孫磊剛 李國(guó)朋

1.國(guó)防科技大學(xué)試驗(yàn)訓(xùn)練基地；2.國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院

隨著工業(yè)數(shù)字化程度的提高，越來(lái)越多的智能設(shè)備被引入汽車(chē)、飛機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)量增加，帶寬需求在增加，不確定性也在增加，實(shí)時(shí)性的精確程度嚴(yán)重影響系統(tǒng)的故障率，而系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致不可接受的后果。為此，IEEE為網(wǎng)絡(luò)制定一個(gè)通用和開(kāi)放的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)TSN[1]，基于實(shí)時(shí)性研究實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)行為的機(jī)制和功能。我們基于IEEE的TSN標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于OMNeT++[2]的網(wǎng)絡(luò)仿真框架，該框架實(shí)現(xiàn)了IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性控制機(jī)制和模型，并可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)時(shí)間敏感特性進(jìn)行仿真測(cè)試與評(píng)估。

1 當(dāng)前研究工作

當(dāng)前的各種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)仿真框架尚沒(méi)有涵蓋TSN標(biāo)準(zhǔn)。馮澤坤等人[3]提出了一種適用于TSN的基于整數(shù)線性規(guī)劃（Integer Linear Programming, ILP）的動(dòng)態(tài)流量均衡調(diào)度算法，避免出現(xiàn)延時(shí)瓶頸問(wèn)題，進(jìn)而提升通信實(shí)時(shí)性；朱海龍等人[4]提出最近端口主時(shí)鐘備份和主時(shí)鐘相位偏移熱備冗余的方法，用來(lái)提高端口主時(shí)鐘備份和主時(shí)鐘相位偏移熱備冗余度。Shrestha D等人[5]基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)提出了一種增強(qiáng)的精確時(shí)間協(xié)議（PTP），用于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵控制和自動(dòng)化應(yīng)用中部署的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的精確時(shí)鐘同步。

在時(shí)間同步系統(tǒng)中，調(diào)度決策基于全局時(shí)間，協(xié)議需要確保在時(shí)間上連續(xù)同步。然而，無(wú)論系統(tǒng)的冗余程度如何，時(shí)鐘同步都是系統(tǒng)需要解決的瓶頸問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)在時(shí)鐘失穩(wěn)、偏移時(shí)造成故障。引用[6]中抽出的基于三個(gè)及以上全局時(shí)鐘提出了一種可容錯(cuò)的時(shí)鐘同步算法，多個(gè)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制過(guò)于復(fù)雜，并沒(méi)有被成功部署和推廣。本文中我們提出的TSNeT實(shí)時(shí)性仿真框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IEEE相關(guān)實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)并對(duì)OMNeT++平臺(tái)模型的擴(kuò)展，用以解決網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程中的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

2 研究方法

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是在特定的端到端截止時(shí)間內(nèi)為數(shù)據(jù)包提供有保證的傳輸，確定性意味著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的到達(dá)期限得到保證，即使系統(tǒng)存在故障的情況下，也必須堅(jiān)決執(zhí)行為這些數(shù)據(jù)流定義的相關(guān)行為。下面對(duì)TSNeT仿真框架中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1.1 幀搶占

幀搶占定義了如何暫停幀傳輸并讓位于更高優(yōu)先級(jí)的幀的方法。幀預(yù)處理的主要特點(diǎn)在于其時(shí)間調(diào)度系統(tǒng)，擁有高優(yōu)先級(jí)的小控制幀會(huì)被頻繁地調(diào)度，低優(yōu)先級(jí)的更大幀變得不再適合，從而為網(wǎng)絡(luò)提供帶寬優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)于高優(yōu)先級(jí)幀可以實(shí)現(xiàn)較小地延遲和抖動(dòng)。當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)幀被搶占時(shí)，它將被掛起，并將一個(gè)4字節(jié)的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）附加到幀片段，在高優(yōu)先級(jí)幀正常傳輸后，一個(gè)縮短的6字節(jié)前導(dǎo)碼和一個(gè)修改后的起始幀定界符（SFD）和幀片段計(jì)數(shù)器恢復(fù)幀片段的數(shù)據(jù)傳輸，在幀預(yù)處理中，不會(huì)出現(xiàn)堆疊搶占的情況。

2.1.2 幀復(fù)制和幀消除

通過(guò)幀復(fù)制和消除可以提高系統(tǒng)可靠性。在所設(shè)計(jì)的仿真框架中，發(fā)送端口將包含有（數(shù)據(jù)包類(lèi)型、序列號(hào)）的32bit以太網(wǎng)標(biāo)簽插入到所發(fā)送的幀中，在接收端用于識(shí)別和消除重復(fù)數(shù)據(jù)。該框架提供一種簡(jiǎn)單的重復(fù)數(shù)據(jù)消除算法，該算法會(huì)記住最后一次看到的序列號(hào)并只允許接收擁有更高序列號(hào)的數(shù)據(jù)。該算法會(huì)阻止人為生成的副本消息，但它仍可以有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)端口抵擋各種重復(fù)性網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2.1.3 數(shù)據(jù)流過(guò)濾策略

數(shù)據(jù)流過(guò)濾策略定義了流到流的映射，該映射機(jī)制根據(jù)基于時(shí)間的狀態(tài)機(jī)打開(kāi)或關(guān)閉，如果狀態(tài)機(jī)打開(kāi)則允許數(shù)據(jù)流通過(guò)，并進(jìn)一步檢查幀大小和幀計(jì)數(shù)器，應(yīng)用令牌管理模式實(shí)施網(wǎng)絡(luò)流量管理。

2.2 模型構(gòu)建

我們提出的TSNeT實(shí)時(shí)仿真框架是基于INET框架[7]的擴(kuò)展，其本身依賴(lài)于OMNeT++仿真工具。OMNeT++是一個(gè)開(kāi)源的、基于離散事件的網(wǎng)絡(luò)仿真器，INET框架對(duì)當(dāng)前OMNeT++仿真器中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和機(jī)制進(jìn)行了擴(kuò)展，而我們提出的TSNet實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)仿真框架對(duì)INET的主機(jī)、交換機(jī)、鏈路等基本模型進(jìn)行擴(kuò)展，并在其上引入了TSN中的新功能。

2.2.1 時(shí)鐘模型

時(shí)鐘模型實(shí)現(xiàn)TSN應(yīng)用程序的定時(shí)和同步。主要的兩個(gè)功能是：跟蹤單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘和利用時(shí)間同步協(xié)議同步這些時(shí)鐘，如表1所示是網(wǎng)絡(luò)仿真模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

表1 系統(tǒng)時(shí)鐘同步仿真模型Tab.1 Simulation model of system clock synchronization

2.2.2 功能模型

功能模型是由基本模型進(jìn)行組合，再對(duì)其TSN特性參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)配置而來(lái)的。本節(jié)給出了主要功能組件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

（1）流標(biāo)識(shí)和封裝。引入了一個(gè)新的封裝模塊TSN Encap，該模塊的封裝如圖1所示。每個(gè)幀封裝時(shí)在VLAN中進(jìn)行標(biāo)記用于流標(biāo)識(shí)，如果在輸出鏈路上啟用了流標(biāo)識(shí)和封裝，則對(duì)數(shù)據(jù)包添加冗余標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的是從目的MAC和VLAN標(biāo)簽到流標(biāo)識(shí)符、源MAC和VLAN標(biāo)簽的映射或基于源IP地址到目的IP地址的映射。

圖1 TSN數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)、封裝機(jī)制Fig.1 TSN data stream identification and encapsulation mechanism

（2）流過(guò)濾。流過(guò)濾通過(guò)SimpleIEE8021QFilter復(fù)合模型實(shí)現(xiàn)。該模型結(jié)合了幾個(gè)子模型：輸入端的包分類(lèi)器、輸出端的包多路復(fù)用器，以及每個(gè)數(shù)據(jù)流的包計(jì)量器、過(guò)濾器和端口。

數(shù)據(jù)流的處理流程為：當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)SimpleIEE 8021QFilter復(fù)合模型的輸入端時(shí)，首先基于附加的標(biāo)簽信息對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類(lèi)，進(jìn)而分配到過(guò)濾器管理子模型的不同路徑上。該分類(lèi)器簡(jiǎn)單地將流名稱(chēng)映射到輸出門(mén)索引。然后，數(shù)據(jù)包計(jì)量器將數(shù)據(jù)包作為數(shù)據(jù)流的一部分進(jìn)行計(jì)量，并根據(jù)數(shù)據(jù)包參數(shù)將其標(biāo)記為綠色、黃色或紅色。最后，過(guò)濾器檢查數(shù)據(jù)包是否符合條件，決定數(shù)據(jù)包通過(guò)或丟棄數(shù)據(jù)包，流過(guò)濾策略過(guò)程默認(rèn)使用LabelFilter數(shù)據(jù)包過(guò)濾模型，該模型丟棄紅色數(shù)據(jù)包，讓綠色和黃色數(shù)據(jù)包通過(guò)。分組端口還可通過(guò)編程或時(shí)間策略來(lái)自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流的管理模路徑分組。這個(gè)模型的好處是數(shù)據(jù)包不會(huì)在SimpleIEE8021QFilter中排隊(duì)，要么通過(guò)，要么立即丟棄。

3 仿真評(píng)估

3.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

本文所開(kāi)展的仿真都使用如圖2所示網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，該場(chǎng)景配置了連接到交換機(jī)環(huán)（TsnSwitch）的TsnDevice和TsnClck模塊。網(wǎng)絡(luò)中的流量由tsnDevice1和tsnDevice 4之間發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包以及gPTP消息組成。時(shí)鐘配置使用帶有恒定漂移振蕩器的MultiClock和SettableClock模塊。

圖2 RTX+OMNeT++實(shí)時(shí)半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 RTX+OMNeT++ real-time semi-physical network simulation prototype system structure

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 時(shí)鐘漂移仿真

首先評(píng)估仿真系統(tǒng)時(shí)鐘漂移（即時(shí)鐘時(shí)間與模擬時(shí)間的差異）和端到端延遲。對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行正確配置，由于網(wǎng)絡(luò)中一切運(yùn)行正常，交換機(jī)和從節(jié)點(diǎn)定期將其時(shí)鐘同步到主節(jié)點(diǎn)。如圖3所示顯示所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)gPTP時(shí)間域到主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的同步情況，結(jié)果表明，時(shí)鐘漂移模型能夠正確反映仿真系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模型到主時(shí)鐘模型的偏移情況，仿真系統(tǒng)時(shí)鐘的端到端延遲可控制在10um內(nèi)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)正確配置情況下時(shí)鐘漂移仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of clock drift with correct network configuration

3.2.2 時(shí)鐘鏈路故障仿真

此仿真場(chǎng)景下設(shè)置主時(shí)鐘TsnClock1的鏈路故障，鏈路中斷后，網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)時(shí)鐘開(kāi)始彼此分離。使用場(chǎng)景管理器腳本將鏈接中斷時(shí)間安排在2s（即模擬進(jìn)行到一半）。如圖4所示顯示了當(dāng)鏈路存在故障時(shí)仿真系統(tǒng)的時(shí)鐘漂移和端到端延遲。結(jié)果表明，在2s時(shí)因?yàn)橹鲿r(shí)鐘鏈路故障導(dǎo)致時(shí)間同步停止后，時(shí)鐘開(kāi)始發(fā)散，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)TsnClock1脫機(jī)時(shí)，熱備用主節(jié)點(diǎn)TsnClock2無(wú)法再與其同步，其時(shí)鐘從主節(jié)點(diǎn)漂移，表明了仿真模型及仿真框架的正確性。

圖4 網(wǎng)絡(luò)存在鏈路失效情況下時(shí)鐘漂移仿真結(jié)果Fig.4 Clock drift simulation results under the condition of link failure

4 小結(jié)

在本文中，我們提出了一個(gè)基于OMNeT++的TSN仿真框架，該框架實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于時(shí)間同步功能。在正常情況和鏈路故障兩種情景下，對(duì)基于該框架的時(shí)鐘漂移和時(shí)延進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，在正常網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景中，仿真系統(tǒng)設(shè)備中的從時(shí)鐘能夠跟隨系統(tǒng)主時(shí)鐘進(jìn)行10us級(jí)同步，當(dāng)主時(shí)鐘鏈路設(shè)置在2s失效時(shí)，各設(shè)備仿真時(shí)鐘開(kāi)始發(fā)散，不再與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，驗(yàn)證了所提出仿真框架的正確性以及所建立模型進(jìn)行仿真的精確度。

引用

[1]蔡岳平,姚宗辰,李天馳.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與研究綜述[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2021,44(7):1378-1397.

[2]顧林,張佳偉,胡德福,等.基于OMNeT++的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)延遲仿真[J].電子質(zhì)量,2022(6):7-13.

[3]馮澤坤,龔龍慶,徐丹妮,等.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中基于ILP的動(dòng)態(tài)流量均衡調(diào)度算法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2021,38(6):33-37.

[4]朱海龍,嚴(yán)園園.TSN網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘同步可靠性提升方法[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2021,44(2):20-25+46.

[5]SHRESTHA D,PANG Z,DZUNG D.Precise Clock Synchronization in High Performance Wireless Communication for Time Sensitive Networking[J].IEEE Access,2018:1.

[6]王創(chuàng),鄭賓.交互式多模型IEEE 1588時(shí)鐘同步算法[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2019,38(4):13-17.

[7]唐敏.基于OMNeT++的INET框架消息傳遞研究[J].電腦與信息技術(shù),2011,19(1):31-33.