車載以太網(wǎng)—TSN篇

TSN技術(shù)是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Network）的英文縮寫，是IEEE 802.1 TSN工作組開發(fā)的一系列數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范的統(tǒng)稱。TSN技術(shù)最初來源于音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用需求，其目的是解決音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯栴}。后來，隨著工業(yè)4.0概念的提出和車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，工業(yè)和汽車對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的需求迅速增長(zhǎng)，TSN技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，并成為傳統(tǒng)以太網(wǎng)在汽車等特定應(yīng)用環(huán)境下的增強(qiáng)功能實(shí)現(xiàn)。

TSN關(guān)鍵組件

由IEEE 802.1制定的TSN標(biāo)準(zhǔn)文檔可以分為三個(gè)基本關(guān)鍵組件。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都可以單獨(dú)使用，并且主要是自給自足的。但是，只有在每個(gè)規(guī)范協(xié)同使用的情況下，TSN作為通信系統(tǒng)才能充分發(fā)揮其潛力。三個(gè)基本組成部分是：時(shí)間同步，調(diào)度和流量整形，通信路徑的選擇、預(yù)留和容錯(cuò)。

時(shí)間同步在這方面，“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”這個(gè)名稱已經(jīng)非常具有描述性。端到端（End-to-End）的傳輸延遲具有難以協(xié)商的時(shí)間界限，因此網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都需要共同的時(shí)間參考，需要彼此同步時(shí)鐘。

TSN網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步可以通過不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從理論上講，可以為每個(gè)終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配備GPS時(shí)鐘。然而，這種方法不僅昂貴，而且無(wú)法保證GPS時(shí)鐘始終接入衛(wèi)星信號(hào)。由于這些限制，TSN網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間通常從一個(gè)中央時(shí)間源直接通過網(wǎng)絡(luò)本身分配，也就是使用IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議完成。除了普遍適用的IEEE 1588規(guī)范之外，IEEE802.1委員會(huì)已經(jīng)指定了一個(gè)IEEE1588的概要文件，稱為IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是將大量不同的IEEE 1588選項(xiàng)縮小到可管理的幾個(gè)關(guān)鍵選項(xiàng)，這些選項(xiàng)適用于汽車或工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中得網(wǎng)絡(luò)。常用的時(shí)鐘同步協(xié)議包括IEEE 1588 Precision Time Protocol（PTP）和Synchronous Ethernet（SyncE）等。

調(diào)度和流量整形由于端口轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的限制，在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)中，實(shí)時(shí)性是難以保證的。調(diào)度和流量整形允許在同一網(wǎng)絡(luò)上共存不同優(yōu)先級(jí)的流量類別，每個(gè)類別對(duì)可用帶寬和端到端延遲都有不同的要求。因此，所有參與實(shí)時(shí)通信的設(shè)備在處理和轉(zhuǎn)發(fā)通信包時(shí)需遵循相同的規(guī)則。

通信路徑的選擇，預(yù)留和容錯(cuò)，所有參與實(shí)時(shí)通信的設(shè)備在選擇通信路徑、預(yù)留帶寬和時(shí)隙方面遵循相同的規(guī)則，可以利用多條路徑來實(shí)現(xiàn)故障排除，支持保護(hù)諸如安全相關(guān)的控制回路或車輛中的自動(dòng)駕駛之類的安全應(yīng)用，以防止硬件或網(wǎng)絡(luò)中的故障。

TSN應(yīng)用領(lǐng)域

TSN Profiles即TSN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的使用規(guī)范，描述如何在特定應(yīng)用下搭建TSN網(wǎng)絡(luò)，并提供配置指導(dǎo)。主要包括以下幾個(gè)領(lǐng)域：

圖源：智芯SEMI

其中協(xié)議名稱前的P表明該協(xié)議規(guī)范還在進(jìn)行中。

TSN主要標(biāo)準(zhǔn)介紹

IEE 802.1AS-rev

確保連接在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，并達(dá)到微秒級(jí)甚至納秒級(jí)的精度誤差。

IEEE 802.1Qat

解決網(wǎng)絡(luò)中音視頻實(shí)時(shí)流量與普通異步數(shù)據(jù)流量之間的競(jìng)爭(zhēng)問題。通過協(xié)商機(jī)制，在音視頻流從源設(shè)備到不同交換機(jī)再到終端設(shè)備的整個(gè)路徑上預(yù)留出所需的帶寬資源，以提供端到端（End-to-End）的服務(wù)質(zhì)量及延遲保障。

IEEE 802.1Qav

確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會(huì)干擾到AVB的實(shí)時(shí)音視頻流。為了避免普通數(shù)據(jù)流量與AVB流量之間對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，AVB交換機(jī)內(nèi)對(duì)時(shí)間敏感的音視頻流和普通數(shù)據(jù)流進(jìn)行了區(qū)別處理，將實(shí)時(shí)幀與異步幀分別進(jìn)行排隊(duì)，并且賦予實(shí)時(shí)幀最高的優(yōu)先級(jí)。

IEEE 802.1Qbv

通過Time Aware Shaper為優(yōu)先級(jí)較高的時(shí)間敏感型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配特定的時(shí)間槽，并且在規(guī)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都必須優(yōu)先確保重要數(shù)據(jù)幀的通過。

IEEE 802.1Qbu

可以中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以允許高優(yōu)先級(jí)幀的傳輸，同時(shí)不丟棄之前傳輸被中斷的消息。

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(gè)核心組件，分別是時(shí)間同步、低延遲、超高可靠性和特定資源管理。

TSN是由一系列相互獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)組成的，就像一個(gè)工具箱，需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)自身需求和協(xié)議特點(diǎn)靈活選擇。

各標(biāo)準(zhǔn)既有獨(dú)立性，又彼此關(guān)聯(lián)，只有對(duì)各協(xié)議的基本原理深入理解，才可以最大限度地挖掘其功能和性能潛力。