(高清版)GB∕T 39340-2020 宇航电子时间确定性网络协议

ICS49.035V25中华人民共和国国家标准宇航电子时间确定性网络协议A国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会GB／T39340—2020 1范围 2规范性引用文件 3术语和定义 4缩略语 5一般要求 5.1体系结构要求 5.2网络组成 5.3传输业务类型要求 5.4数据帧格式要求 6端系统详细要求 6.1端系统概述 6.2流量规整与调度要求 6.3完整性检查与冗余管理 6.4综合电子服务 6.5性能指标 7交换机要求 7.1基本概念 7.2过滤与管制功能 7.3交换功能 7.4交换机终端功能 7.5监视功能 7.6配置文件 7.7操作模式 7.8数据加载 7.9管脚编程 7.10性能特征 7.11性能指标 8物理层要求 9时间同步要求 9.1同步方式 9.2同步建立条件 10实时音视频传输 ⅠGB／T39340—2020本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)提出并归口。本标准起草单位：北京微电子技术研究所、北京空间技术研制试验中心。本标准主要起草人：赵沛、林建京、熊开利、张奇荣、陶淑婷、毛雅欣、闫攀、姚庭伟、张大鹏、李晓博。1GB／T39340—2020宇航电子时间确定性网络协议本标准规定了宇航时间确定性网络的网络架构、端系统要求、交换机要求、物理层要求、时间同步要求和实时音视频传输等要求。时、高确定性的航天综合电子系统内部骨干网络。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。terfaces)ARINC664P2航空数据网络第2部分：以太网物理层与数据链路层协议(Aircraftdatanet-ARINC664P7航空数据网络第7部分：航空电子以太网协议(Aircraftdatanetwork—Part7:ARINC665航空电子可加载的软件标准(Loadablesoftwarestandards)IEEE802.3以太网标准(IEEEstandardforethernet)3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1一种基于以太网的强实时、高确定性的高速网络，可实现不同类型数据在同一网络融合传输。3.2时间确定性网络组成部件，为宇航电子子系统与TDN网络的连接提供应用接口，负责将前端采集的数据经过网络协议封装后组成的帧发给TDN网络。3.3时间确定性网络组件，实现网络数据以及控制信息的融合交换，并在网络同步过程中承担一定的同步角色。3.4将器件配置文件下载至网络交换机及端系统中，使整个网络按照配置正常运行。注：网络加载在本标准中简称加载。2GB／T39340—20203.5v一个源端系统到一个或多个目的端系统的单向逻辑路径。多条VL共用一条以太网链路，通过交换机进行交换与多播。3.63.7网络系统同步后，各个节点时钟之间的最大偏差。3.8时间同步过程中的控制帧，携带节点的发送、接收时刻信息以及链路延时信息，以实现同步建立及保持。4缩略语下列缩略语适用于本文件。BE尽力而为（besteffort）TDN时间确定性网络（timedeterministicnetwork）3GB／T39340—2020VL虚拟链路(virtuallink)5一般要求5.1体系结构要求时间确定性网络采用五层因特网体系架构，并在物理层和链路层增加时间同步与实时传输服务，其余三层不做改动，如图1所示。图1TDN网络架构时间确定性网络为交换式网络，由TDN交换机、端系统以及其他上层网络设备构成，其中TDN交换机与端系统为TDN网络核心组成要素。TDN图2TDN网络拓扑结构5.3传输业务类型要求TDN网络根据应用对实时性的不同要求，提供三种类型的传输业务：时间触发业务(TT)、速率受限业务(RC)和尽力而为业务(BE),如图3所示。可根据应用需求，选择不同业务类型。4GB／T39340—2020图3TDN支持的类型业务TDN网络提供的传输业务如下：TT数据应用于对网络时延、传输抖动、传输确定性要求十分严格的应用，TT数据的发送依赖于整个网络的全局时间，所有的TT数据都是在预先定义的时间内和预先分配好的信道发送的，并且优先于其他的数据类型(BE和RC),该类型数据帧采用抢占模式传输。当节点到达配置传输TT数据时间，通信链路将会腾空所有正在传输的数据，转入为TT数据服务。保证了TT数据能无冲突、无等待传输。利用这种业务可以满足严格的时延、抖动和确定性传输等要求。速率受限(RC)数据流主要应用于对实时性和确定性要求不如时间触发(TT)数据流严格的情况下，RC数据流保证每个应用的带宽是预先定义好的，而且这些应用的时延和瞬时偏差也是有限制的。与TT数据流相比，RC数据流是不依赖于全局时间的，网络中的多个设备可以在同一时间向某一个设备发送RC数据。因此，RC数据流可能在交换机中形成很长的消息队列而增加网络传输抖动的机率，所以应将RC数据流的比率限制在网络可以接受的范围。RC业务的特性应符合ARINC664P7的规定。传统以太网的传输业务类型。在没有TT业务传输时，端系统可以在任意时间传输BE业务。对于BE帧，系统不保证其传输时延、抖动，甚至不保证帧一定能够被投递到接收端。BE业务在整个系统中具有最低的优先级，只有当TT业务和RC业务的带宽均得到保障时，剩余带宽才能够被BE业务所利用。TDN网络采用分时复用技术，通过合理时间规划能够保证TT、RC、BE业务在同一条物理链路上进行传输，彼此之间互不冲突。在TDN网络中，每一个终端和交换机都按照调度表的要求，在规定的时间槽内收发数据。数据综合调度过程如图4所示，端系统A和端系统B分别发送数据TT、RC和BE5GB／T39340—2020图4数据综合调度过程5.4数据帧格式要求TDN网络中帧格式应符合IEEE802.3（以太网）的规定，帧格式如图5所示：图5帧格式示意图以太网帧头的结构如图6所示，包括三部分：目标地址源地址类型图6以太网头格式a)MAC目的地址BE帧的MAC目的地址用来标明数据帧传递的目标地址，该字段分为供应商代码和序列号(OUI)两部分，具体格式如图7所示。图7BE帧目的地址格式TT、RC帧的MAC目的地址分为固定域和虚链路标识符两部分，具体格式如图8所示。GB／T39340—202048bit固定域32bit虚拟链路标识符16bitXXXXXX11XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX8TTRC据帧中这一段也都是相同的，该固定域可由用户自定义，用于区分这是TT帧或RC帧。虚拟链路标识16bit链路标识符的作用相当于以太网中的目标IP。b)MAC源地址MAC源地址用来标明数据帧的源的地址，具体格式如图9所示。以太网MAC控制器标识符(48bit)固定域24bit用户定义标识符16bit接口标识符3bit固定域5bit000000100000000000000000nnnnnnnnnnnnnnnnmmm图9MAC源地址格式24bit16bit用以为每个在网络上IP可寻址的主机给定一个独一无二的并且有含义的IP地址。接口标识符表明以太网MAC控制器连接到哪个冗余网络，定义如表1所示，通过接口标识符使得TDN网络在高完整性。表1接口标识符定义Interface__ID含义未用以太网MAC控制器连接到网络A以太网MAC控制器连接到网络B以太网MAC控制器连接到网络C未用未用未用未用c)类型类型。67GB／T39340—2020IPV4IPV6IPV4IPV6长度分片管理校验和等源地址目标地址业务等级流标记长度等源地址目标地址图10IP头格式UDP头的格式如图11所示，依次为源端口号、目的端口号、UDP负载长度、校验和。这4部分的源端口号目的端口号UDP负载长度校验和5.4.5UDP负载在网络中，对于每条VL,端系统应该对每个发送帧加入一个序列号，用于给数据帧编号，明确数据个初始值。对于同一条VL上的每个相继传输的帧，帧序列号应该递增加1,并且在值递增到255之后回卷到1。帧序列号应该作为MAC帧的有效载荷的一部分被放置在MAC帧的CRC域之前，如图12所示。图12在最小和最大长度的帧中序列号的位置8GB／T39340—2020CRCCRCG1式中：6端系统详细要求端系统(ES)是连接分布式电子系统与TDN网络的接口，完成TDN网络数据流量的接收和发送。端系统协议栈的结构如图13所示，包括标准OSI网络协议栈和TDN端系统协议栈结构及协议间的关系。图13端系统协议层TDN的端系统协议栈分5层，从下到上依次为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。应用层包括宇航应用和维护应用两类。TDN提供通信端口和服务接入点端口(SAP),通信端口分为采样端口和队列端口。传输层和网络层参照TCP/IP协议簇中对UDP、IP的说明实现。数据链路层中完成普通以太网的MAC层功能以及协议中规定的TDN网络发送、接收数据的特殊处理。引入时间触发通信机制，改进虚拟链路的调度策略，在数据链路层中增加虚拟链路的时间触发调度。物理层参照以太网实现，符合IEEE802.3的相关说明。GB／T39340—20206.2流量规整与调度要求流量规整是为了防止突发流量的出现，使每条虚拟链路的数据帧都均匀的出现，用于对多路发送虚拟链路进行带宽分配。端系统以每个VL为基本单元对发送的数据进行规整，使得在每个BAG间隔中，发送的帧的数目不会多于一个，流量规整如图14所示。图14虚拟链路流的规整k在建立每条虚拟链路时，需要用到两个重要参数：要等待至少一个BAG时间才能开始下一帧的发送。如图15所示。图15VL中最大带宽的数据流的在确定了BAG和Lmax之后，虚拟链路最大可用带宽也确定下来，假设虚拟链路最大带宽为Bmax,Bmax可由公式(2)进行计算：式中：ms)。BAGLTDNL拟链路需求。每个端系统最多可配置的虚拟链路数取决于应用需求。端系统在发送和接收端都应该能调度器主要实现多条虚拟链路的多路整合、分时复用，最终将数据整合到一条物理链路上进行传输，如图16所示。9GB／T39340—2020图16经过调度的流量控制机制的模型在调度器的输出端，对一条特定虚拟链路，数据帧在有限的时间间隔内出现。这个时间间隔被定义所示。6.3完整性检查与冗余管理图17对于最大带宽的数据流的抖动效应网络冗余的概念如图18所示。冗余的方案是以每条虚拟链路为基础的。发送端系统和接收端系统通过一条虚拟链路以如下的方式通信：上层应用将数据发往发送端系统，发送终端为每个数据帧添加序列号，序列号SN随着数据帧依次增加而依次加一。序列号的添加使接收端利用接收处理策略接收到完整有序的数据帧并输出到上层应用。的算法进行数据帧的接收。这意味着从任何一个网络上接收到的带有有效序列号的数据帧都会被发送到上层协议，当带有同样序列号的数据帧被接收之后会被直接丢弃。为了简化接收端系统的算法，帧的冗余副本应该被几乎同时地传输，它们之间的最大时间差不应超图18网络冗余概念GB／T39340—2020如图19给出的帧流，冗余管理（RM）位于完整性检查（IC）之后。在网络操作没有故障的情况下，IC仅仅是将它从网络中收到的帧传递到RM。TDN冗余管理的功能仅仅是去除那些冗余复制的帧。图19端系统的完整性检查和冗余管理TDN端系统通过三条独立的物理链路进行数据发送接收。这样接收端将接收到三个一样的数据包，因此需要一个管理机制进行处理。RC冗余管理：的第一个帧将被接受，并向上通过通信栈到达接收分区。但带有这个顺序号的第二个帧和第三个帧被收到时，它将被简单地丢弃。完整性检测就是通过将接收的帧的序列号（SN）与相应VL前一个接收的帧的序列号（PSN）进行比较，以决定帧的有效性。在接收端，首先要进行FCS检验（这是以太网的基本要求然后对序列值SN进行完整性检验，SN应该在［PSN“+”1，PSN“+”2PSN为前一个SN）范围内。有两个例外情况将被接收：6.4综合电子服务从宇航电子分区的角度，ES通过两种类型的端口提供不同的数据传输模式：图20描述了具有两个分区和一个端系统的装置。每个分区具有一个IP地址。为了与分区通信，GB／T39340—2020端系统使用两种端口类型：通信端口和SAP端口。图20分区和端系统之间的接口ES通过通信端口提供两种类型的服务：采样和队列。由于UDP相对效率较高，这两种服务均采用UDP通信。通信端口，如图21所示，具有如下特性：Rx);址，UDP目的端口）之间仅只有一条链路。通信端口属于唯一分区；址，UDP目的端口）之间仅只有一条链路。“通信端口”可以被多个不同的分区访问；GB／T39340—2020SAP端口（如图22所示）具有如下特点：Rx);地址(VL标识目的IP地址和目的UDP（或TCP)端口由分区提供；SAP＋IP＋MACVLMAC址”的通信相连。源IP地址和源UDP（或TCP)端口由ES派发到分区。图22SAP端口ES应按ARINC653的要求分别提供发送和接收时的采样服务：a)发送信息长度小于或等于VL的有效负荷长度，不支持IP分片，支持组播或单播。b)接收最后的信息存储在特定取样端口，可以被多个分区读取，每个取样端口都更新标识符，对于每个读取信息的分区都是可见的。6.4.3宇航电子队列服务端系统应该按照ARINC653的定义为航空电子分区提供队列服务。为保证数据的顺序，队列服务应该在发送和接收时以先入先出(FIFO)原则管理消息。每个队列服a)发送新的帧将被丢弃，并向发送分区报告错误。b)接收有分片，整个帧组装完成后才会允许分区读取。接收队列满，新的帧将被丢弃，并向接收分区报告错误。6.4.4SAP端口端系统能够作为一个服务访问点SAP,并具有如下的特性：ESGB／T39340—2020能保持与国外产品的兼容性。6.5性能指标包括发送时延和接收时延：●开始点为主机分区数据的最后的一个比特对于端系统的通信服务可用；●结束点为相应的以太网帧的最后一个比特被发送到物理介质上。●起始点为以太网帧的最后一个比特在物理介质连接装置上被接收到；●结束点为相关的数据得最后一个比特对于端系统主机分区可用。6.5.2MAC约束为避免在流量突发中丢失到达的帧，并且能够在传输中安插帧间间隔IFG,端系统的MAC层应该能够以介质中帧的全速率处理接收的帧且一帧紧接着一帧地传输。抖动是由端系统虚拟链路的调度引入的或在交换机由于内部阻塞或者输出阻塞等因素造成的。a)RC抖动RC抖动是一个BAG时隙的开始和该时隙内数据帧的第一个比特发送时刻的时间间隔。在发送中，端系统输出端口的每个VL的最大允许抖动应满足公式(3):i,i式中：注：端系统若具有较少的VL并且其中待处理的帧是短帧，则最大允许的抖动将较低。在所有的情况下，抖动被限b)TT抖动TT抖动是指当前时间数据帧传输延迟和上次接收到的数据帧传输延迟之间的时间差值。具体详GB／T39340—2020见9.1同步过程描述。7交换机要求交换机包含五个相互作用的功能块，如图23所示。图23TDN交换机的主要功能模块所有到达交换机的帧，在过滤与管制功能阶段都要在不同的步骤中被过滤，这些步骤中采用的规则涉及帧的完整性、帧长度、流量预算以及可接受的目的（地址）。交换功能执行交换的核心工作。经过过滤与管制功能处理的帧被转发到合适的物理输出端口，通过这些端口它们再次离开交换机。这些功能都由静态配置表中的配置数据控制。端系统模块提供了外部设备与交换机通信的方法（将接收的帧传送给交换机，并允许交换机向外发送帧）。这主要是用于数据加载以及监视功能的实现。交换机上所有的操作都被监视功能块监视，该模块记录事件（日志诸如：某个帧的到达，或者一次CRC校验失败；并且还创建关于内部状态的统计量。作为网络的一部分，交换机通过监视功能与网络管理功能通信，传递操作信息和有关于健康状态的信息。7.2过滤与管制功能过滤机制使交换机仅仅向选定的目的传送有效的帧。一旦帧到达交换机，就将被检查。并且监视帧头中给定域的内容和帧本身的构造如下：目的地址是否允许访问；VLVLL如果帧的属性与配置参数不符合，帧被过滤，即：被丢弃，并且一个或多个MIB实体被更新。在TDN应用的情况下以太网帧中的）长度／类型域被用来作为类型域，帧长度的一致性检查不GB／T39340—2020包含这个域。图24帧长度的取值流量管制可能以两种不同的算法实现，根据用以证明确定性的数学方法的不同，分为基于字节的流量管制和基于帧的流量管制。交换机要么可能实现两种算法中的一种，在基于字节和基于帧的算法中选择其一，要么两个都实现。算法的选择将影响证明网络可调度性的方法。流量过滤机制应该在交换机上实现，以保证网络的故障抑制功能。为了不让某个失效的端系统干扰网络，流量中的任何与网络配置不适合的帧应被丢弃。属于某个虚拟链路的输入和输出的帧的次序应该被交换机保持。交换机不应修改输入帧的帧校验序列。因为交换机作为网络元件应该被嵌入在帧结构中的帧完整性机制所覆盖。在任何环境下不可以在交换机中被重新生成CRC值，包括在重传时。对于每个帧，目的地址域的内容应该被用于从配置表得到合适的一个或多个目的端口，它们是帧应被转发到的端口。如果一个输出端口由于缓冲区拥塞不能接收某个帧，对于这个端口这个帧应该被丢弃。在一个端口链路失效的情况下，即将被转发到该端口，或是被保存在这个端口的缓冲区中的帧将被丢弃。输出端口不应传输比“最大延迟”更晚的帧，“最大延迟”参数在配置表中基于每个输出端口被定义。交换机应该具有在任意端口接收一个帧并将它转发到任意端口组合的能力（包括刚才的接收端交换机对于RC流量应该具有基于目的MAC地址的流量优先级机制，分为高优先级和低优先级两类流量。优先级应该在配置表中基于虚拟链路定义。对于每个输出端口，优先级被设置为高的帧应该先于优先级被设置为低的帧发出。交换机在进行混合流量集成时可采用三种方式—抢占、洗牌、及时阻塞。抢占：当交换机在转发一个低优先级数据帧时，一个高优先级数据帧到达，则低优先级数据帧的传输被打断，先传输高优先级数据帧，当高优先级数据帧传输结束后，继续传输被打断的低优先级数据帧。洗牌：当交换机在转发低优先级数据帧时，一个高优先级数据帧到达，高优先级数据帧被延迟，直到低优先级数据帧转发完成。GB／T39340—2020及时阻塞：停止转发正在传输的低优先级数据帧，优先发送新到达的高优先级数据帧，在高优先级数据帧传输结束后，重新发送低优先级数据帧。7.4交换机终端功能交换机可以作为网络中的一个终端，除了网络冗余之外，将遵循其他所有TDN终端的规范。交换机作为终端发送帧时，使用其自身的MAC单播地址作为MAC源地址。TDN监视功能基于：信息；功能通信；性能。交换机包含一个TDN端系统，它是一个TDN订阅者。该交换机应实现一个MIB库和一个SNMP代理，如图25所示。另外，交换机的MIB库包含一个唯一的与交换机功能有关的MIB对象。图25宇航电子数据通信网络监视概况故障检测应该可以修改由交换机管理的MIB库中的状态对象。交换机应该带有一个故障／健康标志。当至少一个使用中的以太网端口处于故障中的时候，故障/。每个交换机至少有两个配置文件：分，用于定义作为终端缺省接收和发送，这个表驻留在交换机中。通过引脚编程获得唯一的接运行模式配置文件，通过引脚编程（并一定是一种规范确定交换机的位置，这交换机有权使用专门的运行模式配置表，运行模式配置表包括下面两个部分：。交换机有六种操作模式，图26展示了交换机不同的模式以及这些模式之间互相转换的条件。表2GB／T39340—2020为交换机操作模式的定义。图26交换机操作模式表2交换机操作模式定义INIT交换机在上电或复位之后进入INIT模式OPS交换机正常的工作状态DL数据加载状态SHOP在宇航之外的调试状态PASSIVE初始化检测到异常后，进入PASSIVE状态，交换机只提供网络管理功能进行通信，其他功能都被停止QUIET应该使用ARINC615A和ARINC665报告作为将软件的配置表上载入交换机的过程与协议的指导。每个交换机至多由三个部件号(P/N)确定，如下所示：它的硬件P/N,包含驻留软件（固件）。驻留软件不能在飞行器上加载。只能在修理车间（内场）中经过特定的程序才能被改变。两个现场可加载软件P/N:OPS_Software：现场可加载操作软件；。场可加载应该对于宇航电子数据通信网络中的所有交换机都是同样的。当交换机上电后，它的配置信息应该通过ARINC615A“信息操作”的方法访问。IP交换机依靠读取数据加载器的源IP地址学习得到数据加载器的IP地址。交换机硬件管脚编程应该被用来确定交换机在网络中的位置，并且与交换机的端系统的默认MAC和IP地址相关联。管脚编程与源MAC和IP地址的关系遵循寻址策略，即该交换机的端系统应GB／T39340—2020该使用它自有的MAC和IP单播地址作为它发出帧的源MAC和IP地址。INITmodeP1验位。交换机应该通过12位管脚编程（命名为P1到P12)得到位置信息。编程管脚读出GROUND（接地）状态表示编码为1,读出OPEN（开路）状态表示编码为0。通用特性：交换机的过滤、管制与转发功能应该能够处理至少4096条VL。率调整。每个端口的速率应该在配置表中被定义。物理层应该符合ARINC664P2。处理能力：给定一个确定性的配置（确定性配置被定义为没有任何输出端口饱和交换机应能够处理（即：接收、过滤、管制、中继、发送）以线速输入的所有的帧，不论这些帧的长度如何。每个交换机输入端口的MAC层应能够以线速接收帧。每个交换机端口应该能够处理以线速到达的任何有效长度的帧。给定一个确定性配置，对于所有的不被过滤与管制功能拒绝的输入帧，交换机应该能够以线速对它们进行中继，而不论它们的长度。每个交换机的输出端口应该能够以线速发出帧。缓冲存储解决数据争用输出端口的问题。时延：交换机时延是指从交换机接收到数据包到开始向目的端口发送数据包之间的时间间隔。性能被定义为ES能够操作的（性能指标上限的）最大的百分比。最大吞吐率（“线速度”）对应一帧的时间来计算。冗余管理算法被关闭。假设来自网络A和网络B的数据属于不同的VL,都被提供给相应的应用…………(4)式中：络A。在接收过程中测量点与这些时延的定义相同，如图27所示。GB／T39340—2020接收性能可能依赖于几个参数，例如帧长度、队列或采样数据，ES发送活动等。端系统设计者应该提供ES发送和接收处理能力的信息。作为指导，应提供下列固定的参数：大小；依赖于端系统的设计，性能特征可能随不同的实际配置而不同（如：VL数目，是否对数据包进行分片操作）。端系统设计者应该提供关于ES接收部分存储容量的信息。8物理层要求BE流量支持半／全双工模式，速率自适应调整。物理层应具备以下功能：：●信号编解码；●串并转换和并串转换；●生成载波监听信号以及冲突检