TTE 网络混合关键性通信的仿真与性能分析

贾琪明， 李 峭， 熊华钢

(北京航空航天大学，北京 100191)

0 引言

对于具有实时性要求的分布式计算机系统，实时通信是其性能保证的必要条件之一。在不同应用背景基础上，提出了相应的实时通信协议，例如Profibus，CAN，TTP［1］和FlexRay［2］等。然而，近年来，随着以太网实时适用性改造技术的成功应用，在标准以太网物理层和帧定义基础上扩展的网络互连技术，如ARINC664 Part 7标准定义的AFDX 网络［3］、SAE AS6802 标准定义的时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet，TTE)［4］被应用于包括航空航天系统在内的安全关键性或任务关键性实时系统。其中，TTE 网络将时间触发机制透明地集成在传统以太网协议栈中，在IEEE802．3 以太网原有的介质访问控制子层(MAC)之上加入了一层同步协议层，通过交换式网络中的时间同步技术进行全局时钟同步。支持时间触发(Time-Triggered，TT)流量，在网络运行的时候，根据调度时刻表发送和转发时间触发关键流量，保障了时间关键流量的传输，提高了网络的确定性和实时性;同时，还兼容多种由事件触发的虚拟链路通信类型，进而将不同时间关键性应用任务集成到统一的实时网络中，构成具有混合关键性保证的分布互连实时系统，即混合关键性实时系统。

TTE 网络已经在航空航天嵌入式平台的系统互连中得到应用，例如美国的Orion 载人飞船采用基于1000BASE-CX 物理层和双冗余配置的TTE 网络综合互连方案。

对于TTE 网络的实时通信性能进行评价，可以采用最坏情况分析方法或仿真分析方法;前者包括轨迹法、确定性网络演算［5-6］和形式化证明［7］等，得到的是保守的理论界限;与之相比，仿真虽然很难得到性能的边界，但有助于了解系统在运行状态的行为［8-9］，得到的仿真数据经过分析计算，可以与理论计算结果进行趋势性的对比。

近年来，STEINBACH 等学者在已有仿真平台的基础上构建了TTE 网络协议模型，然而这种实现方法不利于灵活调整模型参数。本文所述的工作采用自行开发仿真内核的实现方法，利用离散事件仿真的方法调度各仿真模型之间互相访问的行为，并合理地解决了使用事件仿真引擎调度具有全局时钟同步的通信操作的问题。

通过分析TTE 网络的操作规程，以基本的网络组件来抽象化TTE 网络中的端系统、交换机、链路等设备，并生成TT 和RC (Rate-Constrained)混合关键性实时保证流量，以及优先级低于前两者的“尽力传”(Best Effort，BE)背景流量，给出了双冗余网络机制的仿真方法，精确地展示了TT 流量和RC 流量经过各级交换路径的转发、流量管制、多路复用和冗余网络合并选择等操作，并关注流量端到端延迟和时延抖动的分析计算。

1 TTE 网络中的混合流量

TTE 网络采用全双工通信链路，设备分为端系统和交换机两类，采用星型结构与网状结构混合的互连构型。如图1 所示，交换机与终端之间采用全双工点对点接入，为星型结构;交换机与交换机之间是网状结构。在交换结构的基础上，端系统还可以通过不同的端口分别接入双冗余网络。

图1 TTE 网络构型Fig．1 The topology of a TTE network

TTE 网络按照流量的时间关键特性，从高到低将混合关键性流量分为以下3 类。

1)TT 流量。完全是严格按照离线设计的调度时刻表，在预先定义的时间段内进行发送和转发，保证带宽和延迟是预先确定的，具有最高的优先级。

2)RC 流量。保证对于每个应用具有预先定义的带宽，但对于具体发送的时刻没有预先规定，可以通过最坏情况下的理论分析得到延迟和抖动的界限。

3)BE流量。可以认为是没有实时性服务质量保证的背景流量，只有在TT 流量和RC 流量被保证的前提下才会利用剩余空闲的传输资源。

图2 所示为混合流量在物理链路上的传输。如图所示，一个交换机将来自两个端系统的流量进行综合，其中，TT 流量按照集成周期和集群周期依照调度时刻表进行TDMA 调度;而RC 流量和BE 流量在未被TT流量占用的空隙中传输，同时RC 流量的帧间隔还必须满足带宽分配间隔(Bandwidth Allocation Gap，BAG)的要求，以保证为每次传输配置充足的带宽。

图2 TTE 流量示例Fig．2 Sample flows in TTE

2 TTE 网络的仿真模型

采用面向对象的方法对TTE 网络的端系统、交换机、混合流量进行抽象建模，其中，TT 流量的交换主要根据调度时刻表控制每个端系统和交换机上的发送和接收窗口，同时在仿真中还考虑更加灵活的情况，被称为调度解释(schedule interpretation)［10］，即当某个端系统决定不使用分配给它的时间窗，交换机识别该发送器没有被激活，将省下的带宽供其他等级流量使用;而对于处于低优先级的RC 流量，异步工作的通信控制器可能在同一时刻点向同一交换节点上的多路复用器发送流量，形成缓冲排队，而可变的排队等待时间正是导致RC 流量时延抖动的主要原因［11］，需要对各交换节点上的处理机制进行抽象建模。

在交换机中，每一个输入端口都有专用的缓冲队列，并且对于TT 流量、RC 流量和BE 流量进行优先级排队。交换机根据静态的路由信息，通过识别输入端口收到数据包的VL 标识符进行转发。对于TT 流量，交换机具有时间窗检查机制;对于RC 流量中的每条VL 采用漏桶流量管制算法，限制其突发度。图3 所示为能够处理混合关键性流量的交换机端口功能模型，一台TTE 交换机具有多个这样的交换机端口。

仿真引擎通过面向对象的编程来实现，事件的生成和推进被封装在对象类的成员函数中。值得指出的是，对于TT 流量，由于事件必须在规定的时间窗内发生，因此，事件的发生不仅取决于类中的成员函数，还应该同时满足调度时刻表的要求，如图4 所示。

图3 TTE 交换机端口的仿真模型Fig．3 Simulation model of TTE switch port

图4 TT 流量调度引擎Fig．4 The scheduling engine of TT flows

3 流量端到端延迟分析

在航空电子综合化互连的应用场景下，主要考虑应用程序通过端系统接入网络，并通过各级交换节点直到目的端系统过程中的各种类型的延迟，通信任务端到端延迟是一个重要的性能指标，时延抖动则是表征端到端延迟性能的关键参数，它度量了最大传输时延和最小传输时延的差值。

将各种网络组件的模型组成完整的端到端通信网络，如图5 所示。

图5 端到端延迟分析Fig．5 End-to-end delay analysis

给定某条VL，对于属于它的数据帧，测定从信号源的发送时刻与目的端系统接收到该帧的时间差值，取多条这样的数据帧的仿真数据，统计分析得到该VL端到端延迟的平均值、最大值、最小值和标准差，有助于评估其时延抖动情况。

其中，每次的端到端延迟是这样计算的:假设TTotal_delay表示每条VL 总的端到端延迟，TES_Send_delay表示端系统发送流量过程中的传输延迟，Tswitch_delay表示流量在各交换机传输中的延迟，TES_Recv_delay表示端系统接收流量过程中的传输延迟，那么总的延迟计算方法为

假设VL 的当前长度为LVL，则可以将这3 个部分的延迟具体分解为

式中:Tsend_tech_delay，Tforward_tech_delay，TRecv_tech_delay和Tfilter_tech_delay为技术延迟;TES_mux_delay和TSW_mux_delay为排队延迟;Ttrans_delay为VL 数据包在物理链路上的传输延迟，它取决于VL 数据帧长度LVL和物理链路的传输速率C。

4 仿真软件的实现和性能分析

采用C++编程语言完成了各网络元素模块的开发，包括端系统、交换机、链路、不同类型流量、VL 等网络元素的实现，在Virtual Studio 的MFC 框架下实现了仿真功能、性能评价功能以及图形化的集成用户界面，并能够对不同类型的混合关键性流量的端到端延迟情况进行综合比较分析，评估网络的实时性，同时，还采用了时间窗和流量管制机制分别对TT 流量和RC 流量的丢包率进行统计，验证网络的传输可靠性。

4．1 仿真实验案例

为了分析TTE 网络运行过程中混合关键性流量的传递机制和各网络组件的调度行为，本文给出一个利用该性能仿真工具进行分布式仿真的实例。表1 所示为实验配置参数，实验中的TTE 网络拓扑包括23 个端系统和5 台交换机;链路传输速率为100 Mbit/s ;流量配置包括TT 和RC 的混合流量，共设有128 条VL，限于文章篇幅，表1 只列出典型的8 条VL 参数。

表1 混合关键性流量配置Table 1 Mixed-criticality flows configuration

续表1Continued from Table 1

4．2 仿真结果与分析

将配置参数输入到仿真软件中，运行结束后可以统计得到网络模型的仿真结果。在图6 所示的仿真场景下，表1 所列8 条VL 的仿真结果如图7 和表2 所示。

图6 TTE 网络仿真拓扑结构Fig．6 The simulation topology of the TTE network

观察图7 可见:

1)在相同长度、周期、路径等参数配置下，图7a中VL3 所承载的TT 流量端到端延迟明显较VL7 承载的RC 流量小;

2)对比图7a 中VL8 和图7b 中VL6 可知，当RC流量较长且链路利用率较高时，时延抖动会相应增大，表明RC 流量的端到端延迟和抖动主要与各交换节点多路复用排队机制以及自身长度有关;

3)观察图7a 中VL1 和图7b 中VL4，TT 流量的发送与接收由调度时刻表中的时间窗决定，能有效避免因流量长度变化而导致的突发度影响。

表2 给出了各条VL 端到端延迟的统计参数。可以看出:当TTE 网络存在TT/RC/BE 混合流量时，TT流量的时延抖动可有效控制在亚微秒量级;当采用双冗余网络后，仿真结果依然能满足设计要求，这表明TT 流量具有严格的时间确定性;当网络中存在高优先级的TT 流量时，RC 流量的端到端时延抖动依然处于ARINC664 Part 7 协议规定的500 μs 范围内。

图7 混合流量端到端延迟曲线图Fig．7 End-to-end performance curve of the mixed-criticality flows

表2 端到端延迟分析Table 2 Delay analysis of mixed-criticality flows

5 结论

以离散事件的方法构建了时间触发网络仿真模型，完成了一套完整的TTE 网络实时通信仿真工具，具备了对于混合关键性流量进行端到端延迟和抖动数据分析的能力。通过结合实验案例对延迟曲线的均值、极值和标准差等统计数据进行分析比对，表明TT 流量具有严格的时间确定性，同时，RC 流量能够在合理配置的前提下与TT 流量共存，但其时延抖动参数在网络利用率较高的情况下波动较大，比TT 流量的延迟高1 个数量级，说明对于大型机载航电系统等具有高安全性等级的应用，时间触发通信具有技术优势。该模型进一步揭示了混合关键性流量的传递机制，为设计和改进分布式综合航空电子系统提供了重要的理论依据。

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