詳細(xì)分析車載以太網(wǎng)TSN標(biāo)準(zhǔn)

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)備都可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時間上既不精準(zhǔn)也不確定；同時，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現(xiàn)設(shè)備之間實時、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)實時同步傳輸?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)大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。

TSN其實指的是在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”的時間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。同時利用數(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誤，均能強(qiáng)制實現(xiàn)可靠的通訊。此選項確保關(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間敏感機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，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個核心組件，分別是時間同步、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

時間同步

所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。它用于實現(xiàn)高精度的時鐘同步。對于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時”，而是“最差狀態(tài)下的延時”—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，最差的延時才是系統(tǒng)的延時定義。

IEEE1588 協(xié)議，又稱 PTP（ precise time protocol，精確時間協(xié)議），可以達(dá)到亞微秒級別時間同步精度，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同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時鐘進(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（延時響應(yīng)機(jī)制）如上圖，IEEE1588 把所涉及到的報文分為 事件報文 和 通用報文，分類依據(jù)是：是否在收發(fā)報文時需要記錄精確時間戳，根據(jù)上文中所描述的幾種報文，可以進(jìn)行如下分類：

事件報文（event message） ： sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用報文(general message) ：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)制測量兩個時鐘端口之間的鏈接延時，鏈接延時被用來更正Sync和Follow_Up報文中的時間信息。

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)計延遲時間僅為100微秒。

低延遲的核心標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1Qbv時間感知隊列。

通過時間感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交換機(jī)能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標(biāo)識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文在預(yù)定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊列將被鎖定在規(guī)定時間窗口里。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)報文延時被得到保障。

TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關(guān)”兩個狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時間進(jìn)度表network schedule進(jìn)行定義。對沒有進(jìn)入network schedule的隊列流量關(guān)閉，這樣就能保障那些對傳輸時間要求嚴(yán)格的隊列的帶寬和延遲時間。TAS保障時間要求嚴(yán)苛的隊列免受其它網(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，搶占機(jī)制可以被使用。

在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時隊列分為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主要為那些時間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換。

對于特別重要的數(shù)據(jù)，TSN規(guī)定了一個搶占機(jī)制，它由802.1Qbu/802.3br共同構(gòu)成。對于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷，報文按等級可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護(hù)的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。IEEE802.1br定義了，設(shè)計了快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道，可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進(jìn)行增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

03

高可靠性

TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標(biāo)準(zhǔn)。這也是無人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個系統(tǒng)達(dá)到功能安全的最高等級ASIL D級。同樣，與自適應(yīng)AUTOSAR的捆綁程度也比較高。

眾所周知，L4級無人駕駛需要一個冗余處理器，但是主處理系統(tǒng)和冗余處理系統(tǒng)之間的通訊機(jī)制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統(tǒng)間的冗余，芯片之間的冗余還是多采用PCIE交換機(jī)的多主機(jī)fail-operational機(jī)制，兩者有相似之處。

對于非常重要的數(shù)據(jù)，802.1CB會多發(fā)送一個數(shù)據(jù)備份，這個備份會沿著最遠(yuǎn)離主數(shù)據(jù)路徑交集的路徑傳輸。如果兩個數(shù)據(jù)都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接受到一幀數(shù)據(jù)，那么就進(jìn)入后備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經(jīng)定義了PRP和HSR兩種冗余，這種屬于全局冗余，成本較高，802.1CB只針對關(guān)鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標(biāo)準(zhǔn)的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以縮寫為FRER。

FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。

802.1CB也有簡單的失效原因分析機(jī)制

04

網(wǎng)絡(luò)資源管理和802.1Qci

TSN的網(wǎng)絡(luò)資源管理主要標(biāo)準(zhǔn)是802.1Qcc。這個與車載以太網(wǎng)沒有關(guān)聯(lián)，主要用在專業(yè)音視頻網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。802.1Qcc用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足設(shè)備節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)需求的各種變化；

802.1Qci保證無人車網(wǎng)絡(luò)安全的入口管理

802.1Qci主要為防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和流量過載設(shè)計，又稱之為Ingress Policing，它對每個流量都進(jìn)行過濾和管理，簡稱PSFR，數(shù)據(jù)流濾波器包括數(shù)據(jù)ID、優(yōu)先權(quán)、濾波值、Meter(計量)ID、計數(shù)器。流程圖如下

802.1Qci專門對付DDoS這樣的網(wǎng)絡(luò)攻擊，假如一個數(shù)據(jù)流流量突然增大，有可能擠壓另一個數(shù)據(jù)流的帶寬時，入口管理政策會將數(shù)據(jù)流整形，強(qiáng)制回到數(shù)據(jù)流爆發(fā)前的狀態(tài)。

此外，802.1Qci還可以對付ARP欺騙攻擊，ARP（Address Resolution Protocol），是根據(jù)IP地址獲取物理地址的一個TCP/IP協(xié)議。主機(jī)發(fā)送信息時將包含目標(biāo)IP地址的ARP請求廣播到網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)，并接收返回消息，以此確定目標(biāo)的物理地址；收到返回消息后將該IP地址和物理地址存入本機(jī)ARP緩存中并保留一定時間，下次請求時直接查詢ARP緩存以節(jié)約資源。地址解析協(xié)議是建立在網(wǎng)絡(luò)中各個主機(jī)互相信任的基礎(chǔ)上的，網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)可以自主發(fā)送ARP應(yīng)答消息，其他主機(jī)收到應(yīng)答報文時不會檢測該報文的真實性就會將其記入本機(jī)ARP緩存；由此攻擊者就可以向某一主機(jī)發(fā)送偽ARP應(yīng)答報文，使其發(fā)送的信息無法到達(dá)預(yù)期的主機(jī)或到達(dá)錯誤的主機(jī)，這就構(gòu)成了一個ARP欺騙。802.1Qci可以識別這種欺騙，并阻止錯誤信息的發(fā)送。

05

車載TSN的具體應(yīng)用

TSN并未全部完成，由于芯片的開發(fā)周期通常都要3-4年，目前只要支持TSN標(biāo)準(zhǔn)中最核心的Q802.1AS即可算支持TSN標(biāo)準(zhǔn)。

目前主要有三款車載TSN交換機(jī)芯片，一片是Marvell的88Q5050，用在英偉達(dá)自動駕駛旗艦Pegasus上，另一片是NXP的SJA1105TEL。88Q5050支持802.1Qav/Qbv，802.1AS。SJA1105TEL還支持802.1Qci。還有博通的BCM53162，和SJA1105TEL一樣，除了支持持802.1Qav/Qbv，802.1AS，還支持802.1Qci 。支持TSN全部關(guān)鍵協(xié)議的芯片預(yù)計要等到2022年。

英偉達(dá)旗艦自動駕駛平臺Pegasus

上圖為88Q5050的內(nèi)部框架圖，88Q5050擁有4個固定端口，4個可設(shè)置端口，最高支持千兆以太網(wǎng)，尺寸14mm*20mm。

上圖為 SJA1105TEL的內(nèi)部框架圖，只支持5口，價格最低，功耗最低，尺寸最小，只有12mm*12mm。用在自動駕駛領(lǐng)域可能不夠，需要使用多片SJA1105TEL。NXP針對無人駕駛推出的開發(fā)平臺BlueBox就用了3片。

上圖為NXP BlueBox內(nèi)部框架圖

博通的BCM53162支持的帶寬最高，最高可達(dá)萬比特以太網(wǎng)10GbE。

上圖為BCM53162內(nèi)部框架圖，接口最豐富。不過BCM53162的功耗也最高，價格也最高，尺寸也最大，為19mm*19mm，最高運(yùn)行工作溫度上限為85度，NXP和Marvell的都可以達(dá)105度。