徽州骆驼 · 11月27日

入门车载以太网(8) -- TSN(车载时间敏感网络)概述

目录

1.什么是 AVB/TSN
2.车载 AVB/TSN 协议

2.1 传输协议简介
2.2 时间同步相关协议简介
2.3 QoS 相关协议
2.4 Security 相关协议

3 车载以太网 TSN 应用场景

3.1 多媒体传输
3.2 车辆控制与安全
3.3 数据诊断与车联网

4 总结


1.什么是 AVB/TSN

当前,智能网联汽车已经逐步演变为高度互联的移动数据中心。

以太网成为车内通信主干,从高分辨率摄像头、传感器到音视频娱乐系统,数据传输的带宽需求剧增;此外,自动\辅助驾驶需要数据能在严格的延时限制内准时到达,因此对时间敏感的相关控制提出了更高要求。

以太网能满足上述要求吗?显然是不能的,以太网可以保证大数据快速从 A 传到 B,但是就像高速公路的运输,能否准时到达取决公路拥堵情况,由于以太网本身网络串行传输和尽力传输(Best Effort)的转发机制,因此不能保证数据的时延、抖动等是可预期、确定性的行为,而在汽车上不可预测行为对控制系统是非常难受的事情。

为了解决以太网中同步稳定传输的问题,车载以太网引入了 AVB(Audio Video Bridging)/TSN(Time-Sensitive Networking)技术,AVB/TSN 技术的发展经历了几个关键阶段:

  1. AVB 技术的引入:2005 年,IEEE 802.1 工作组成立了 AVB 音视频桥接任务组,开始制定基于以太网架构的音频/视频传输协议集,旨在解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的标准。2009 年,成立了 AVnu 联盟,推动 AVB 的市场化和产品间互操作性;
  2. AVB 到 TSN 的扩展:2012 年,AVB 任务组更名为 TSN 任务组,其目标不局限于音视频领域,而是扩展到工业自动化、车载网络等多个领域。TSN 技术的发展,使得以太网能够提供确定性的性能,满足各种时间敏感的应用需求。
  3. TSN 标准的完善:随着 TSN 技术的发展,IEEE 制定了一系列 TSN 相关标准,包括时间同步、数据流调度策略、网络配置等,形成了一个完整的 TSN 技术体系。

废话半天,AVB/TSN 到底有什么用?

以 Vector 2018 年一张图为例,AVB 主要用于传输音频和视频流:

image.png

图片来源:Vector_Webinar_Solution_Ethernet_20181114

为了提升 AVB 的性能,TSN(Time Sensitive Network)在 AVB 的基础上进行了扩充;TSN 位于 OSI 模型的第二层--数据链路层,新增了时钟同步、延迟控制、资源管理、可靠性等标准,具体如下:

Image

图片来源:IEEE 802.1 TSN – An Introduction

2.车载 AVB/TSN 协议  

由于 TSN 是由 AVB 演变并扩展而来,因此这两者在协议框架上也有不同,根据不同需求可以划分为如下部分:

Image

开发者根据需要选择不同标准即可组建自己的网络。下面介绍几个常见的协议。

2.1 传输协议简介

IEEE 1722 属于传输协议,也称为值 Audio Video Transport Protocol(AVTP),它属于链路层传输协议,负责将音视频数据封装成适合链路层传输的格式。在表中,可以看到 AVTP 有两个版本。

2011 版本仅支持传输 AV 流,2016 版本既可以传输 AV 流,也可以传输控制数据。

该协议中最重要的概念叫做 Presentation Time,即呈现时间。如下图所示:

Image

只有音频数据到达 Speaker B 后,A 和 B 才会同时播发,这个延迟就叫呈现时间。通过使用呈现时间,不同的接收设备可以同步播放音视频流,即使它们位于网络的不同部分

这就有个疑问:呈现时间是为了让大家统一播放,但如果时间基准不一样,这个呈现时间就出现了误差,为了解决这个问题,引入了时间同步协议 IEEE 802.1AS--gPTP(general Precision Time Protocol)。

2.2 时间同步相关协议简介

802.1AS(gPTP)以 PTP(IEEE 1588)为基础,对其进行了优化和简化;它定义在数据链路层的 MAC 子层,减少协议栈缓存带来的延时不确定性,并缩短报文的传输时间。

根据统计,gPTP 可以实现 7 跳内网络节点间的同步精度为 500ns(100 ppm 晶振)。

在 gPTP 中,定义了名为“Grandmaster”(GM)的主时钟,作为其他节点的时钟参考源,负责发送初始的参考时钟信号,其他节点必须将自己的时间与主时钟对齐。

主时钟通常情况是由 BMCA(Best Master Clock Algorithm)算法动态分配,通过比较各个节点的时钟属性自动选出,但在汽车行业,主时钟一般使用静态配置。

GM 所在节点通过发送携带不同信息的报文,从节点根据这些信息完成与 GM 的同步,而同步成功取决于两个关键路径:(1)主时钟同步信息的分发(2)点对点之间的链路传播延迟时间;

在该协议中,有 5 种报文完成上述工作:

  1. Sync(同步报文):事件型报文,用于发送主时钟的时间信息。主端口发送 Sync 报文时,会记录发送的时间戳,从端口接收 Sync 报文时也会记录时间戳,这两个时间戳用于后续的时钟频率和传输延迟的计算。
  2. Follow_Up(跟随报文):通用型报文,与 Sync 为一组报文不触发硬件计数器采样。用于发送主时钟的时间信息,补充 Sync 报文,提供更精确的时间同步。

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时间同步传输过程

  1. Pdelay_Req(对等延迟请求报文):事件型报文,用于请求从设备返回 Pdelay_Resp 报文,以测量两个设备之间的传输延迟。
  2. Pdelay_Resp(对等延迟响应报文):事件型报文,从设备在接收到 Pdelay_Req 报文后发送,包含接收到 Pdelay_Req 报文的时间戳,用于计算传输延迟。
  3. Pdelay_Resp_Follow_Up(对等延迟响应跟随报文):通用型报文,与 Pdelay_Resp 一组用于发送 Pdelay_Resp 报文的时间戳,以完成对等延迟的测量。

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测量对等延迟时间(即 GM->Slave 延迟,假想 GM 与 Slave 间隔 5 公里的延迟)

2.3 QoS 相关协议

QoS,全称 Quality of Service,指的是在网络通信中,通过技术手段来控制数据传输的优先级,以确保关键数据的传输质量,包括数据传输的带宽、延迟、丢包率等参数。其工作原理过滤和监控、整形、传输选择等,具体如下:

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上表中提到的各种标准实际是不同的技术手段,接下来简单了解一下:

PS:802.1Q 后面跟了很多小字母,实际上是每发布一个版本后面字母就递增,一直循环。

802.1Qav-2009

该协议提出一种网络流量调整机制,根据报文的优先级分为时间敏感流和普通流,并送入不同队列,然后根据队列选择算法,控制帧的发送。

在该标准中提出了基于信用的整形方法(Credit-Based Shaper),核心思想是通过为每个队列分配一个信用值(credit)来控制数据的传输,这个信用值会随着时间的变化而变化,并且其增加和减少的速率受到参数的约束。

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802.1Qbv-2015

时间感知整形器(Time Aware Shaper),其原理是在网桥或者 end station 的每个队列增加一个门控,每个端口通过门控列表控制门的开关,实现关键帧的定时发送。如下图所示:

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图片来源  IEEE802-1-Qbv:Enhancements for Scheduled Traffic

802.1Qbu-2016 & 802.3br-2016(Preemption)

帧抢占需要上述两个协议共同实现。

802.3br 定义了两类 MAC:express MAC 和 preemptable MAC,其中有 preemptable MAC 发出的帧可以被 eMAC 发出的帧抢占,如下图:

Image

802.1Qbu 则利用 802.3br,实现帧抢占机制,如下图:

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绿色帧为关键消息,橙色帧为非关键消息,橙色帧先到达并开始传输。在 pMAC 中,当绿色帧到达时,允许中断橙色帧的传输,先传输绿色帧,完成后再继续橙色帧的传输,从而使得关键消息更早完成传输  。

802.1Qch2017(Cyclic Queue Forwarding)

该协议提出了 Cyclic Queuing & Forwarding 的流程整形方法,其原理是将时间片或周期分为相等的奇偶间隔,在偶间隔接收报文,并在奇间隔发送。这种情况延迟变动就甚少,如下图:

Image

2.4 Security 相关协议

数据 Security 相关协议主要有 802.1Qci。

该协议提出了一个机制叫做 Pre-stream Filtering and Policing(PSFP,流的过滤和监管机制),可用于防止带宽违规、故障、攻击;

它实现了三种功能,如下:

Image

Stream Filter:根据流的 ID 和优先级确定该帧的过滤和监管策略;

Stream Gate:门控时间调度表对数据流进行管控;

Flow Meter:对数据流进行监控,调节流量

PSFP 主要针对 DDoS 这样的网络攻击,如果监控的数据流量突然增大,可能影响另一个数据流时,就利用该机制将数据流整形,回到流量增加前的状态。


3 车载以太网 TSN 应用场景

下图为 NXP i.MX8DXL 中基于 AVB/TSN 的 Audio 示例栈:

Image

图片来源:Audio demo over AVB/TSN network on i.MX8DXL

可以看到,上面我们提到的每个协议基本在该实例中得到体现,那么具体在车载以太网中还有什么应用?

3.1 多媒体传输

车载以太网 AVB/TSN 技术在多媒体传输领域的应用是其最直观的体现。随着汽车智能化的发展,车载信息娱乐系统变得越来越复杂,对数据传输的带宽和实时性要求也越来越高。

  • 音频视频同步:AVB/TSN 技术能够确保车内音频和视频数据的精确同步传输。根据 IEEE 802.1AS 标准,时间同步精度可以达到微秒级别,这对于提升乘客的娱乐体验至关重要。例如,在一个典型的车载多媒体系统中,音频和视频数据的同步传输可以减少音频延迟,提供更加沉浸式的观影体验。
  • 数据传输效率:AVB/TSN 技术支持高带宽的数据传输,能够满足高清视频和高质量音频的需求。在一项实际测试中,使用 AVB/TSN 技术的车载网络能够实现 100Mbps 的稳定传输速率,远高于传统 CAN 总线的 1Mbps 速率,从而支持多个高清视频流的同时传输。
  • 实时性能:AVB/TSN 技术通过 IEEE 802.1Qav 标准的 FQTSS 机制,确保了时间敏感流的优先传输,减少了延迟和丢包率。在一项车载网络性能测试中,AVB/TSN 技术能够将端到端的传输延迟降低到 2 微秒以下,满足了实时多媒体传输的需求。

3.2 车辆控制与安全

随着自动驾驶技术的发展,车辆对网络通信的实时性和可靠性要求越来越高。TSN 技术能够为 ADAS 提供所需的高带宽和低延迟通信。例如,一辆配备 ADAS 的汽车需要实时处理来自雷达、摄像头等传感器的数据,AVB/TSN 技术能够确保这些数据的快速、准确传输,从而提高驾驶安全性。

3.3 数据诊断与车联网

TSN 技术在数据诊断和车联网领域同样有用,例如支持远程数据诊断,使得车辆的维护和故障诊断变得更加高效;为车联网提供了低延迟、高可靠性的通信基础。


4.小结

到这里,入门车载以太网系列告一段落。

入门车载以太网(1) -- 物理层
入门车载以太网(2) -- 数据链路层
入门车载以太网(3) -- 网络层
入门车载以太网(4) -- 传输层(TCP/UDP 它来了)
入门车载以太网(5) -- SOME/IP 协议
入门车载以太网(6) -- XCP on Ethernet
入门车载以太网(7) -- DoIP

通过 8 篇文章,了解了车载以太网的各项基础概念,囫囵吞枣,不够精细,在接下来的进阶篇,将从实战角度进一步解析。

END

作者:快乐的肌肉
来源:汽车MCU软件设计

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