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簡析車載以太網(wǎng)TSN標(biāo)準(zhǔn)

2018-12-03 23:34:39·  來源：佐思汽車研究  
　
眾所周知，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備都可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間上既不精準(zhǔn)也不確定；同時(shí)，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的
眾所周知，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備都可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間上既不精準(zhǔn)也不確定；同時(shí)，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，也會因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而導(dǎo)致通訊的延遲甚至癱瘓。因此，通用以太網(wǎng)技術(shù)僅僅是解決了許多設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)連接的問題，但卻并沒有很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間實(shí)時(shí)、確定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
 
最初，以奔馳為首的德國公司在2000年發(fā)明了Flexray總線來解決問題，今天TSN標(biāo)準(zhǔn)里最核心的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制和無縫冗余理念都來自Flexray，但Flexray傳輸速率最高僅20Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足完全無人駕駛的要求，但對于L2級自動駕駛則綽綽有余，這也是奔馳和寶馬對TSN不太感冒的原因之一，F(xiàn)lexray可以看做輕量級的TSN。
 
2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯栴}。這一點(diǎn)立刻受到來自汽車和工業(yè)等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時(shí)將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。
      
TSN其實(shí)指的是在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標(biāo)準(zhǔn)”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時(shí)間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性。同時(shí)利用數(shù)據(jù)整形，確保延遲達(dá)到微秒級（一般每橋不超過250微秒），利用frameReplication and Elimination幀復(fù)制和消除，確保無論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯(cuò)誤，均能強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)可靠的通訊。此選項(xiàng)確保關(guān)鍵流量的復(fù)本在網(wǎng)絡(luò)中能以不相交集的路徑進(jìn)行傳送，只保留首先到達(dá)目的地的任何封包，從而實(shí)現(xiàn)無縫冗余，達(dá)到超高的可靠性，這對無人駕駛尤其重要。
 
同時(shí)還有靈活的資源管理。TSN就僅僅是關(guān)于以太網(wǎng)通訊協(xié)議模型中的第二層，也就是數(shù)據(jù)鏈路層（更確切的說是MAC層）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。請注意，是一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而不是一種協(xié)議，就是說TSN將會為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供一套通用的時(shí)間敏感機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時(shí)間確定性的同時(shí)，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能性。

狀態(tài)分4種，分別是已公開、工作組（WG）、任務(wù)組（TG）和倡議（Sponsor）。有關(guān)汽車工業(yè)的除P802.1DG外，都已公開。不過這并不妨礙TSN在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。只要有TSN的核心組件即可投入使用，TSN有4個(gè)核心組件，分別是時(shí)間同步、低延遲、超高可靠性和特定資源管理。
車載TSN的6大核心標(biāo)準(zhǔn)

01
時(shí)間同步
所有通信問題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。它用于實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步。對于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時(shí)”，而是“最差狀態(tài)下的延時(shí)”—這如同“木桶理論”，系統(tǒng)的能力取決于最短的那塊板，即，對于確定性網(wǎng)絡(luò)而言，最差的延時(shí)才是系統(tǒng)的延時(shí)定義。
IEEE1588 協(xié)議，又稱 PTP（ precise time protocol，精確時(shí)間協(xié)議），可以達(dá)到亞微秒級別時(shí)間同步精度，于 2002 年發(fā)布 version 1，2008 年發(fā)布 version 2。它的主要原理是通過一個(gè)同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。
IEEE1588 協(xié)議的同步原理，所提出的 Delay Request-Response Mechanism（延時(shí)響應(yīng)機(jī)制）如上圖，IEEE1588 把所涉及到的報(bào)文分為 事件報(bào)文 和 通用報(bào)文，分類依據(jù)是：是否在收發(fā)報(bào)文時(shí)需要記錄精確時(shí)間戳，根據(jù)上文中所描述的幾種報(bào)文，可以進(jìn)行如下分類：
事件報(bào)文（event message） < 收發(fā)時(shí)候需要記錄精確時(shí)間戳 > ： sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。
通用報(bào)文 (general message)< 收發(fā)時(shí)候不需要幾率精確時(shí)間戳 > ：Announce/Follow_up/Delay_resp /Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Siganling。Pdelay_Req /Pdelay_Resp/ Pdelay_Resp_Follow_Up通過peer延遲機(jī)制測量兩個(gè)時(shí)鐘端口之間的鏈接延時(shí)，鏈接延時(shí)被用來更正Sync和Follow_Up報(bào)文中的時(shí)間信息。
 
 IEEE802.1AS-Rev是為以太網(wǎng)第二層所定義的1588規(guī)范加以擴(kuò)展，它的擴(kuò)展包括了所有域常用peer延遲服務(wù)，支持精細(xì)時(shí)間測量FTM，對鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時(shí)間戳標(biāo)準(zhǔn)化處理以及針對長鏈、環(huán)的支持，更好的響應(yīng)能力，這包括了更快的主站交互、降低BMCA收斂時(shí)間。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息傳輸以及冗余支持能力（可配置冗余路徑和冗余主站）。對無線網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)間測量提供更好的支持。IEEE802.1AS-Rev的制定得到了AVNU聯(lián)盟的大力支持。
AVNU聯(lián)盟由英特爾、思科和三星哈曼發(fā)起，是EAVB協(xié)議的主要提供者，AVNU聯(lián)盟為IEEE802.1AS-Rev的實(shí)施提供協(xié)助，能夠提供完整的協(xié)議棧和測試認(rèn)證，國內(nèi)加入AVNU的有恒潤科技、中國信通院、德賽西威、赫千科技、東信創(chuàng)智、懌星科技。
同時(shí)在新出的自適應(yīng)Autosar也對IEEE802.1AS-Rev做了特別支持。也就是說你要用TSN，恐怕是離不開自適應(yīng)Autosar的。
02
低延遲
汽車控制數(shù)據(jù)可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。
ScheduledTraffic如底盤控制數(shù)據(jù)，沒有任何的妥協(xié)余地，必須按照嚴(yán)格的時(shí)間要求送達(dá)，有些是只需要盡力而為的如娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以靈活掌握。汽車行業(yè)一般要求底盤系統(tǒng)延遲不超過5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，這也是車載以太網(wǎng)與通用以太網(wǎng)最大不同之處，要求低延遲。
在TSN標(biāo)準(zhǔn)里，數(shù)據(jù)則被分為4級，最高的預(yù)計(jì)延遲時(shí)間僅為100微秒。
低延遲的核心標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1Qbv時(shí)間感知隊(duì)列。
通過時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交換機(jī)能夠來控制隊(duì)列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標(biāo)識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊(duì)列將被鎖定在規(guī)定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)被得到保障。
TAS介紹了一個(gè)傳輸門概念，這個(gè)門有“開”、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間進(jìn)度表network schedule進(jìn)行定義。對沒有進(jìn)入network schedule的隊(duì)列流量關(guān)閉，這樣就能保障那些對傳輸時(shí)間要求嚴(yán)格的隊(duì)列的帶寬和延遲時(shí)間。TAS保障時(shí)間要求嚴(yán)苛的隊(duì)列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當(dāng)優(yōu)先級非常高時(shí)，搶占機(jī)制可以被使用。
在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對于Schedule Traffic而言則直接按照原定的時(shí)間規(guī)劃通過，其它則按優(yōu)先級，Best-effort Traffic通常排在最后。Qbv主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動和延時(shí)。Qbv確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。
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