù)流通過交換機入端口和出端口的高精度時間戳，以支持網絡各端口隊列的流量整形算法；通過流量過濾管制模塊，可以解決數(shù)據(jù)流在交換機內部的帶寬占用問題，保證數(shù)據(jù)流能夠在流量整形器計劃的時延窗口轉發(fā)出去；交換機轉發(fā)數(shù)據(jù)流的整個過程，采用數(shù)據(jù)容錯控制機制對錯誤進行恢復。

TSN端系統(tǒng)與交換機之間以及交換機與交換機之間，通過物理鏈路兩兩互連的，構成的網絡拓撲按照交換機的互聯(lián)方式可以分為總線型和交換型，如圖4所示。

圖4 時間敏感網絡拓撲結構

總線型拓撲是時間敏感網絡的典型拓撲結構，在工業(yè)界已得到廣泛應用。在總線型拓撲中，每個交換機都需要連接一個或多個端系統(tǒng)，且每個交換機都與其相鄰交換機相連。盡管拓撲結構簡單，但不同調度算法在總線型網絡上的表現(xiàn)出的特征和性能仍存在差異。如果網絡系統(tǒng)需要鏈路冗余，總線型拓撲的通信路徑可以擴展成一個環(huán)，即，將收發(fā)兩端連接成環(huán)形，以防止網絡分區(qū)。

為了提高網絡的傳輸帶寬和冗余容錯能力，機載網絡通常采用交換型拓撲結構。在交換型拓撲中，端系統(tǒng)連接到交換機上，交換機采用級聯(lián)的方式構成交換網絡，交換機與交換機之間至少存在兩條相互隔離的通信鏈路。

2 TSN調度算法

2.1 幀搶占

幀搶占原理如圖5所示，當鏈路中有可搶占幀時，快速幀提出傳輸請求，發(fā)送方首先判斷當前狀態(tài)下是否允許切片操作，如果允許，則在適當位置中斷可搶占幀的傳輸。待快速幀傳輸完成后，被中斷的可搶占幀后半部分會被加上適當?shù)那皩Тa繼續(xù)傳輸。接收方根據(jù)前導碼來判斷幀的類型、進行幀的重組。

圖5 幀搶占原理

幀搶占通過搶占BE幀的傳輸來減少快速幀的排隊時間，可以為單幀的端到端延遲和抖動提供最壞情況下的上限。然而，隨著網絡中快速幀數(shù)量的增加，快速幀不能互相搶占，幀搶占會降級為嚴格優(yōu)先級調度。在最壞的情況下，網絡中所有的快速幀都使用相同的出端口，按照嚴格的優(yōu)先級順序傳輸。幀搶占的端到端延遲和抖動上限主要依賴于發(fā)送方，假設所有的快速幀都是已知的、周期的，通過最壞情況分析，可以計算出每一跳的排隊延遲上限。因此，采用幀搶占調度算法，時延、抖動的確定性強烈依賴于對網絡中所有潛在的快速幀的了解。

2.2 基于流的調度

基于流的調度算法采用了TTE網絡規(guī)劃的思想，關注每條數(shù)據(jù)流的傳輸，它適用于機載網絡同步流的傳輸。為了實現(xiàn)每個流在時間上和空間上的隔離，基于流的調度要求發(fā)送周期與網絡周期對齊，并且需要精確配置每條數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠鹗紩r刻(即GCL)和路由，以保證最小的排隊延遲。由于排隊延遲很小，甚至不存在，流的路徑延遲通常優(yōu)于端到端延遲，從而實現(xiàn)了傳輸?shù)母叽_定性。

基于流的調度只有在轉發(fā)高優(yōu)先級流量時，BE的傳輸門才關閉，因此，網絡的帶寬利用率很高。在機載網絡中，基于流的調度規(guī)劃是一個復雜HP-Hard問題，規(guī)劃難度較大。為了便于應用程序及時地提供數(shù)據(jù)以及網絡在預留的時隙內發(fā)送數(shù)據(jù)，網絡設備需要非常高精度的時間同步。時間上的微小偏差可能導致后續(xù)所有通信錯過時間窗口的級聯(lián)反應，從而產生網絡重新同步的額外時延。為了防止這種情況的發(fā)生，需要對所有的流進行嚴格警管，因此，基于流的調度要求每個流在其路徑上的每個交換機上有兩個門操作。當發(fā)送方發(fā)送了過多流量或是在錯誤的時間發(fā)送流量時，占用了其他優(yōu)先級流量的帶寬，交換機通過其入端口門操作和出端口門操作實施基于流的調度策略，保證了數(shù)據(jù)流的時延。

在交換機的入端口處，設置流過濾器，內建的門操作根據(jù)數(shù)據(jù)幀的特征，如虛鏈路(VLAN)、MAC地址、IP地址等，對轉發(fā)前的每條數(shù)據(jù)流進行約束、監(jiān)管，以防止在交換機出端口處的隊列被非法幀淹沒。交換機在對流量的警管策略上，按照控制方式可以分為以下兩種：

1)對單條流的限流：限制單條流的發(fā)送，降低到過濾器的預設門限值；

2)對單條流的阻斷：完全阻斷錯誤的或流量異常的某條流。

此外，基于流的調度在交換機的出端口處還設置了基于信用的整形器(CBS)，通過門控操作確保交換機在特定的時機將被篩選出的數(shù)據(jù)轉發(fā)出去。

綜上，基于流的調度非常適合于機載同步流的調度，其缺點是規(guī)劃復雜度高，且存在實際的可伸縮性問題(GCL長度)。

2.3 基于類的調度

與基于流的調度相比，基于類的調度是一種保證周期消息的端到端延遲和抖動的TAS方法。如圖6所示，假設發(fā)送方按照如下規(guī)則發(fā)送周期消息：

圖6 基于類的調度

1)發(fā)送周期與網絡周期相同；

2)發(fā)送周期和網絡周期不嚴格對齊；

3)發(fā)送時刻可以偏離發(fā)送周期的±50%，即一個完整的周期。

在基于類的調度中，所有具有相同時延和抖動要求的數(shù)據(jù)流被分配到同一個專用的通信類中。由于TAS只區(qū)分出口隊列，這個通信類需要映射到一個專用的出口隊列上。每個網絡周期開放一次傳輸門，門打開的時間間隔稱為類窗口，其長度可以任意配置，但它需要與網絡中的交換機匹配。由于傳輸門只打開一次，類窗口必須足夠大，以保證所有流都在一個周期內發(fā)送出去。為此，提出下列公式來計算類窗口的大小。

如前所述，所有循環(huán)流，端到端延遲不能大于一個網絡周期時間：

(1)

也可以表示為：

(2)

基于這個約束條件，給出一個基于公式(2)的類窗口大小tw的推導。

該推導適用于基于有向圖G(ν,ε)建模的任意網絡。頂點v代表交換機和主機，交換機的全雙工鏈路用一個出站邊和一個入站邊表示，交換機在出端口配置了隊列和傳輸門，參數(shù)符號見表1所示。

表1 參考符號

(3)

(4)

tcycle和tw與循環(huán)流s無關，故：

(5)

(6)

根據(jù)最長路徑和最大幀長，可以確定路徑延遲：

(7)

(8)

將式(7)和式(8)代入式(6)，可得:

(9)

綜上，tw的值足夠大，當考慮路徑長度和流s其他幀的潛在干擾時，能夠保證每個流都可以到達目的節(jié)點。式(9)提供了一個tw的上限，如果要tw變得更小，有以下3個方法：

2)限制發(fā)送模型所允許的傳輸抖動；

3)使用相應的流量整形和警管策略來執(zhí)行更可預測的行為。

基于類的調度保證了一個周期內的端到端延遲和抖動，通過tw的數(shù)學模型，證明了基于類的調度需要很少的GCL條目，發(fā)送方只需要粗時間同步，由于粗同步精度需要更少的同步時間，基于類的調度允許在運行時動態(tài)地啟用和禁用發(fā)送端口。然而，機載安全關鍵業(yè)務不允許發(fā)生數(shù)據(jù)丟棄，因此，基于類的調度需要在交換機上有大量高優(yōu)先級的緩沖區(qū)。由于計算tw時考慮了最壞情況，類窗口很大，而tw的空閑時間不能被BE使用，導致帶寬效率很低。

綜上，基于類的調度提供了端到端延遲和抖動保證、同步開銷和網絡配置之間的權衡，但代價是更寬松的邊界和更大的緩沖區(qū)。

3 仿真分析

為了測試幀搶占和TAS算法在機載網絡業(yè)務流量下的最佳和最壞邊界，使用離散仿真工具NeSTiNg開展調度算法的性能評估，該工具擴展了OMNeT++/INET協(xié)議棧的TSN功能，包括幀搶占、TAS和基于信用的整形[16]。

3.1 仿真模型

OMNeT++可以用于模擬通信網的業(yè)務流，通信協(xié)議的模型，排隊網絡以及多處理器和分布式系統(tǒng)[17], NeSTiNg作為融合IEEE TSN網絡的模擬器，可以塑造各種流量整形器的模型，還可以模擬交換機入端口、出端口的虛鏈路(VLAN)標記和多個分支、循環(huán)的控制功能。

如1.4節(jié)所述，為了更加真實地反映調度算法在機載背景流量下的性能，采用交換型拓撲開展仿真驗證。端系統(tǒng)和交換機的仿真模型設計具體如下：

1) 端系統(tǒng)模型：主要由時鐘同步模塊、帶寬預留模塊、發(fā)送模塊和接收模塊構成。

(1)時鐘同步模塊：負責為網絡模型提供統(tǒng)一的全局時鐘，OMNeT++提供了sim_Time( )函數(shù)，可以獲取當前仿真系統(tǒng)時間值，其精度符合 高精度時間同步協(xié)議(PTP，precise time protocol)的要求[18]，主節(jié)點的時鐘同步模塊通過調用該API將全局時鐘同步至從節(jié)點的時鐘模塊。當端系統(tǒng)模型發(fā)送或接收數(shù)據(jù)流時，其內部的數(shù)據(jù)幀處理函數(shù)調用INET框架提供的IEEE802時鐘模塊接口函數(shù)獲取當前時間戳，并將其嵌入至發(fā)送數(shù)據(jù)幀或接收數(shù)據(jù)幀中。時鐘同步模塊提供時鐘同步周期處理功能，即當時鐘同步周期開始時，時鐘同步模塊向全網廣播時鐘同步數(shù)據(jù)幀；當主節(jié)點接收到從節(jié)點的延遲響應請求時，檢查時間戳信息和數(shù)據(jù)幀類型，調用OMNeT++的getHardwareDelay( )函數(shù)，模擬硬件延時，隨后將時間戳嵌入應答數(shù)據(jù)幀中發(fā)送至從節(jié)點。此外，從節(jié)點的時間同步模塊通過調用updateClock( )函數(shù)，修正本地的時鐘偏差。

(2)帶寬預留模塊：負責為發(fā)送方和接收方預留充足的通信帶寬，主要包括通信節(jié)點注冊函數(shù)、網絡配置更新函數(shù)、通信節(jié)點故障管理函數(shù)等。對網絡中發(fā)送方模型和接收方模型內的每一條數(shù)據(jù)流創(chuàng)建唯一標識符StreamID, 通過定義數(shù)據(jù)流的發(fā)送方標識、接收方標識、數(shù)據(jù)幀負載長度、數(shù)據(jù)幀間隔、保護窗口長度等參數(shù)，配置仿真環(huán)境的背景流量。例如，帶寬預留模塊通過調用OMNeT++內建的getCurrentPeriod( )、getCurrentTicks( )獲取當前時刻并判斷該時刻是否在保護窗口內，通過調用INET框架的各類EVENT狀態(tài)和EtherFrame類型，創(chuàng)建或注銷特定的數(shù)據(jù)流。

(3)發(fā)送模塊：負責數(shù)據(jù)幀的發(fā)送控制，在模塊出口隊列處構建調度模塊，將不同數(shù)據(jù)流輸出到交換機的入端口上。根據(jù)IEEE802.1協(xié)議規(guī)定，在NeSTiNg調度模塊中，每條數(shù)據(jù)流通過VLAN標識映射到深度為8的發(fā)送隊列上，基于類的調度算法通過VLAN標識中的一個3位的優(yōu)先級碼點(PCP，priority code point)為每一類數(shù)據(jù)流配置不同的GCL長度。此外，發(fā)送模塊還具備發(fā)送處理接口函數(shù)，負責傳輸門發(fā)送數(shù)據(jù)幀的邏輯判斷。

(4)接收模塊：負責從交換機的各個出端口接收數(shù)據(jù)流，通過調用各個數(shù)據(jù)流的數(shù)處理模塊完成。

2) 交換機模型：主要由交換轉發(fā)模塊和端口調度模塊構成。

(1)交換轉發(fā)模塊：負責數(shù)據(jù)流在交換機內部的數(shù)據(jù)處理，主要由INET框架的鏈路組件實現(xiàn)。通過構建MAC模塊模擬傳輸和轉發(fā)延遲，構建轉發(fā)模塊跟蹤數(shù)據(jù)幀從交換機入端口隊列到出端口隊列的流動，通過中繼單元的延遲模塊，模擬交換機的處理延遲，最后根據(jù)VLAN標識將數(shù)據(jù)幀移交至不同的出端口隊列。

(2)端口調度模塊：負責交換機入端口及出端口的調度算法實現(xiàn)。交換機除了具備端系統(tǒng)發(fā)送模塊和接收模塊的功能外，還需構建基于流的檢索模塊，通過PCP值，傳輸門選擇適合傳輸?shù)南乱粭l數(shù)據(jù)流。控制路徑分為從入端口向下到出端口，以及從出端口向上轉發(fā)。在向下控制路徑空閑之后，傳輸門才能觸發(fā)對新到達的數(shù)據(jù)流的處理；在向上控制路徑空閑之后，傳輸門根據(jù)GCL依次輪詢，排隊等待下一條符合條件的數(shù)據(jù)流。

3.2 仿真過程

使用網絡規(guī)模nl∈(10,20,30,50)為的網絡拓撲,鏈路帶寬均為1 Gbps。遍歷nl值，隨機為網絡分配nl個同步流、周期流和“盡力而為”流傳輸業(yè)務，以模擬不同的機載業(yè)務。具體如下：

1)同步流參考了文獻[19]中TT業(yè)務幀的數(shù)據(jù)負載、發(fā)送周期、門控開關的保護窗口等參數(shù)，即配置同步流的發(fā)送周期分別為2 000 μs、8 000 μs、16 000 μs、32 000 μs，配置同步流的幀間隔分別為2 000 μs、4 000 μs、8 000 μs、16 000 μs，消息負載可變且無分組轉發(fā)，優(yōu)先級最高，不同任務流量的優(yōu)先級可變，具有一定隨機性；

2)周期流參考了文獻[20]中機電系統(tǒng)采集、狀態(tài)判斷、控制、告警發(fā)送、數(shù)據(jù)處理、異常處理、故障記錄等任務的特征，即配置周期流的任務周期分別為100 ms、200 ms、400 ms，消息優(yōu)先級中等，且不同任務流量的優(yōu)先級不同，任務周期越小，優(yōu)先級越高；

3)“盡力而為”流參考了文獻[21]中機載視頻影像的業(yè)務特點，配置“盡力而為”流的數(shù)據(jù)負載為需要分組發(fā)送的長消息，消息優(yōu)先級最低，不同任務流量的優(yōu)先級相同。

隨后，隨機選擇一個發(fā)送方及一個接收方，在基于流的調度仿真中，每個節(jié)點只模擬單個流的源節(jié)點以及多個流的目的節(jié)點，流的負載在間隔[64 B,300 B]中隨機抽取。幀搶占仿真時，發(fā)送方以線路速率向接收方發(fā)送可搶占的BE幀。

3.3 仿真結果分析

圖7列出了3種調度算法的累計排隊延遲，即單個幀在從發(fā)送方到接收方的路徑上等待隊列所花費的總時間。

在圖7(a)中，可以看到，在機載網絡業(yè)務流量下，幀搶占產生的累計排隊延遲的平均值是微秒級的。然而，幀搶占最壞情況下的延遲超過300 μs，這個數(shù)量級比平均累積排隊延遲大很多，也就是說，即使只有一個業(yè)務類別使用快速幀，由于排隊延遲的變化，端到端延遲也會有差異。此外，由于流量分配的隨機性，nl值的增大并不一定會使排隊延遲變小。統(tǒng)計結果表明，對于關鍵等級高的實時業(yè)務，采用幀搶占并不能保證確定性，需要提前對整個機載網絡業(yè)務進行充分的規(guī)劃和編排。

在圖7(b)中，可以看到，在機載網絡業(yè)務流量下，基于流的調度可以可靠地實現(xiàn)接近零排隊，最大累計排隊時延為5.1 μs。然而，高確定性帶來的問題是，需要使用強大的網絡配置工具，對每條機載業(yè)務數(shù)據(jù)流進行規(guī)劃，解決NP-Hard問題。

基于類的調度的仿真結果如圖7(c)所示。nl的值越大，累計排隊延遲就越小。主要有以下兩個原因：

圖7 仿真結果分析

首先，由于tcycle是恒定的5 ms，隨著機載網絡規(guī)模和業(yè)務數(shù)量的增加，nl越大，類窗口tw就越大，即當傳輸門關閉時，數(shù)據(jù)到達接收方所造成的排隊延遲就越??；

4 結束語

文章研究了TSN的3種調度算法，即幀搶占、基于流的調度和基于類的調度，分析了這些算法的工作原理，建立了數(shù)學模型，開展了機載應用場景的仿真。結果表明，幀搶占不需要網絡同步，但其確定性強依賴于對機載網絡潛在有沖突的快速幀的規(guī)避；基于流的調度適用于機載強實時業(yè)務，但規(guī)劃較為復雜，且存在GCL長度伸縮的問題；基于類的調度適用于周期業(yè)務，它很容易進行配置規(guī)劃，但由于類窗口較大，帶寬效率較低?？傊?，每種方法都可以服務于特定的、對網絡存在不同要求的機載應用，單一的調度算法不能服務于所有的機載業(yè)務，因此需要將這些算法組合起來。綜上所述，后續(xù)需評估網絡調度算法之間的相互作用，為進一步的研究提供充分的機會。