輕松評估車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸時延

車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延可分為固定時延和隨機時延，固定時延有上層協(xié)議數(shù)據(jù)處理時延、鏈路數(shù)據(jù)傳輸時延等，而隨機時延與EthernetAVB協(xié)議緊密相關(guān)。因此，本文在分析EthernetAVB協(xié)議的基礎(chǔ)之上，將配合使用RAD_Galaxy設(shè)備監(jiān)測鏈路傳輸?shù)膱笪?，根?jù)實測報文的頭部信息，嘗試分析出各部分的時延信息。

從LIN、CAN、FlexRay到MOST網(wǎng)絡(luò)，雖然車載網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率越來越高，但OTA遠程升級、360°環(huán)視影音、ADAS駕駛輔助，甚至共享租賃所需的CyberSecurity網(wǎng)絡(luò)信息安全等層出不窮的新功能無不呼喚著更高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)。隨著BroadR-Reach解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的電磁兼容性問題，DoIP、AVB/TSN、SOME/IP等協(xié)議開始在車載以太網(wǎng)上大展拳腳，以太網(wǎng)以其高帶寬、低成本、輕量化的優(yōu)勢逐步在中高端車上普及，其滲入到汽車電子各領(lǐng)域階層已是大勢所趨。

就像再寬的高速公路也拯救不了關(guān)卡林立的收費站一樣，任何功能在車載以太網(wǎng)上的移植或?qū)崿F(xiàn)，不得不考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化。與傳統(tǒng)以CAN為主干的Bus總線型拓撲不同的是，車載以太網(wǎng)大多采用以交換機為樞紐的星型拓撲。無論多炫酷的功能，汽車功能及信息安全所必須的通訊實時性，都是必須守住的底線。接下來本文將重點探討如何評估車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。

車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延可分為固定時延和隨機時延，固定時延有上層協(xié)議數(shù)據(jù)處理時延、鏈路數(shù)據(jù)傳輸時延等，而隨機時延與EthernetAVB協(xié)議緊密相關(guān)。因此，本文在分析EthernetAVB協(xié)議的基礎(chǔ)之上，將配合使用RAD_Galaxy設(shè)備監(jiān)測鏈路傳輸?shù)膱笪?，根?jù)實測報文的頭部信息，嘗試分析出各部分的時延信息。

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協(xié)議相關(guān)時延

EthernetAVB 核心協(xié)議有SRP（流預(yù)留協(xié)議）、FQTSS（時間敏感性流的轉(zhuǎn)發(fā)與排隊協(xié)議）、gPTP（時間同步協(xié)議）和AVTP（AVB傳輸與控制協(xié)議）。其中，車載以太網(wǎng)中為了降低時延，一般不會動態(tài)預(yù)留帶寬，所以暫且不用考慮SRP所產(chǎn)生的時延；而其余三個協(xié)議主要是流量調(diào)度產(chǎn)生的時延（即干擾遲滯）和時鐘同步產(chǎn)生的時延。

數(shù)據(jù)流量調(diào)度時延

主要包括排隊遲滯、扇入遲滯和永久遲滯這三方面，本質(zhì)上，與FQTSS時間敏感性流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊協(xié)議有關(guān)。FQTSS是一個對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行調(diào)度的機制，其體現(xiàn)在令牌整形算法（CBS）方面。CBS是基于信用值的累積和消耗，特定AVB流類別的幀的信用值大于等于0時才可以傳輸，這實現(xiàn)了一個相對公平的傳輸環(huán)境，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。如圖1所示，低優(yōu)先級B類數(shù)據(jù)流以及非AVB的C類數(shù)據(jù)流可以得到傳輸數(shù)據(jù)的機會。

圖1基于信用機制的令牌整形算法

排隊遲滯即不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流在緩沖區(qū)排隊所產(chǎn)生的遲滯，主要與令牌整形算法相關(guān)，如圖1所示，是A、B、C三類數(shù)據(jù)流的整形過程。

扇入遲滯是相同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流輸入，如圖2所示，有7個端口輸入相同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流，1個端口輸出這些數(shù)據(jù)流。最大數(shù)據(jù)量的端口要適應(yīng)輸出端FIFO最大分幀長度，即在輸出端口的FIFO必須發(fā)送的字節(jié)數(shù)為最大的分幀長度容量+6*最大的幀容量FIFO。相應(yīng)地，這也會導(dǎo)致一定的遲滯。

圖2扇入遲滯多進一出

永久遲滯作為扇入遲滯的一部分納入遲滯分析之中。在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)盡量避免遲滯的出現(xiàn)，但一個交換機在接收具有相同帶寬的一定優(yōu)先權(quán)的信息時就有可能產(chǎn)生遲滯，在輸出端口借助于遲滯令牌整形后允許發(fā)送信息，這種情況下，就會阻礙其他信息的發(fā)送，就會占用一定程度的緩沖區(qū)，并且在滿載狀態(tài)下不總會被消除。

圖3永久遲滯產(chǎn)生原理圖

如3圖所示，F(xiàn)IFO2的信息零星的阻礙了FIFO1信息的發(fā)送，在FIFO3中，我們發(fā)現(xiàn)信息3往后都遲滯了一段時間，這就是永久遲滯。

時鐘同步時延

這主要與gPTP協(xié)議有關(guān)，同時也涉及到AVTP協(xié)議。

任何給定的gPTP域中可以只有一個主時鐘，這個主時鐘為整個gPTP域設(shè)定時標(biāo)。多種混合技術(shù)的LAN都可以使用單一的gPTP主時鐘作為計時基準(zhǔn)，一個gPTP網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都將共享一個公共網(wǎng)絡(luò)時間，該公共時間與gPTP域中的所有其他設(shè)備之間的相差不超過500ns。gPTP系統(tǒng)交換多種類型的報文以在整個網(wǎng)絡(luò)上傳播主時鐘同步基準(zhǔn)，使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_ Follow_Up報文，用于補償設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)時滯。

圖4時鐘同步鏈路時滯測量

如4圖所示，是報文交互的過程，如果鏈路時滯固定且對稱，則LINK_DELAY就是所述的鏈路時滯，gPTP域內(nèi)的AVB設(shè)備很據(jù)這個鏈路時滯來同步輸出，此時的輸出就存在時延（這個時延取決于gPTP域中最大的時間偏移量），因為它們要確保同時輸出，比如說，車內(nèi)音響和視頻，它們的圖像和語音要同步，為了同步輸出，必定有一方要等待另一方，即時延規(guī)范化（其中AVTP Listener的緩存區(qū)必須足夠大以容納時延，這個緩存量足以規(guī)范由網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)不同所產(chǎn)生的時延差）如5圖所示，音響的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)過七跳，而視頻的數(shù)據(jù)傳輸只需經(jīng)過兩跳，假設(shè)其他條件一樣，很明顯，視頻數(shù)據(jù)流需等待音頻數(shù)據(jù)流，兩者同步輸出。

圖5同步輸出

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網(wǎng)絡(luò)時延測量

測量工具選擇英特佩斯RAD_Galaxy，如圖6所示，作為支持標(biāo)準(zhǔn)8線千兆以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)工具，RAD_Galaxy可以使標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備、電腦、或者數(shù)據(jù)記錄儀兼容BroadR-Reach。它包含12個BroadR-Reach收發(fā)器芯片（PHYs），最高可監(jiān)控6路網(wǎng)絡(luò)，可插入到6對BroadR-Reach節(jié)點或6個BroadR-Reach節(jié)點和交換機之間，監(jiān)控鏈路上報文的傳輸情況。

圖6 英特佩斯RAD_Galaxy

如圖7所示，Galaxy有三種路由旁通方式：1）PHY層路由：低時延；2）MAC層路由：錯誤幀過濾；3）軟路由：靈活配置。只通過PHY層時，相當(dāng)于一個簡單的轉(zhuǎn)發(fā)過程，所有的報文，包括錯誤幀都會發(fā)出來，而通過MAC層路由時，會簡單分析一下它的報頭，過濾掉大部分錯誤幀，當(dāng)軟路由時，經(jīng)過的OSI上層，報文會被完整的“分析”一遍，相應(yīng)的，時延也就增大了。

圖7 RAD_Galaxy路由旁通方式

我們搭建了一個360°環(huán)視系統(tǒng)試驗臺，如圖8所示，將Galaxy加到360°環(huán)視系統(tǒng)中，相當(dāng)于原先的每條完整的線路被分成兩段，接到Galaxy的成對的博通以太網(wǎng)接口中，而電腦中上位機軟件通過RJ45千兆以太網(wǎng)連到Galaxy的控制端口。

圖8 360°環(huán)視系統(tǒng)試驗臺

在VehicleSpy軟件中，設(shè)置設(shè)備的TAP測量模式，然后運行在監(jiān)控模式下，如圖9所示，可以分析各報文的頭部信息，尤其是時間戳的信息。

圖9 報文信息

綜上，通過Galaxy設(shè)備的測量記錄，按照AVB協(xié)議對報文進行分析，便可以知道搭建的網(wǎng)絡(luò)中各數(shù)據(jù)流時延的分布，能夠準(zhǔn)確的評估被測系統(tǒng)的各網(wǎng)段時延，幫助網(wǎng)絡(luò)測試工程師定位以太網(wǎng)控制器時延相關(guān)的問題。