采用以太網(wǎng)AVB技術(shù)的時間敏感型車載網(wǎng)絡(luò)

本文將深入探討汽車應(yīng)用環(huán)境下以太網(wǎng)AVB/TSN的基本原理

Microchip Technology Inc.

AIS產(chǎn)品營銷經(jīng)理

Francis Ielsch

跨橋接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)面向數(shù)據(jù)分組的通信已成為一項全球標(biāo)準(zhǔn)。如今，它廣泛應(yīng)用于各種不同規(guī)模和復(fù)雜性各異的系統(tǒng)中，例如服務(wù)器和飛機(jī)、小型遙控設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器以及許多物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。

由于以太網(wǎng)與物理層分離，所以可通過不同的物理介質(zhì)對以太網(wǎng)幀或IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行透明傳輸。因此，通過不同網(wǎng)絡(luò)類型進(jìn)行連接的設(shè)備彼此之間可以無縫通信。例如，使用蜂窩連接的手機(jī)和使用INICnet?（ISO21806）網(wǎng)絡(luò)的車載控制單元（通過汽車遠(yuǎn)程信息處理單元或網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行通信。IP數(shù)據(jù)包可從發(fā)送方路由到接收方。

如此看來暫且還好，但是在傳輸時間、延遲時間、抖動和丟包方面，情況如何呢？遺憾的是，原始以太網(wǎng)存在不確定性，也就是說，它無法控制允許設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時間和數(shù)據(jù)量，也無法控制數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。兩個設(shè)備之間的傳輸時間總是變化，并且在網(wǎng)絡(luò)擁塞時可能會發(fā)生丟包情況。對于必須確保低延遲和信息傳遞的關(guān)鍵型應(yīng)用，這樣的特性是不匹配的。

專有的總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低延遲和確定性，但只能成為一種有限的解決方案。所有市場都趨向于不依賴任何特定制造商的標(biāo)準(zhǔn)化開放技術(shù)。此外，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)既不需要特殊的專業(yè)知識，也無需復(fù)雜且昂貴的網(wǎng)關(guān)。

因此，業(yè)界社區(qū)多年來一直在研究以太網(wǎng)的弱點(diǎn)。隨著時間的推移，市場上出現(xiàn)了各種用來改善以太網(wǎng)實(shí)時特性的解決方案，其中包括AVB/TSN。

IEEE工作組于2008年開始制定音視頻橋接（AVB）技術(shù)。當(dāng)時的目標(biāo)是為了改善通過以太網(wǎng)進(jìn)行時間關(guān)鍵型音頻和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。術(shù)語AVB不僅包含IEEE 802.1BA標(biāo)準(zhǔn)，還包含以下標(biāo)準(zhǔn)：

IEEE 802.1AS：時間同步

IEEE 802.1Qav：調(diào)節(jié)交換機(jī)中幀的傳輸和中間緩沖

IEEE 802.1Qat：音頻流和視頻流的動態(tài)帶寬分配

IEEE 1722：傳輸協(xié)議

IEEE 1722.1：支持AVB的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的動態(tài)配置

該標(biāo)準(zhǔn)于2011年完成定稿并發(fā)布，最初用于各種多媒體應(yīng)用，后來用于工業(yè)領(lǐng)域，專門用來傳輸時間關(guān)鍵型命令或傳感器數(shù)據(jù)。隨著AVB技術(shù)在非多媒體領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸引起更多關(guān)注，IEEE成立了一個名為“時間敏感網(wǎng)絡(luò)”（TSN）的新工作組。TSN工作組采用了AVB工作組的標(biāo)準(zhǔn)，并在專業(yè)音頻視頻、工業(yè)、汽車和航空航天等領(lǐng)域解決了更廣泛的應(yīng)用問題。

在汽車領(lǐng)域，至今仍在沿用最初的AVB標(biāo)準(zhǔn)，但在某些情況下已開始使用TSN工作組的修訂版。本文主要討論AVB標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)可視為等同于TSN標(biāo)準(zhǔn)。

圖1：AVB系統(tǒng)通常可實(shí)現(xiàn)這些要素的不同子集

使用gPTP進(jìn)行時間同步

通用精密時間協(xié)議（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統(tǒng)的共同基礎(chǔ)。其用途類似于計算機(jī)領(lǐng)域中廣為人知的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）。NTP確保計算機(jī)時鐘在本地網(wǎng)絡(luò)中與參考時間同步，在最佳應(yīng)用條件下可達(dá)到毫秒級精度。該精度可以完全滿足計算機(jī)和服務(wù)器的需求，但對于同步或時間關(guān)鍵型應(yīng)用來說則太不精確。

圖2：gPTP基準(zhǔn)與gPTP客戶端之間的交互

gPTP可確保以太網(wǎng)設(shè)備中具有更加精確的時基，通?？蛇_(dá)微秒級甚至納秒級。實(shí)質(zhì)上，gPTP包括兩種機(jī)制：基準(zhǔn)時間分發(fā)和傳輸時間計算。

時間從一個或多個時間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)（根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)為“gPTP主機(jī)”）分發(fā)到一個或多個客戶端（根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)為“gPTP從機(jī)”）。類似于IEEE 1588的兩步過程，gPTP總是連續(xù)發(fā)送兩個幀：“Sync”和“Sync Follow-Up”?？蛻舳耸褂闷渲邪臅r間戳將其本地時鐘重置為基準(zhǔn)時間，從而確保網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都使用完全相同的時基。

但是，只有將整個網(wǎng)絡(luò)所需的傳輸時間也考慮在內(nèi)，才能確保很準(zhǔn)確的時基。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，應(yīng)在直接相鄰的節(jié)點(diǎn)之間始終成對執(zhí)行對等延遲測量。這樣，每個節(jié)點(diǎn)所測傳輸時間的總和會產(chǎn)生對等延遲值，繼而可根據(jù)該值校正gPTP時間。

傳輸協(xié)議

IEEE 1722－AVTP

音視頻傳輸協(xié)議是通過以太網(wǎng)AVB技術(shù)傳輸音頻/視頻數(shù)據(jù)以及時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。它是一種用于通過MAC地址訪問設(shè)備的輕量級ISO/OSI Layer2協(xié)議。因此，這種方式無需集成全部的IP協(xié)議棧，有助于最大限度地減小項目和設(shè)計的規(guī)模、成本和復(fù)雜性。

IEEE 1733－RTP/RTCP

RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均為基于IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，適用于通過以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。這些協(xié)議多年來已廣泛用于各種工業(yè)級和消費(fèi)類設(shè)備，包括視頻監(jiān)控攝像頭和對講設(shè)備。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本，適用于通過AVB進(jìn)行同步傳輸，因此可作為基于IP的解決方案替代IEEE 1722。

流量整形

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通常由大量端點(diǎn)（計算機(jī)和電子設(shè)備）和網(wǎng)橋（交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)等）組成。無論選擇哪種傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)都會封裝成以太網(wǎng)幀，然后從發(fā)送方通過多個網(wǎng)橋（躍點(diǎn)）路由到接收方。幀的傳輸方式和傳輸時間存在不確定性。傳輸路徑上的網(wǎng)橋?qū)⒁暂^快或較慢的速度進(jìn)行幀轉(zhuǎn)發(fā)（存儲轉(zhuǎn)發(fā)和直通轉(zhuǎn)發(fā)）。在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，這些幀有時需要緩沖一段時間，在最糟情況下甚至可能會丟失。

工業(yè)和汽車系統(tǒng)應(yīng)具有較低的確定性延遲，并且最重要的一點(diǎn)，必須確保無丟幀風(fēng)險的可靠傳輸。流量整形（“IEEE 802.1Q－服務(wù)質(zhì)量”部分）可解決此需求。流量整形定義了網(wǎng)橋根據(jù)幀的優(yōu)先級對幀進(jìn)行處理的策略。流量整形有幾種標(biāo)準(zhǔn)，例如：

IEEE 802.1Qav：時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊增強(qiáng)功能（FQTSS），有時稱為“基于信用值的整形器”（CBS）。

IEEE 802.1Qbv：調(diào)度流量的增強(qiáng)功能，通常稱為“時間感知整形器”（TAS）

IEEE 802.1Qch：循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)

IEEE 802.1Qcr：異步流量整形

汽車行業(yè)主要使用CBS和TAS。

CBS－基于信用值的整形器（802.1Qav）

使用基于信用值的整形器時，每個以太網(wǎng)設(shè)備都會獲得一個用于發(fā)送幀的信用值。只要信用值仍為正數(shù)，設(shè)備就可以繼續(xù)發(fā)送幀。當(dāng)信用值用完后，設(shè)備將無法再發(fā)送幀。必須等到補(bǔ)充信用值后才能再次開始發(fā)送。

該策略可確保帶寬的有效利用。其中沒有預(yù)定義的時隙。如果端點(diǎn)需要間歇性地發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以累積其信用值，然后一次全部用完。使用CBS配置AVB網(wǎng)絡(luò)比較簡單。

TAS－時間感知整形器（802.1Qbv）

與Qav不同，IEEE 802.1Qbv策略依賴于時隙模型。該策略并非基于要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，而是側(cè)重于傳輸?shù)念l率。節(jié)點(diǎn)不能再進(jìn)行任意時長的發(fā)送，但允許進(jìn)行很規(guī)律地傳輸。這意味著可以實(shí)現(xiàn)更低且更具確定性的延遲。

而Qbv的缺點(diǎn)是，無法確保網(wǎng)絡(luò)帶寬始終得到有效利用。如果端點(diǎn)不使用其時隙，將會丟失這些時隙以及帶寬。但這種影響可通過使用幀搶占模式進(jìn)行抵銷（IEEE 802.1Qbu）。

與AVNU的互操作性

系統(tǒng)架構(gòu)師可以通過各種可用的組件來實(shí)現(xiàn)AVB。可以根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)不同的AVB子集。雖然這有助于最大限度地減少硬件組件（僅實(shí)現(xiàn)實(shí)際所需的組件），但也可能會導(dǎo)致一些互操作性問題，因為不同供應(yīng)商提供的設(shè)備不一定支持完全相同的AVB功能。而且，工程師有時會以不同的方式來解釋IEEE標(biāo)準(zhǔn)，從而使情況變得更加復(fù)雜。

為了確保供應(yīng)商之間實(shí)現(xiàn)互操作性，AVNU聯(lián)盟為汽車領(lǐng)域制定了“以太網(wǎng)AVB功能和互操作性規(guī)范”，其中定義了每個設(shè)備中應(yīng)實(shí)現(xiàn)的AVB子集和相關(guān)參數(shù)的基準(zhǔn)。對于支持AVB的設(shè)備，可以經(jīng)由外部測試機(jī)構(gòu)或使用內(nèi)部專用測試設(shè)備測試其AVNU兼容性。

實(shí)際實(shí)現(xiàn)

圖3：典型的以太網(wǎng)AVB評估系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用中，支持AVB的網(wǎng)絡(luò)包括多個組件：交換機(jī)、PHY和端點(diǎn)。所有交換機(jī)和端點(diǎn)都必須支持AVB才能實(shí)現(xiàn)所需的性能。

得益于IEEE標(biāo)準(zhǔn)、AVNU和OpenAlliance（注：檢查R/TM標(biāo)記）規(guī)范，不同供應(yīng)商提供的組件（如PHY和交換機(jī)）如今可實(shí)現(xiàn)高水平的互操作性。

但是，在端點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)AVB仍然是一項復(fù)雜而繁瑣的任務(wù)。這些系統(tǒng)通常基于SoC或高端單片機(jī)而開發(fā)，其中需要集成許多軟件：實(shí)時操作系統(tǒng)、Autosar架構(gòu)以及AVB協(xié)議棧，這些軟件通常需要從第三方獲得相應(yīng)的授權(quán)。AVB端點(diǎn)（比如Microchip的LAN9360）是一個令人關(guān)注的替代方案。這些端點(diǎn)由一種集成AVB協(xié)議的智能以太網(wǎng)控制器組成。因此，AVB可以直接部署為基于硬件的解決方案，而無需進(jìn)行軟件開發(fā)。

結(jié)論

自IEEE的AVB工作組成立以來，AVB/TSN技術(shù)現(xiàn)在已達(dá)到很高的成熟度水平?！癆VB汽車”已經(jīng)上路，越來越多的原始設(shè)備制造商開始參與其中。得益于其開放式的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，許多具有互操作性的硬件和軟件已作為優(yōu)化的COTS產(chǎn)品供人們使用。在過去，“全以太網(wǎng)汽車”愿景曾備受質(zhì)疑，而如今它不再是遙不可及的空想。
責(zé)任編輯：彭菁