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：
- 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；
- 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。
- 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：
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：
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：
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：
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：
- 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。
- 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。
时间同步传输过程
- 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。
- 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。
- 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。
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：
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。
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：
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：
802.1Qbu 则利用 802.3br，实现帧抢占机制，如下图：
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：
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：
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：
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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