車載以太網(wǎng)PHY標準分布

2010年后，IEEE著手將以太網(wǎng)全面升級為TSN網(wǎng)，這個過程可能要用20年時間。TSN即Time-Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡，其應用范圍很廣，涵蓋6個領域，分別是：

1)、以太網(wǎng)音視頻橋即EAVB，802.1BA標準；

2)、5G射頻前傳FrontHaul，即802.1CM/de標準； 3)、工業(yè)自動化即IEC/IEEE 60802標準； 4)、車載TSN即802.1DG標準； 5)、服務供應商Service Provider即802.1DF標準；

6)、航天Aerospace Onboard即IEEEP802.1DP/SAE AS6675標準。

其中，后面4個都是未完成，標準前會加“P”，比如車載TSN標準目前是P802.1DG，預計2024年全部完成。與TSN關系最密切的是車載以太網(wǎng)交換機芯片，無一例外，全球任何一家車載以太網(wǎng)交換機芯片都支持TSN，也必須支持。以太網(wǎng)交換機芯片也是智能駕駛和智能座艙必用芯片，以奔馳S級為例，每輛車至少有5片以太網(wǎng)交換機芯片。

車載以太網(wǎng)OSI模型

圖片來源：Marvell

車載以太網(wǎng)標準分物理層PHY和鏈路層兩大類，TSN標準主要在第二層的鏈路層。車載以太網(wǎng)PHY標準主要是制定單對雙絞線標準，傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)最大不同是傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要2-4對線，車載以太網(wǎng)只需要一對，且是非屏蔽的，僅僅此一項，就可減少70%-80%的連接器成本，可減少30%的重量。這是車載以太網(wǎng)誕生的最主要原因，同時也是為了滿足車內的EMI電磁干擾。

車載以太網(wǎng)PHY標準分布

圖片來源：Marvell

車載以太網(wǎng)野心勃勃，10Base-T1S是試圖取代傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的。10Base-T1S即IEEE802.3cg也就是OPEN Alliance的TC14，100Base-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000Base-T1 ECU測試標準即OPEN Alliance的TC8，1000Base-T1即IEEE 802.3bp也就是OPEN Alliance的TC12，2.5/5/10GBase-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance的TC15標準。超過10G帶寬的802.3cy標準也在制定中。

TSN工具一覽

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

TSN本身并非是一項全新的技術。IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1588精確時鐘同步協(xié)議。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組，開始制定基于以太網(wǎng)架構的音頻/視頻傳輸協(xié)議集，用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實時性、低延時以及流量整形的標準，同時又確保與以太網(wǎng)的兼容性。AVB引起了汽車行業(yè)、工業(yè)領域的技術組織及企業(yè)的關注。IEEE成立了TSN工作組，進而開發(fā)了時鐘同步、流量調度、網(wǎng)絡配置系列標準集。在這個過程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金會等組織共同積極推進TSN技術的標準。工業(yè)領域的企業(yè)（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）著手為工業(yè)領域的嚴格時間任務制定整形器，成立了整形器工作組，并于2016年9月在維也納召開了第一次整形器工作組會議。而后，有更多的企業(yè)與組織（包括德國工業(yè)4.0組織LNI、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC、中國的邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII等）加入TSN技術的研究，并構建了多個測試床。2019年，IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組，并在日本召開了第一次工作組會議，以便工業(yè)領域的TSN開發(fā)可以實現(xiàn)底層的互操作。同時，在OPC UA基金會也成立了(Field Level Communication,FLC)工作組，將TSN技術與OPC UA規(guī)范融合，以提供適用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的高帶寬、低延時、語義互操作的工業(yè)通信架構。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

與傳統(tǒng)以太網(wǎng)比，TSN最大特色即確定性服務。

TSN信號傳輸流程

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

網(wǎng)絡存在濾波數(shù)據(jù)庫、傳輸端口狀態(tài)監(jiān)測、隊列管理。這些都用于解決網(wǎng)絡資源分配與調度問題。而IEEE 802.1Qat所采用的流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，SRP）機制是一個對TSN進行配置的標準。SRP在于讓網(wǎng)絡中的發(fā)言者（Talker）用合適的網(wǎng)絡資源將數(shù)據(jù)發(fā)送給聽者（Listener）,并在網(wǎng)絡中傳播這些信息。而在終端節(jié)點之間的網(wǎng)橋則維護一個發(fā)言者對一個或多個聽者注冊的相同數(shù)據(jù)流的路徑帶寬等資源的需求記錄。

TSN基本概念

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

通過具體產(chǎn)品來了解一下TSN，與TSN關聯(lián)度最高的是車載以太網(wǎng)交換機，車載以太網(wǎng)交換機廠家可分為兩個梯隊，第一梯隊是美滿電子（Marvell）和博通，都有最高支持802.3ch的產(chǎn)品。博通略強，價格較高，Marvell價格略低。博通產(chǎn)品線太長，Marvell比較聚焦汽車和企業(yè)網(wǎng)絡領域，因此汽車市場Marvell市場占有率更高。第二梯隊包括Microchip、NXP和瑞昱。最高僅支持802.3cg，NXP提供整體解決方案，比較聚焦汽車領域，市場占有率比較高。瑞昱主打高性價比，大眾是其最大客戶。這5家基本上壟斷市場。

目前全球最先進的車載以太網(wǎng)交換機芯片是博通的BCM89586M，不僅支持最高10G的802.3ch，也支持最新的802.3cg。TSN方面支持IEEE 802.1AS 2020、IEEE802.1CB、IEEE 802.1Qbv和IEEE802.1Qci，是目前TSN支持度最高的芯片。IEEE802.1AS 2020和IEEE 802.1Qbv是TSN必備要素，任何車載以太網(wǎng)交換機都必須支持。

?IEEE 802.1AS 2020

所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時鐘，并制定新的標準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version2。其主要原理是通過一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達到精確同步，IEEE?1588PTP時鐘同步技術也可以應用于任何組播網(wǎng)絡中。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

IEEE1588協(xié)議的同步原理，所提出的DelayRequest-Response Mechanism（延時響應機制）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，可進行如下分類：

事件報文(eventmessage)<收發(fā)時候需要記錄精確時間戳>：sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用報文(generalmessage)<收發(fā)時候不需要幾率精確時間戳>：Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Signaling。Pdelay_Req/Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通過peer延遲機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)范加以擴展，它的擴展包括了所有域常用peer延遲服務，支持精細時間測量FTM，對鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時間戳標準化處理以及針對長鏈、環(huán)的支持，更好的響應能力，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）。

IEEE802.1CB

TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標準。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)達到功能安全的最高等級ASIL D級。同樣，與自適應AUTOSAR的捆綁程度也比較高。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

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交換機的多主機fail-operational機制，兩者有相似之處。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

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，如果只接收到一幀數(shù)據(jù)，那么就進入后備模式。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只針對關鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標準的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以縮寫為FRER

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

802.1CB也有簡單的失效原因分析機制。

IEEE 802.1Qbv

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

通過時間感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(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)隊列報文的在預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)所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的、可知的，而在TSN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)報文延時得到保障。TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關”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)絡時間進度表network schedule進行定義。對沒有進入network schedule的隊列流量關閉，這樣就能保障那些對傳輸時間要求嚴格的隊列的帶寬和延遲時間。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網(wǎng)絡信息的干擾，但它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優(yōu)先級非常高時，搶占機制可以被使用。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

在網(wǎng)絡進行配置時隊列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、BestEffort Traffic三種，對于Schedule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通常排在最后。Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計，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。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

對于特別重要的數(shù)據(jù)，TSN規(guī)定了一個搶占機制，它由802.1Qbu/802.3br共同構成。對于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進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，設計了快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道，可以搶占PreemptableMAC的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進行增強型的數(shù)據(jù)轉發(fā)。

802.1Qci

IEEE802.1 Qci全稱Per-StreamFiltering and Policing（以下使用簡稱PSFP），即對每個數(shù)據(jù)流采取過濾和控制策略，以確保輸入流量符合規(guī)范，從而避免由故障或惡意攻擊（如Dos攻擊）引起的異常流量問題。

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)

PSFP由圖中Stream Filters、StreamGates和Flow Meters三個表配合完成：

Stream Filters，即流過濾器表，每個表項表示某個流對應的過濾器，與特定門控（Gate）和流量計（Meter）關聯(lián)；

Stream Gates，即流門控表，每個表項表示對某個流采取的門控措施（如，門控狀態(tài)為關表示禁止對應流量流入）；

Flow Meters，即流量計表，每個表項表示對某個流的流量統(tǒng)計，當該流量超過了限制帶寬則采取限流或阻斷的控制。對于未知來源的流量，PSFP通過設置門控關閉，阻止可疑流量流入；對于已知來源的異常流量，這里的異常表現(xiàn)不限于帶寬（帶寬超出預留帶寬），還包括如：最大服務數(shù)據(jù)單元（SDU）長度超出要求等，PSFP可以選擇阻斷或限流；

TSN標準能夠推廣關鍵在于上游廠家的鼎力支持，任何人想另起爐灶都絕不可能，五大車載以太網(wǎng)交換機廠家是無法繞開的，要想推廣標準，芯片廠家是決定性因素。

審核編輯 ：李倩