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本文将深入探讨汽车应用环境下以太网AVB/TSN的基本原理
Microchip Technology Inc.
AIS制品营销经理
Francis Ielsch
跨桥接网络实现面向数据分组的通信已作为一项全世界标准。如今，它广泛应用于各样区别规模和繁杂性各异的系统中，例如服务器和飞机、小型遥控设备、远程传感器以及许多物联网（IoT）应用。
因为以太网与理学层分离，因此可经过区别的理学介质对以太网帧或IP数据包进行透明传输。因此呢，经过区别网络类型进行连接的设备彼此之间能够无缝通信。例如，运用蜂窝连接的手机和运用INICnet™（ISO21806）网络的车载掌控单元（经过汽车远程信息处理单元或网关）进行通信。IP数据包可从发送方路由到接收方。
如此看来暂且还好，然则在传输时间、延迟时间、抖动和丢包方面，状况怎样呢？遗憾的是，原始以太网存在不确定性，亦便是说，它没法掌控准许设备发送数据的时间和数据量，亦没法掌控数据包的传输路径。两个设备之间的传输时间总是变化，并且在网络拥塞时可能会出现丢包状况。针对必须保证低延迟和信息传递的关键型应用，这般的特性是不匹配的。
专有的总线和网络技术拥有低延迟和确定性，但只能作为一种有限的处理方法。所有市场都趋向于不依赖任何特定制造商的标准化开放技术。另外，标准技术既不需要特殊的专业知识，亦无需繁杂且昂贵的网关。
因此呢，业界社区数年来始终在科研以太网的弱点。随着时间的推移，市场上显现了各样用来改善以太网实时特性的处理方法，其中包含AVB/TSN。
IEEE工作组于2008年起始制定音视频桥接（AVB）技术。当时的目的是为了改善经过以太网进行时间关键型音频和视频数据传输的特性。术语AVB不仅包括IEEE 802.1BA标准，还包括以下标准：
•IEEE 802.1AS：时间同步
•IEEE 802.1Qav：调节交换机中帧的传输和中间缓冲
•IEEE 802.1Qat：音频流和视频流的动态带宽分配
•IEEE 1722：传输协议
•IEEE 1722.1：支持AVB的网络和设备的动态配置
该标准于2011年完成定稿并发布，最初用于各样多媒介应用，后来用于工业行业，专门用来传输时间关键型命令或传感器数据。随着AVB技术在非多媒介行业的应用逐步导致更加多关注，IEEE成立了一个名为“时间敏锐网络”（TSN）的新工作组。TSN工作组采用了AVB工作组的标准，并在专业音频视频、工业、汽车和航空航天等行业处理了更广泛的应用问题。
在汽车行业，迄今仍在沿用最初的AVB标准，但在某些状况下已起始运用TSN工作组的修订版。本文重点讨论AVB标准，此标准可视为等同于TSN标准。
图1：AVB系统一般可实现这些要素的区别子集
运用gPTP进行时间同步
通用精细时间协议（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系统的一起基本。其用途类似于计算机行业中广为人知的网络时间协议（NTP）。NTP保证计算机时钟在本地网络中与参考时间同步，在最佳应用要求下达到到毫秒级精度。该精度能够完全满足计算机和服务器的需要，但针对同步或时间关键型应用来讲则太不精确。
图2：gPTP基准与gPTP客户端之间的交互
gPTP可保证以太网设备中拥有更加精确的时基，一般达到微秒级乃至纳秒级。实质上，gPTP包含两种机制：基准时间分发和传输时间计算。
时间从一个或多个时间基准节点（按照IEEE标准为“gPTP主机”）分发到一个或多个客户端（按照IEEE标准为“gPTP从机”）。类似于IEEE 1588的两步过程，gPTP总是连续发送两个帧：“Sync”和“Sync Follow-Up”。客户端运用其中包括的时间戳将其本地时钟重置为基准时间，从而保证网络中的所有设备都运用完全相同的时基。
然则，仅有将全部网络所需的传输时间亦思虑在内，才可保证很准确的时基。要实现这一点，应在直接相邻的节点之间始终成对执行对等延迟测绘。这般，每一个节点所测传输时间的总和会产生对等延迟值，继而可按照该值校正gPTP时间。
传输协议
IEEE 1722－AVTP
音视频传输协议是经过以太网AVB技术传输音频/视频数据以即时间关键型数据的标准传输协议。它是一种用于经过MAC位置拜访设备的轻量级ISO/OSI Layer2协议。因此呢，这种方式无需集成所有的IP协议栈，有助于最大限度地减小项目和设计的规模、成本和繁杂性。
IEEE 1733－RTP/RTCP
RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均为基于IP的网络协议，适用于经过以太网传输音频和视频数据。这些协议数年来已广泛用于各样工业级和消费类设备，包含视频监控摄像头和对讲设备。IEEE 1733是RTP/RTCP的改编版本，适用于经过AVB进行同步传输，因此呢可做为基于IP的解决方法替代IEEE 1722。
流量整形
以太网网络一般由海量端点（计算机和电子设备）和网桥（交换机和网关等）构成。无论选取哪种传输协议，数据都会封装成以太网帧，而后从发送方经过多个网桥（跃点）路由到接收方。帧的传输方式和传输时间存在不确定性。传输路径上的网桥将以较快或较慢的速度进行帧转发（存储转发和直通转发）。在网络拥塞的状况下，这些帧有时需要缓冲一段时间，在最糟状况下乃至可能会丢失。
工业和汽车系统应拥有较低的确定性延迟，并且最重要的一点，必须保证无丢帧危害的靠谱传输。流量整形（“IEEE 802.1Q－服务质量”部分）可处理此需要。流量整形定义了网桥按照帧的优先级对帧进行处理的策略。流量整形有几种标准，例如：
•IEEE 802.1Qav：时间敏锐流的转发和排队加强功能（FQTSS），有时叫作为“基于信用值的整形器”（CBS）。
•IEEE 802.1Qbv：调度流量的加强功能，一般叫作为“时间感知整形器”（TAS）
•IEEE 802.1Qch：循环排队和转发
•IEEE 802.1Qcr：异步流量整形
汽车行业重点运用CBS和TAS。
CBS－基于信用值的整形器（802.1Qav）
运用基于信用值的整形器时，每一个以太网设备都会得到一个用于发送帧的信用值。只要信用值仍为正数，设备就能够继续发送帧。当信用值用完后，设备将没法再发送帧。必须等到弥补信用值后才可再次起始发送。
该策略可保证带宽的有效利用。其中无预定义的时隙。倘若端点需要间歇性地发送数据，则能够累积其信用值，而后一次所有用完。运用CBS配置AVB网络比较简单。
TAS－时间感知整形器（802.1Qbv）
与Qav区别，IEEE 802.1Qbv策略依赖于时隙模型。该策略并非基于要发送的数据量，而是侧重于传输的频率。节点不可再进行任意时长的发送，但准许进行很规律地传输。这寓意着能够实现更低且更具确定性的延迟。
而Qbv的缺点是，没法保证网络带宽始终得到有效利用。倘若端点不运用其时隙，将会丢失这些时隙以及带宽。但这种影响可经过运用帧抢占模式进行抵销（IEEE 802.1Qbu）。
与AVNU的互操作性
系统架构师能够经过各样可用的组件来实现AVB。能够按照系统需求实现区别的AVB子集。虽然这有助于最大限度地减少硬件组件（仅实现实质所需的组件），但亦可能会引起有些互操作性问题，由于区别供应商供给的设备不必定支持完全相同的AVB功能。况且，工程师有时会以区别的方式来解释IEEE标准，从而使状况变得更加繁杂。
为了保证供应商之间实现互操作性，AVNU联盟为汽车行业制定了“以太网AVB功能和互操作性规范”，其中定义了每一个设备中应实现的AVB子集和关联参数的基准。针对支持AVB的设备，能够经由外边测试公司或运用内部专用测试设备测试其AVNU兼容性。
实质实现
图3：典型的以太网AVB评定系统
在实质应用中，支持AVB的网络包含多个组件：交换机、PHY和端点。所有交换机和端点都必须支持AVB才可实现所需的性能。
得益于IEEE标准、AVNU和OpenAlliance（注：检测R/TM标记）规范，区别供应商供给的组件（如PHY和交换机）如今可实现高水平的互操作性。
然则，在端点中实现AVB仍然是一项繁杂而繁琐的任务。这些系统一般基于SoC或高端单片机而研发，其中需要集成许多软件：实时操作系统、Autosar架构以及AVB协议栈，这些软件一般需要从第三方得到相应的授权。AVB端点（例如Microchip的LAN9360）是一个令人关注的替代方法。这些端点由一种集成AVB协议的智能以太网掌控器构成。因此呢，AVB能够直接安排为基于硬件的处理方法，而无需进行软件研发。
结论
自IEEE的AVB工作构成立败兴，AVB/TSN技术此刻已达到很高的成熟度水平。“AVB汽车”已然上路，越来越多的原始设备制造商起始参与其中。得益于其开放式的标准化技术，许多拥有互操作性的硬件和软件已做为优化的COTS制品供人们运用。在过去，“全以太网汽车”愿景曾备受质疑，而如今它再也不是遥不可及的空想。
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发表于 2024-8-31 07:32:03