面向載人月球探測的確定性以太網應用研究

陳朝基，孫寅涵，孫志剛，王 丹，何熊文，程博文，劉 巖，訚耀保

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.國防科技大學計算機學院，長沙 410073）

0 引言

20 世紀1969 至1972 年間，美國通過阿波羅計劃先后6 次搭載航天員成功登月。當前，世界主要航天國家再次掀起載人月球探測熱潮。2019 年美國發布阿爾忒彌斯重返月球計劃，預計在2025年前后實現載人登月［1］，后續將支持月面長期駐留，并為載人火星探測奠定基礎。俄羅斯也制定了自己的載人月球探測計劃，目標是2030年前后實施載人登月，2035 年后建成月球基地。歐洲、日本等通過國際合作的方式積極參與美國主導的阿爾忒彌斯計劃，印度也在積極發展月球探測和載人航天計劃。中國經過載人航天與探月工程的發展，開展載人月球探測的時機已經成熟［2］，目前已完成關鍵技術攻關，正在穩步推進載人月球探測的相關研制工作。

各國的載人月球探測規劃基本都包含了載人登月、月球基地建設以及遠期的月球資源開發利用發展階段。未來的載人月球探測任務將是一個由月球科研試驗站、月面移動實驗室、月面著陸器、航天員、月球車和機器人（如圖1 所示）等組成的人機聯合探測系統，將更聚焦月球科學探測和資源的開發利用［3］。月球探測航天器的設計需支持由月球車自主或航天員駕駛實現月面的大范圍移動探測，支持月面機器人協助航天員開展月面作業、科學探測和資源開發利用；這與阿波羅計劃只以成功實施登月為核心任務相比，需要航天器具備更長周期、更大范圍的月球探測能力。因此對航天器信息系統數據傳輸能力的要求也越來越高，基于傳統數據總線的航天器信息系統設計將面臨較大挑戰，亟需開展新一代載人月球探測航天器高速數據總線的探索研究。

圖1 載人月球探測任務場景示意圖Fig.1 Manned lunar exploration mission scene

針對載人月球探測任務中的信息系統數據總線設計問題，本文首先分析了載人月球探測任務對航天器信息系統數據傳輸的需求，然后介紹了確定性以太網技術的產生背景、技術原理和發展現狀，其次總結了確定性以太網技術的工程應用存在的難點和關鍵技術，最后提出了面向載人月球探測任務的航天器信息系統確定性以太網技術發展趨勢和應用構想，為我國未來航天器信息系統數據總線的設計和實現提供思路。

1 載人月球探測信息傳輸需求分析

載人月球探測航天器信息系統的數據總線用于實現器內各電子設備的信息互聯和數據傳輸功能。伴隨著載人月球探測從簡單的月面巡視探測向月球基地建造以及更為復雜的月面資源開發利用方向發展，航天器信息系統的數據管理和傳輸任務將呈現出數據量大、類型復雜、實時性要求高［4-5］等特點，其中確定性是指傳輸任務能夠在指定的延時及有界的抖動范圍內完成傳輸。這對航天器的數據總線性能提出了更高的要求：

1）在帶寬資源方面，通過器內總線進行數據交換、信息共享和綜合處理的數據量日益增加，除了需傳輸航天器的狀態遙測、控制指令等平臺信息和各種載荷設備的大容量試驗數據外，還需要傳輸支持航天員在軌長期駐留的儀表系統顯示、告警數據和生命保障系統的圖像、話音、視頻、醫學生理數據等。這需要航天器的數據總線具備高帶寬、高可靠、低時延、高確定性等傳輸能力，支持航天器的高性能計算機實現月面多種異構資源的綜合調度和管理。

2）在輕量化設計方面，傳統航天器的信息系統一般采用CAN［6］或1553B［7］總線作為骨干網絡，此外選用SpaceWire［8］、1394 等總線起到輔助連接作用，造成了航天器內部總線電纜走線復雜，系統重量代價大，與航天器信息系統設計的集成化和輕小型化的發展趨勢不相匹配［9］。

航天器網絡中傳輸的數據業務有多種不同的類型，不同類型的業務對星上數據總線傳輸的速率和實時性要求也不同：①航天器的平臺狀態遙測和儀表系統顯示、告警數據按照特定的周期下行，地面上行的控制指令則具有突發性，這些業務雖然數據量不大，但需要按照嚴格的時間傳輸，對實時性和確定性要求高。②航天器下行的圖像、話音、視頻、載荷試驗數據、醫學生理數據等雖然數據量大，但其對信息傳輸的實時性要求不高。在綜合考慮航天器數據總線通信速率、可靠性、可擴展等要求的基礎上，如何用較小的代價實現航天器平臺的低速高可靠遙測數據、控制指令與圖像、話音、視頻、載荷試驗數據、醫學生理數據等高速信息的一體化混合傳輸，是未來載人月球探測任務中航天器信息系統設計所面臨的緊迫問題。

航天器的數據總線傳輸速率目前的發展情況如圖2 所示，目前應用廣泛的Ethernet 為千兆以太網，主流的時間觸發以太網（Time-Triggered Ethernet，TTE）交換設備支持的速率為千兆，時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking，TSN）產品已經支持萬兆的交換速率，總線傳輸速率整體呈現出不斷上升的趨勢。CAN、1553B、SpaceWire、1394b 等總線體制存在通信速率低、支持的互聯節點數量少等不足，無法滿足未來航天器的大數據量實時通信需求。普通以太網具有豐富的帶寬資源、良好的擴展性和兼容性，但只提供盡力而為的轉發服務，無法滿足航天器信息系統對實時性、可靠性和確定性通信的需求。因此工業界嘗試增加額外的機制對以太網技術進行增強，例如TTE和TSN網絡。

圖2 航天器總線網絡發展趨勢Fig.2 Development trend of spacecraft bus network

2 確定性以太網技術研究進展

2.1 確定性以太網產生背景

自1973 年誕生以來，以太網技術得到快速發展，成為最有生命力的網絡技術。在數據中心網絡、企業網、城域網、工業控制網絡中得到了廣泛的應用，速率從最初的10 Mbps，已經發展到100 Gbps和400 Gbps，800 Gbps 以太網［10］接口的規范也已經開始制定。在航天領域，中國空間站中采用千兆光纖以太網傳輸航天員生理數據和圖像話音數據，采用萬兆光纖以太網［4］傳輸空間試驗載荷數據。

以太網來源于商業應用，具有標準開放、接口成本低、管理手段成熟等優點。其優點是簡單，但只提供盡力（best effort）服務，無法為應用提供“零丟失”和“確定延時”的交換服務，難以用于各類關鍵任務系統。因此，工業界根據不同的領域特點，提出了多種以太網增強定制方案。

1）航空以太網

隨著智能化應用的發展，航空電子系統對信息傳輸網絡的綜合化、可擴展性、帶寬、傳輸實時性、可靠性等的要求越來越高。2005 年空客公司提出航空電子全雙工交換式以太網AFDX［11］（Avionics full duplex switched ethernet），后成為ARINC664 標準（是美國ARINC 公司制定的航空電子標準），修改MAC 地址語義，引入虛擬鏈路（Virtual link，VL）區分各類業務。AFDX 將ARINC429 定義的100 kbps總線帶寬提高1 000 倍，在B787、A380、C919 等型號的飛機電控系統中使用。

2）列車以太網

列車通信網絡是列車上的核心子系統之一，也是列車電氣傳動技術體系中的關鍵技術。隨著車載業務的發展，已有MVB/WTB 技術已經不能滿足應用需求，為此，全國牽引電氣設備與系統標準化技術委員會（SAC/TC278）采用IEC 標準制定了國家標準《軌道交通電子設備 列車通信網絡（TCN）第2-5 部分：以太網列車骨干網（ETB）》（GB/T 28029.6—2020）［12］。ETB 修改以太網物理層，以適合列車的快速重新編組和對故障車廂的旁路，利用列車骨干網線性組網拓撲，重新設計以太網的拓撲發現、地址學習和轉發表生成機制，將基于總線的WTB 技術（1 Mbps）提升100倍。

3）車載以太網

2011 年，NXP、博通和寶馬攜手創建OPEN（One-pair ethernet，OPEN）聯盟［13］。該聯盟是一個非盈利性開放行業聯盟，主要由知名汽車主機廠和相關技術供應商組成，目標是將基于以太網的通信廣泛應用于汽車網絡。OPEN聯盟成立了14個技術委員會，分別致力于制定和統一IEEE 100BASE-T1、1000BASE-T1 及1000BASE-RH 等通信方式的物理層、協議一致性和互操作性等規范；同時通過制定線束、交換機、ECU 和其他功能需求及測試規范，幫助Tier1 和汽車制造商完善汽車以太網生態系統，如TC8 委員會制定的ECU 級別物理層、數據鏈路層、TCP/IP 協議層、SOME/IP 測試規范，TC2 制定的汽車線束和接插件的測試規范。OPEN 聯盟將以太網應用于汽車網絡，基于車載以太網只需傳15 M的需求，簡化以太網物理層，將100 M以太網的傳輸由兩對雙絞線變為一對，將CAN等車載總線帶寬提升100倍。

作為以太網標準制定的組織，IEEE 發現各種行業定制以太網后帶來的問題：①以太網技術分裂，每個領域根據特定需求對以太網技術進行裁剪或者增改，制定相應的行業標準，使得以太網技術難以保持通用性的特征；②知識產權問題，用戶被領域內供應商鎖定，這與以太網技術開放性的初衷相悖。為此，2012年IEEE 802.1工作組成立TSN 任務組，開始TSN標準的制定。

2.2 時間觸發以太網簡介

2.2.1 工作原理

時間觸發以太網由時間觸發協議（Timetriggered protocol，TTP）技術發展而來［14］，面向封閉網絡環境，采用容錯全局時間同步、離線規劃、資源預約、時間感知整形等機制?；跁r間觸發以太網的混合流量交換示意如圖3所示。

圖3 基于時間觸發以太網的混合流量交換示意圖［15］Fig.3 Basic Principals of Time-Trigger Ethernet［15］

TTE 使用的時鐘同步協議具有較強的容錯能力，將網絡設備劃分為3 類：同步主機（SM），壓縮主機（CM）以及同步客戶端（SC）。其中SM 和CM 是時鐘質量較高的設備，主動參與同步校正值的計算；而SC 是時鐘質量較差的設備，只能被動接受同步。同步過程包含兩步：第1步是所有的SM 在本地時間為0的時刻向CM發送同步幀，CM收到所有SM的同步幀之后進行本地時鐘校正值的計算，修正本地時鐘；第2 步是CM 將所收到幀壓縮并回復至所有的SM和SC，SM和SC在收到壓縮幀之后利用該幀計算校正值并修正本地時鐘。協議中使用了容錯握手機制，基于滑動窗口的容錯均值算法和結團檢測機制等容錯方法，使正常設備能夠在系統內出現錯誤的情況下依然保持同步。

TTE 將網絡中的流量劃分為3 類：時間觸發（TT）流量、速率限制（RC）流量以及盡力而為（BE）流量。其中TT 和RC 流都是需要預先離線規劃，具有確定的端到端延時的上界和下界。每個設備會為不同類型的幀分配不同的緩沖區。離線規劃每個幀的發送時間，以時間觸發的方式發送，控制“關鍵幀”的端到端的延時。

2.2.2 標準體系及應用

2011 年，國際自動機協會（SAE）將美國霍尼韋爾和奧地利TTTech 公司的TTE 技術制定為AS6802標準［15］，核心是拜占庭容錯的時間同步以及時間觸發調度。除了時間同步，其他關鍵技術沒有公開的標準和規范。

2019 年，美國（NASA）、歐洲（ESA）、加拿大（CSA）、日本（JAXA）和俄羅斯（Roscosmos）等國際空間站成員單位，面向深空探測中不同航天器間的互連協作需求，共同制定以TTE 為核心的國際航電系統互操作標準IASIS（International avionics system interoperability standards），將TTE 作為下一代航電系統集成的框架。

TTE 總線技術已應用于國際上的多項航天任務，例如分別于2014年12月、2022年12月完成地球軌道和月球軌道無人飛行驗證的美國獵戶座載人飛船使用18 塊TTE 交換卡組成三平面冗余的交換架構，共連接46 個端節點，使得通信帶寬比原有系統提升了1 000 倍［16］。歐洲ESA 的下一代重型運載火箭阿麗亞娜-6 的信息系統也采用TTE 網絡構建；此外NASA 的月球“門戶”（Lunar Gateway）計劃采用TTE作為骨干網絡［17］。

中國對TTE 的研究起步較晚但發展迅速，有關院所已啟動相關研究工作。2020 年我國發射的新一代載人飛船試驗船對“時間觸發以太網星載原型系統”進行了在軌試驗［18］，實現了時鐘同步、高清圖像傳輸等功能。

2.3 時間敏感網絡簡介

2.3.1 工作原理

時間敏感網絡的設計目標是在兼容現有以太網標準基礎上，通過增加時間同步、資源預約和整形調度等機制［19］，在“一張網”上支持混合流量的傳輸，其工作原理如圖4所示。

圖4 時間敏感網絡工作原理示意圖Fig.4 Basic Principals of Time-Sensitive Networking

TSN 定義的混合流量包括三類：1）ST（Scheduled traffic）流量，即離線規劃發送時刻的周期性流量。該流量通常為傳感器產生的狀態以及發送給執行器的指令等，ST 流量類似TTE 中的TT流量；2）AVT（Audio/Video traffic）流量，主要為音視頻或雷達、相機等產生的傳感數據等，該流量沒有周期性，對帶寬的要求較高，類似于TTE 中的RC 流量；3）BE（Best effort）流量，目前以太網提供的盡力服務流量。

TSN 保證交換過程中ST和AVT 流量“零丟失”，ST 具有確定的端到端延時上下界，AVT 流量具有可接受的延時上限。在所有網絡設備上增加時間同步功能，為不同類型的幀分配不同的輸出隊列。離線規劃每個輸出隊列“打開”和“關閉”時間，控制“關鍵幀”的端到端的延時。

2.3.2 TSN標準體系及應用

TSN的標準體系主要圍繞“延時確定性”［20］、“可靠性”［21］、“時間同步”［22］和“可管理性”［23］四個方面進行。目前802.1 TSN 工作組已發布十多項標準，還有更多的標準在制定中。

TSN包含5個最核心的標準（見表1）：①802.1AS定義了TSN 時間同步的標準，采用廣義精確時間同步協議（gPTP）確保網卡和交換機之間實現亞微秒級的時間同步；②802.1Qbv 采用時間感知整形器（TAS），確保ST 幀在預先規劃的時刻從接口發送；③802.1Qav 采用基于信用值的整形器（CBS），控制AVT 流量使用的帶寬符合預約要求，同時減小突發性；④801.1Qci 采用幀過濾與報錯（PSFP）機制，確保每條ST流按照規劃的時刻發送，每條AVT流使用的帶寬符合規劃的要求；⑤802.1CB 實現關鍵流量傳輸的無縫冗余，通過幀復制和消除（FRER）機制確保為應用提供零丟失的傳輸服務。

表1 TSN核心標準Table 1 The core standards of TSN

由于TSN 面向的場景涵蓋航空航天、軌道交通、車載、移動通信和工業控制網絡等，每個場景對TSN 實現的功能和性能要求不同，因此TSN 還制定了各領域的使用規范，例如802.1CM 定義了TSN 在移動前傳網絡中使用的規范，802.1AB 定義了TSN在音視頻傳輸領域使用的規范。

2021 年，空客、通用電氣、波音、科林斯等公司的TSN 專家完成了TSN 航空航天領域的應用規范（802.1DP）草案的編寫，詳細分析了各類航空航天器對TSN 交換的需求，提出了對TSN 實現的功能和性能要求，為推動TSN 在航空航天領域的應用奠定了基礎。

2022 年，NASA 在802.1DP 工作組的報告中指出，由于TSN 具有開放的標準和更好的生態，會替換TTE 成為航天器網絡未來發展的趨勢［24］。波音等公司也在積極開展基于TSN 的星載網絡研究，通過統一的TSN 網絡融合星上的載荷網絡和平臺網絡，取代1553B 和SpaceWire 等總線［25］。歐空局的“Miura-1”可重復使用探空火箭航電系統中的骨干網絡采用了TSN［26］，已于2023 年10 月7 日完成首飛。中國相關部門也已經計劃開展TSN 交換的搭載試驗。

2.4 TTE和TSN比對分析

從采用的技術路徑來看，TSN 是在傳統以太網的基礎上通過“打補丁”的方式，提升以太網交換的確定性，因此TSN 仍然保留了“隊列調度”的特性。而TTE 則僅僅是繼承使用以太網物理層和MAC 層標準，構建了全新的基于幀的調度機制。

TSN 和TTE 對比分析如表2 所示。TTE 具有較強的安全性和容錯能力，更適合閉環確定性網絡場景，但其技術本身不夠開放，核心專利技術都由美國的霍尼韋爾和TTTech公司所有，限制了生態的發展；TSN 是開放技術，但標準體系復雜，在面向具體行業領域實現時需要裁剪和定制，考慮到空間應用對高可靠性的需求，TSN 的容錯機制尚不完善，此外，TSN相比TTE具有更高的通信速率，在高速率數據傳輸場景下更具有優勢，能實現更靈活的組網應用。

表2 TSN和TTE對比分析Table 2 Comparative analysis of the TTE and TSN

3 確定性以太網關鍵技術

3.1 深亞微秒級的容錯時鐘同步技術

容錯時鐘同步協議能夠保證系統內的非故障節點不受故障節點的影響，依然保持同步。對容錯時鐘同步協議的研究包括初始化階段和同步階段兩個方面，前者解決的是系統啟動之后，在各個節點本地時鐘完全隨機的混亂條件下建立初始同步的問題，后者解決的是由于晶振實際頻率誤差導致各個節點本地時鐘在運行過程中不斷偏移的問題。

1）同步初始化

文獻［27］提出一種面向汽車和航天器場景的容錯時鐘同步初始化的通用解決方案。該方案通過擴展TTP/C 中“集中守護（Central guardian）”的語義，要求守護實例需要具備語義正確性判斷以及過濾的功能，并能夠與系統內的其他守護實例進行直接互聯，從而能夠獲取不同冗余通道的信息。系統內除了守護實例的其他節點交互的信息都需要經過守護實例，因此守護實例能夠建立全局視野，監測是否有故障發生，并進行故障的隔離與恢復。在該解決方案中，系統對故障的容忍依賴于集中守護實例的正確執行，這會使系統受集中守護實例單點故障的困擾。

AS6802中的同步初始化方法與上述方案類似，在初始化階段，系統中的同步主SM 節點會周期性地廣播冷啟動幀，嘗試讓其他SM 與自己時鐘對齊；壓縮主CM 在接收到一個或者多個CS 幀之后，會隨機選擇一個幀然后廣播至網絡內，將該幀的發送者的本地時鐘作為冷啟動階段的時間基準。這種方法也會受限于壓縮主CM 的可靠性和冗余數量，并且由于設備的時鐘角色都是在系統運行前靜態配置的，在系統遭遇故障時，活性會被削弱，即缺少動態修改配置以應對故障的機制［28］。

802.1 AS 中的同步初始化基于最佳主時鐘選舉算法（Best master clock algorithm，BMCA），網絡中的設備會周期性廣播包含描述自己本地時鐘質量的Announce 報文，接收到其他設備Announce 報文的設備會對比自身與該報文發送者的時鐘質量，如果更優則繼續廣播自己的報文，否則轉發收到的報文，直到網絡中選拔出一個新的最佳主時鐘。這個算法在規模較大網絡的實際運行過程中會持續較長的時間，影響系統運行的效率，因為在初始化階段未同步，各種時間敏感應用均不能夠開始運行。

2）周期性同步

文獻［29］認為典型的分布式容錯時鐘同步通常經歷三個階段：第一階段，每個節點通過消息交換獲取其他節點的本地時鐘的時間信息；第二階段，每個節點分析收集的時間數據，過濾錯誤，并且執行收斂函數計算本地時鐘的校正值；第三階段，利用計算的校正值修改本地時鐘的值。目前不同的容錯時鐘同步算法的區別僅在于：從其他節點收集時間信息的方法、所使用的收斂算法以及將校正值修改到本地時鐘的方法。

在周期性同步階段，AS6802 能夠容忍的故障假設是單點故障（一個端設備的隨機故障或者一個交換設備的遺漏-不一致故障）和雙點故障（兩個設備的遺漏-不一致故障），主要的容錯機制包括基于滑動窗口的容錯均值算法，CM 冗余雙通道以及COM-MON 機制等。802.1AS 能夠容忍的只有主時鐘GrandMaster 的靜默故障，當從時鐘長時間未進行同步，便采用BMCA算法嘗試更換主時鐘。

3.2 確定性端到端時延的流量調度技術

確定性端到端延時的流量調度技術涉及流量規劃問題的系統模型和混合流量的聯合調度策略。由于確定性以太網規劃問題與底層調度機制緊密相關，因此，本小節將介紹確定性以太網底層調度機制，并從流量規劃問題的系統模型和混合流量的聯合調度策略兩方面進行闡述。

1）確定性以太網底層調度機制

時間感知調度器由IEEE 802.1Qbv 標準提出，其核心技術是基于網絡全局時間的門控機制（Gate control）。時間感知調度器規定，不同優先級的流量進入不同優先級的隊列，ST 報文享有專用的ST隊列，如此，ST 報文在空間上與其他優先級的流量形成隔離。全局同步時間被劃分為等長的時間槽，位于每個隊列末端的“門”在全局時間和門控列表（Gate control list，GCL）的控制下，在不同的時間槽執行打開或關閉操作。

不同流量使用不同的時間槽，ST 流量能夠在其專用的時間槽被調度輸出，流量在時間維度上形成隔離。所有關鍵流量周期的最小公倍數被稱為調度周期（以時間槽為單位），調度周期不能超過GCL表的深度。

利用時間感知調度器，確定性以太網采用時間觸發通信的方式保證ST流嚴苛的服務質量要求，確定性以太網的工作流程大致可劃分為三個階段：規劃階段、時間同步階段和調度階段。網絡節點能夠在預先計算好的發送時間調度發送ST流，在空間維度和時間維度達成全網無沖突的ST 流傳輸，使ST流的服務質量得到保證。TSN規劃器的工作就是在規劃階段為ST流進行網絡資源規劃和預約。

2）流量規劃問題建模

目前規劃問題的模型大致可以分為兩類：基于幀的規劃模型［30-33］和基于窗口的規劃模型［34-37］。兩種模型的本質區別在于有無時間框架與ST 隊列是否能調度多個報文?；趲囊巹澞Ｐ妥裱瓡r間感知調度器劃分的時間槽，將等長的時間槽作為規劃問題的時間框架，數據幀的發送時間必須與時隙對齊；在任一時隙內，TSN 節點輸出端口的某個ST隊列內至多只能調度一個數據幀?；诖翱诘囊巹澞Ｐ筒辉O定時間框架，數據幀的發送可以從任意時刻開始；在任一時刻，TSN 節點輸出端口的某個ST隊列能夠調度多個數據幀。

基于規劃模型，TSN 規劃問題的約束可以分為兩類：技術約束與用戶約束。其中技術約束受TSN交換機底層資源的限制，用戶約束受流量需求的限制。

3）混合流量聯合調度策略

隨著高端裝備平臺的智能化，平臺中的AVB 流逐漸增多。例如，隨著自動駕駛系統的發展，超高清攝像頭、毫米波雷達等設備被引入車載系統。這些設備傳輸大量未經處理的原始流量，要求高帶寬以及較低的延時。因此，規劃器在為ST流量計算調度計劃，為ST 流量提供有界的延時和抖動保證的同時，還需要使調度計劃滿足AVB流量的軟實時要求。

近年來，關于兼容AVB 流與ST 流研究的主要思想是在ST 流量的調度計劃中增加更多的空白時隙，用于調度AVB 流量。相關文獻主要解決兩個問題，第一個問題是如何在ST調度計劃中插入空白時隙，使得ST 流的硬實時不被干擾；第二個問題是用什么指標評估ST 調度計劃的質量，即對AVB 流的友好程度。

文獻［38］在TTEthernet 的規劃問題中首次提出調度孔隙的概念，調度孔隙即TT 流（等價于TSN 的ST 流）調度計劃中未被TT 流占用的空白時隙。文章認為，空白時隙的長度、數量和位置會影響RC 流（等價于AVB流）的最壞情況延時（Worst-case delay，WCD），均勻的空白時隙有利于降低RC 流的WCD。該文獻提出三種在ST 調度計劃中插入空白時隙的方法，第一種是先驗的，在已有的規劃問題約束的基礎上增加約束，使TT 流的發送時間避開某些區間，這樣能夠在調度計劃生成的過程中增加空白時隙。第二種方法是后驗的，即修改已有約束中的某些參數，使已有約束更為嚴格，方便在調度計劃生成之后增加空白時隙。第三種方法是在調度計劃與GCL表項的映射過程中，將時間槽劃分為TT階段和RC 階段，RC 階段只允許傳輸RC 流。文獻［38］的不足之處是沒有提出一個表達式，用于描述TT調度計劃的質量。

類似于文獻［38］，文獻［39-42］認為均勻的空白時隙對RC 流的WCD 更有利。文獻［39-40］在TT調度計劃中插入空白時隙的思想類似于文獻［38］的第一種方法，并提出直接使用RC 流的WCD 作為評估TT 調度計劃質量的指標。雖然使用AVB 流或RC 流的WCD 作為衡量指標是最直接的方式，但是WCD 的估計非常耗時，這將會使調度算法的運行時間變得無法接受。同時，如果RC 流的WCD 過于悲觀，可能會導致無解。文獻［41］采用“基于幀的”調度策略，在增量調度的SMT 中集成網絡微積分（network calculus），方法大致如下：①使用SMT 獲得初始調度計劃；②判斷該調度計劃是否能滿足RC流的WCD，滿足則結束；③如果不滿足，選取一條對RC 流影響最大的TT 流；④使用SMT 重新為該TT 流計算一個發送時間，回到②。此外該文獻提出指標gain，用來描述正在調度的數據幀的發送時間t與已調度數據幀的發送時間t’之間的關系，t與t’的距離越近，gain 呈線性下降，反之則線性上升。gain 用以指導SMT 重新計算當前數據幀的發送時間（即步驟④），最終目標是使gain的值最大化。文獻［42］為了給RC流留下更多空白時隙，提出“使TT流傳輸窗口重疊”的思想。由于窗口重疊，TT 流可能會產生沖突，需要使用網絡微積分計算TT流的WCD。

4 確定性以太網技術思考與展望

4.1 確定性以太網發展趨勢

國內多個單位在TTE 研究和產品研制方面具有深厚積累，通過近十年的技術積累，已有自主產品，但在互連互通和集成測試方面還存在不足，預計在2030年前TTE還是很好的選擇。

目前TSN 正處于起步階段，各項應用領域的規范依然在討論和制定中，預計“十四五”末會逐漸成熟，在未來的裝備平臺上TSN將會發揮更大作用。

TSN 總線技術處于快速發展階段，相關標準研究也在穩步推進，有廣闊的發展前景，有望成為未來工業領域的骨干網技術，受到航空航天、智能駕駛等領域的廣泛關注［43-44］。其未來的發展趨勢主要體現在以下幾個方面：

1）TSN安全性研究

未來TSN 網絡在關鍵系統設備中產生的數據越來越多，同時其開放的系統架構也增加了網絡受到外部攻擊的可能性。雖然TSN 提供了過濾突發數據幀的相關協議，但對傳輸數據的安全性和完整性方面缺少保護機制，有必要開展TSN 網絡中傳輸數據的安全性和完整性研究。

2）TSN與無線技術相結合

無線網絡設備可靈活部署，將5G、Wifi 等無線通信技術與TSN 網絡相結合，構建有線和無線集成的實時工業物聯網，實現從有線到無線的全覆蓋支持，將為未來構建靈活高效、柔性的工業互聯網奠定基礎，目前已成為一個研究熱點。

3）TSN網絡管理與控制

TSN 網絡需要傳輸不同優先級的混合流量、配置網絡設備的時鐘同步，因此需要對網絡設備的同步狀態、關鍵流量的運行狀態進行實時監測，這就對TSN 網絡的管理和控制架構的靈活性、實時性和可擴展性提出要求。

4.2 推進TSN空間應用的建議

為使TSN 總線技術更好地適應航天領域信息系統網絡的應用場景，需從以下三個方面進行增強。

1）加強TSN時間同步的容錯能力

與總線不同，以太網在時間同步分組交換過程中，由于需要對報文中的修正域字段進行修改，端到端的CRC 保護無法實施。例如在充斥著高能粒子輻射和混亂電磁場的空間環境中，交換機可能發生單粒子翻轉等故障，最終可能造成時間同步分組攜帶的信息產生錯誤，無法維持穩定的同步，導致關鍵流量無法按照規劃的時刻進行發送和接收。而TSN現有的802.1AS時間同步標準采用的是主時鐘向從時鐘授時的同步模式，不支持容錯，協議的可用性受限于主時鐘的單點故障，因此需要加強對TSN時間同步容錯機制的研究。

2）加強標準和規范的制定

TSN 規范在制定的過程中，需要考慮對傳統以太網標準的兼容性，因此TSN 規范存在大量實現“選項”。例如802.1CB 規范中就定義了4種標識流的選項，同時實現4種選項導致花費大量的資源，提高了研制成本。又因為TSN 沒有標準必要專利，相同的標準可能存在多種實現方式，例如802.1Qbv在高優先級被低優先級幀干擾時，可采用幀搶占、干擾等待、最大保護帶設置和動態保護帶設置4 種方式，采用不同實現方式的芯片無法互連互通，這就需要進一步加強標準，特別是工程標準的建設，減少實現的選項，明確實現機制，避免使用可選項的描述。

3）加強集成測試能力建設

TSN 支持時間同步幀、BE 流量、AVT 流量和ST流量在同一套網絡中交換，不同流量對延時和帶寬的要求不同，采用不同的隊列緩存和整形機制，因此流量的QoS保證比傳統以太網復雜很多。特別是ST 幀的轉發行為與全局同步精度相關，相鄰設備在轉發ST 幀時在時域上產生的微秒級誤差可能導致該幀在傳輸路徑中的某設備上因錯過發送窗口被丟失，故障定位難度很大。

5 面向載人月球探測的確定性以太網應用構想

目前，TSN技術仍處于不斷更新和發展的階段，面向航空航天領域的802.1DP 標準也在討論和編撰中。由于在容錯方面存在不足，TSN 尚不能真正完全應用于載人航天器總線通信系統。

本文提出面向載人月球探測的確定性以太網的“兩步”發展思路：第一步首先將TTE 與TSN 融合在總線通信系統的架構中，利用TTE 高可靠和容錯特性滿足安全關鍵的需求；第二步借鑒TTE 容錯和可靠性設計對TSN 技術進行增強，使其能夠完整、獨立地應用于載人航天器總線通信系統的設計。

5.1 TTE和TSN融合架構

TTE 和TSN 融合架構的思路是使用TTE 連接關鍵的核心部件，外圍非關鍵部件（如載荷系統）之間采用TSN連接，如圖5所示。

圖5 航天器TTE和TSN相結合的總線架構Fig.5 Bus architecture combining spacecraft TTE and TSN

載荷數據通過載荷管理器與TTE 交換機交互，由載荷管理器作為邊界設備實現TSN和TTE接口的轉換。但由于TTE 和TSN 在容錯時鐘同步、流量規劃與調度等關鍵技術的細節上有所不同，二者在融合的過程中需要根據這些區別建立統一的模型。

1）容錯時鐘同步。TTE 采用集群壓縮的時鐘同步方式，而TSN 采用主從時鐘同步方式，兩種方式具有不同格式的同步報文和本地時鐘表示方法。解決上述差異的思路是TTE和TSN網絡的邊界設備上同時運行TTE 和TSN 的時鐘同步，如圖6 所示。邊界設備在TTE同步中作為SM參與同步，在TSN同步中作為主時鐘GM 向下級設備發布同步時間，兩個獨立的同步域分別傳輸不同的時鐘同步報文。

圖6 TTE和TSN時間同步融合架構Fig.6 Clock synchronize architecture combining TTE and TSN

2）確定性流量調度。TTE 中將流量劃分為TT/RC/BE 三種類型，TSN 中流量劃分為ST/AVT/BE，因此首先需要解決流量在跨TTE與TSN域的流量類型映射問題。其次，TT 流與ST 流都是需要預先規劃的流量類型，但TTE和TSN的規劃模型不同，進而導致規劃算法輸入的約束條件也不同，因此該架構下的流量調度需采用一種兼容兩種規劃模型和約束的規劃器。

5.2 增強TSN架構

在第一步的基礎上，借鑒TTE 的容錯機制，提升TSN 的可靠性設計，最終實現能夠完全符合安全關鍵場景的“增強TSN 架構”，作為未來航天器總線通信系統的核心技術。如圖7 所示，航天器平臺設備和載荷設備均通過TSN交換機實現數據交互。

圖7 航天器TSN總線架構Fig.7 Spacecraft TSN bus architecture

1）容錯時鐘同步。為提升TSN 時鐘同步可靠性，首先需要解決主從同步架構下主時鐘的單點故障對系統的影響?，F有時間同步標準中，主時鐘采用的基于最佳主時鐘選舉算法的配置手段，通過交互特定類型的報文自動地配置單個主時鐘。該方法在主時鐘出現故障的情況下，需要秒級的故障恢復時間，在恢復過程中整個網絡由于處于異步的狀態無法正常進行數據傳輸?？紤]到可靠性需求以及數據傳輸效率，應對該功能進行裁剪。在最新版本的802.1AS時間同步中，描述了冗余同步主時鐘、冗余同步路徑的應用場景，利用該特性在網絡中靜態配置多個主時鐘（如圖8 所示），主時鐘之間運行類似于TTE 的分布式容錯共識算法實現同步，保證當其中存在故障主時鐘時，其余主時鐘能夠不受影響，并且無縫接管故障主時鐘所在同步域內的其他網絡設備。

圖8 TSN容錯時間同步架構Fig.8 The architecture of fault-tolerant clock synchronization in TSN

2）確定性流量調度。由于架構上已經統一為TSN 流量調度，因此只需要按照802.1Qbv 等調度相關的標準進行實現與優化即可，在實現過程中需要首先解決TSN 規劃模型與底層調度機制的一致性問題。在全面考慮TSN 底層調度機制資源抽象的基礎上，將ST隊列深度和門控列表表項深度作為約束條件進行求解，使得調度規劃結果能夠完全適配TSN調度機制。主流的TSN規劃模型分為基于幀的和基于窗口的模型，由于前者無法將門控列表表項深度作為約束，后者沒有考慮ST 隊列深度約束，兩種規劃模型的輸出結果均難以適配底層的TSN 交換機，或真實地指導底層的流量調度，導致規劃算法難以真正在航天器信息傳輸場景中得到應用。

5.3 小結

通過確定性以太網“兩步”發展思路，使TSN 技術可以應用于載人月球探測航天器信息系統的設計與實現，從而解決由于傳輸數據量大、數據類型復雜、傳輸實時性以及確定性要求高導致的傳統總線技術無法滿足傳輸需求的問題，為航天器的智能化應用提供高可靠、低時延的通信服務。

6 結束語

面向航天器信息系統數據總線的高帶寬、高可靠、低時延和輕量化設計要求，傳統的1553B、CAN等總線體制已無法滿足未來信息系統數據總線技術的需求，采用一套數據總線實現器內高低速數據的一體化混合傳輸已成為必然趨勢。各種新興的高速總線不斷涌現，其中以TTE、TSN 總線為代表的確定性以太網總線在高帶寬、可擴展等方面最具有發展前途，為未來航天器信息系統的設計提供了可選方案。

目前TTE 總線已應用于飛船、飛機和汽車等領域，可作為未來航天器的骨干總線選擇方案，但是技術較為封閉；TSN總線在工業界已開始應用，具有良好的技術和產業生態，代表未來的發展方向，但現階段在航天領域的應用仍面臨容錯能力不足、標準規范復雜和集成測試能力薄弱等問題，后續需針對上述問題進一步開展完善和增強工作?；谏鲜龇治?，我國載人登月航天器信息系統總線技術可以先采用TTE 和TSN 融合的架構，而后等待TSN 增強后能夠滿足安全關鍵場景需求時再采用完整的TSN架構。