1.前言

如今以太網(wǎng)已成為所有車內(nèi)通信的主干網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)作為一種基于Best Effort的通信協(xié)議，無(wú)法應(yīng)對(duì)新一代汽車發(fā)展的一些需求，比如：

1. 時(shí)間敏感型流量和應(yīng)用；

2. 在共享網(wǎng)絡(luò)上的不同服務(wù)質(zhì)量要求(Qualities of Service QoS)；

3. 可靠性和延遲要求。

   
   

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)是標(biāo)準(zhǔn)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)。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)有可能通過建立通用標(biāo)準(zhǔn)打開實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場(chǎng)，把以太網(wǎng)發(fā)展成為一個(gè)強(qiáng)大可靠的通信框架，從而滿足時(shí)間敏感型應(yīng)用的特定需求。

本文將對(duì)AURIX? TC4x GETH對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的概述，讓讀者了解AURIX? TC4x控制器是如何能滿足對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的各方面需求。

2.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)概覽

2.1 什么是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)？

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是IEEE 802.1定義的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用于在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上提供確定性信息傳送。它增加了在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中保證確定性和吞吐量的定義，以提供有界延遲和零擁塞損失。

2.2 從音視頻橋接(AVB)變到時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)

IEEE 802.1音視頻橋接(AVB)工作組始于2005年，它們定義了一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)改進(jìn)同步和提供低延遲功能。

IEEE 802.1時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)(TSN)工作組于2012年由原來(lái)的音視頻橋接(AVB)工作更名而來(lái)，并繼續(xù)開展工作，同時(shí)也是AVB的擴(kuò)展。它解決了極低傳輸延遲和高可用性的傳輸問題，應(yīng)用范圍廣泛如汽車、工業(yè)控制設(shè)施、5G、航空航天、服務(wù)提供商等。

圖1 AVB與TSN支持的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議比較圖

3.AURIX? TC4x 支持的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)功能

英飛凌的AURIX? TC4x支持定時(shí)同步和CBS這些時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)最重要的功能，因此AURIX? TC4x能成為車廠對(duì)TSN需求的完美選擇。詳細(xì)的AURIX? TC4D 以太網(wǎng)模塊所支持的標(biāo)準(zhǔn)如下表格：

圖2 AURIX? TC4Dx以太網(wǎng)模塊所支持的協(xié)議

以下會(huì)簡(jiǎn)要概述這些標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 IEEE 802.1AS/AS-2020：Timing and Synchronization

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)使用是用于實(shí)時(shí)通信，對(duì)端到端傳輸延遲和應(yīng)用延遲有嚴(yán)格的要求時(shí)，時(shí)間同步是必須的要求。該網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備都需要有一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)，并同步時(shí)鐘。

Grandmaster (GM)是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘源，定期發(fā)送當(dāng)前時(shí)間。GM可采用BMCA(Best Master Clock Algorithm)來(lái)動(dòng)態(tài)選擇最佳主時(shí)鐘，它是IEEE 1588精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議(PTP)的核心技術(shù)之一。通過運(yùn)行BMCA算法，系統(tǒng)能夠選擇網(wǎng)絡(luò)中的主時(shí)鐘，其他時(shí)鐘則以這個(gè)主時(shí)鐘作為參考進(jìn)行同步，從而確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。在TSN(Time-Sensitive Networking)網(wǎng)絡(luò)中，BMCA算法用于選擇網(wǎng)絡(luò)中唯一的主時(shí)鐘(Grandmaster)節(jié)點(diǎn)，作為時(shí)鐘同步生成樹的根節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)或多個(gè)主端口用于發(fā)送時(shí)鐘同步信息，同時(shí)具有一個(gè)從端口用于接收時(shí)鐘同步信息?。在汽車行業(yè)中，大多數(shù)采用靜態(tài)方式選擇時(shí)鐘。

時(shí)間同步基于兩個(gè)核心機(jī)制：

1. 利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延遲機(jī)制測(cè)量鏈路傳播延遲；

2. 同步信息的分發(fā)。

   
   

要計(jì)算鏈路傳播延遲MAC/PHY，需要準(zhǔn)確的本地出口和入口時(shí)間戳(Timestamps)，如下圖所示中利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延遲機(jī)制從時(shí)間戳中計(jì)算出，鏈路傳播延遲(Mean Link delay)和與鏈路伙伴的頻率偏移量(neighborRateRatio)。

圖3 Link delay和neighbor Rate Ratio計(jì)算原理

在同步信息的分發(fā)方面，分配機(jī)制基于sync報(bào)文和follow up報(bào)文的傳輸，每個(gè)時(shí)間都讓系統(tǒng)能與主時(shí)鐘同步。如下圖所示最后的接收端收到follow up報(bào)文，其中包括一個(gè)時(shí)間戳t0，校正字段，這些都會(huì)用于計(jì)算。

1. 累計(jì)相鄰頻率偏移量，獲得相對(duì)于主控器的頻率偏移量。

2. 累計(jì)路徑上的所有延遲，計(jì)算相對(duì)于主控器的時(shí)鐘偏移量。

   
   

圖4 時(shí)間同步分發(fā)的基本流程

3.2 IEEE 802.1Qav：Credit Based Shaper

IEEE 802.1Qav是一種流量調(diào)整機(jī)制，可減少接收網(wǎng)橋和終端的緩沖。它使用CBS(Credit Based Shaper)來(lái)避免相同流量?jī)?yōu)先級(jí)的報(bào)文突發(fā)。它可以調(diào)整流量、防止擁塞、和確保所有用戶都能獲得最佳性能。

那么什么是基于'信用值'的調(diào)整機(jī)制呢? 這是可以把每個(gè)隊(duì)列想象成一個(gè)信用卡用戶，這個(gè)信用卡用戶和我們生活中使用的信用卡有一個(gè)不同之處是: 這個(gè)信用卡在把錢還清之后，還可以向里面存入一定數(shù)額的錢，也就是說，這個(gè)信用卡其實(shí)不僅有信用卡的功能，還有儲(chǔ)蓄的功能。

當(dāng)一個(gè)隊(duì)列的在傳輸?shù)臅r(shí)候，需要這樣使用這個(gè)信用卡:

1. 當(dāng)隊(duì)列開始準(zhǔn)備傳輸一個(gè) Ethernet Frame 時(shí)，需要首先判斷，信用卡里的錢是否大于0，如果大于0，才會(huì)被允許傳輸。

2. 在傳輸?shù)倪@段時(shí)間里，會(huì)以某一速度，不斷地消耗信用卡里的錢。

3. 在傳輸這個(gè) Ethernet Frame 的過程中，如果信用值變?yōu)?，當(dāng)前傳輸?shù)?Ethernet Frame 并不會(huì)停止傳輸，此時(shí)信用卡的值變?yōu)樨?fù)，開始欠信用卡的錢。

4. 信用卡有下限的額度，規(guī)定最多可以欠多少錢。

當(dāng)一個(gè)隊(duì)列在空閑的時(shí)候，需要這樣使用這個(gè)信用卡:

1. 當(dāng)隊(duì)列停止傳輸任何 Ethernet Frame 時(shí)，會(huì)以某一速度，不斷向信用卡里還款/存錢。信用卡的欠款會(huì)被逐漸還請(qǐng)，當(dāng)還清后，如果隊(duì)列仍是空閑狀態(tài)，會(huì)繼續(xù)在里面存錢。

2. 信用卡有上限額度，規(guī)定最多能存多少錢。

通過這樣的機(jī)制，就可以控制每個(gè)隊(duì)列的傳輸，如果想讓某一個(gè)隊(duì)列多傳輸一些，那么就可以調(diào)整它在傳輸時(shí)消耗信用卡里錢的速度，并提高它在空閑時(shí)向信用卡還錢/存錢的速度。

在MCU中：這個(gè)信用卡被稱為 credit counter。信用卡里的錢 (其值可以為正也可以為負(fù)，值為負(fù)時(shí)表示處于欠錢狀態(tài)) 稱為 credit。傳輸時(shí)消耗信用卡里的錢的速度，被稱為 sendSlope?？臻e時(shí)向信用卡里存錢的速度，被稱為 idleSlope。信用卡的存錢上限，被稱為 hiCredit。信用卡里的允許欠錢的下限，被稱為 loCredit。這些都需要在寄存器中配置。

圖5 CBS調(diào)整機(jī)制原理

圖片來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking

3.3 IEEE 802.1Qbv: Time Aware Shaper

除了基于信用的調(diào)整外，IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知調(diào)整(Time Aware Shapter TAS)允許在時(shí)間觸發(fā)窗口中調(diào)度時(shí)間關(guān)鍵幀和優(yōu)先級(jí)較低幀的傳輸，這有助于保證時(shí)間關(guān)鍵幀的有限延遲的確定性。

在TAS中、時(shí)間被分為周期(Cycle)，周期被分為時(shí)段(Time Slot)。每個(gè)時(shí)隙可分配八個(gè)以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)，時(shí)間感知調(diào)整根據(jù)時(shí)間計(jì)劃，通過打開和關(guān)閉屬于不同隊(duì)列的閘門來(lái)傳輸不同的數(shù)據(jù)流。為了保證低延遲，網(wǎng)絡(luò)橋接器之間需要協(xié)調(diào)時(shí)間，這也意味著，時(shí)間感知調(diào)整要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。

每個(gè)隊(duì)列的閘門可由閘門控制列表控制(GCL)，GCL可配置每個(gè)時(shí)段的時(shí)間間隔和每個(gè)隊(duì)列的門控制器。如下圖所示：在T00時(shí)到達(dá)TC（7,5-0）的幀將延遲，直到其閘門在其他時(shí)段打開；在T01時(shí)TC 6幀將延遲，直到其下一次閘門開放。

圖6 時(shí)間感知調(diào)整的實(shí)例

在汽車應(yīng)用中，使用信用的調(diào)整機(jī)制相對(duì)于時(shí)間感知整形更為普及。

3.4 IEEE 802.1Qbu：Frame Preemption

以太網(wǎng)幀搶占是IEEE 802.1Qbu標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一項(xiàng)功能，它為出口端口定義了兩種MAC，即可搶占MAC(pMAC)和快速M(fèi)AC(eMAC)，快速幀可中斷可搶占幀的傳輸，避免低優(yōu)先級(jí)幀阻塞高優(yōu)先級(jí)幀的傳輸。

幀搶占的作用如下，可搶占式幀(Preemptable frame)可被分成兩個(gè)或多個(gè)片段。在接收端，這些片段會(huì)再次組裝，以重新創(chuàng)建原始網(wǎng)絡(luò)信息。當(dāng)快速幀(Express frame)到達(dá)，而可搶占幀已在傳輸過程中時(shí)，并開始傳輸特快幀。一旦快速幀傳輸完畢，可搶先幀傳輸即恢復(fù)并直到完成。

圖7 搶占幀(Frame Preemption)協(xié)議原理圖

圖片來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking#Enhancements_to_AVB_scheduling

3.5 IEEE 802.1Qci：Per-Stream Filtering and Policing

為了防止網(wǎng)絡(luò)故障影響或惡意攻擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的干擾，802.1Qci將故障隔離到網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域。802.1Qci又稱之為Ingress Policing，工作于交換機(jī)的入口，它對(duì)每個(gè)流量都進(jìn)行過濾和管理，簡(jiǎn)稱PSFR。

數(shù)據(jù)流濾波器包括數(shù)據(jù)ID、優(yōu)先權(quán)、濾波值、Meter(計(jì)量)ID、計(jì)數(shù)器。Qci通過各種約束來(lái)監(jiān)管每個(gè)流的輸入，以防止出站隊(duì)列被非法幀淹沒。Qci專門對(duì)付DDoS這樣的網(wǎng)絡(luò)攻擊，假如一個(gè)數(shù)據(jù)流流量突然增大，有可能擠壓另一個(gè)數(shù)據(jù)流的帶寬時(shí)，入口管理政策會(huì)將數(shù)據(jù)流整形，強(qiáng)制回到數(shù)據(jù)流爆發(fā)前的狀態(tài)。

PSFP由三個(gè)組成:

1. 流過濾器：通過AURIX? TC4x GETH MAC中的FFP(Flexible Frame Parser)實(shí)現(xiàn)，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)流ID并映射到8個(gè)網(wǎng)關(guān)ID之一；僅支持8個(gè)網(wǎng)關(guān)ID。

2. 流閘門：在AURIX? TC4x GETH MAC的GCL(Gate Control List)中定義，閘門控制清單中定義的流閘門控制條目。

3. 流量計(jì)：通過AURIX? TC4x GETH MAC中的PC(Police Counter)實(shí)現(xiàn)，通過幀解析指令中的PCV/PCN文件選擇PC，保護(hù)TSN不受攻擊等流量異?；蚪K端站或其他網(wǎng)橋故障的影響。

圖8 PSFP協(xié)議結(jié)構(gòu)框圖

3.6 IEEE 802.1CB：Frame Replication and Elimination

IEEE 802.1CB可靠性幀復(fù)制和消除(FRER)通過多個(gè)不相連的路徑發(fā)送每個(gè)幀的副本，它可為不能容忍數(shù)據(jù)包丟失的控制應(yīng)用程序提供主動(dòng)無(wú)縫冗余。復(fù)制幀在2個(gè)（或更多）不相交的路徑上發(fā)送幀，然后在相交點(diǎn)合并并刪除多余的幀。每個(gè)復(fù)制幀都有一個(gè)序列標(biāo)識(shí)號(hào)，用于重新排序和合并幀，并丟棄重復(fù)的幀。這樣可以避免因設(shè)備原因造成幀丟失，它可以是每幀1+1（或1+n）冗余。

圖9 FRER的基本原理圖

AURIX? TC4x GETH通過硬件網(wǎng)橋支持MAC到MAC的幀轉(zhuǎn)發(fā)，可用于將幀轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器上, 支援FR的應(yīng)用需求。

4.TSN的開發(fā)

TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。包括：

1. 基于標(biāo)準(zhǔn)、需求規(guī)范、應(yīng)用場(chǎng)景分析，依據(jù)數(shù)據(jù)流分析的結(jié)果和車型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>，選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，設(shè)計(jì)各TSN協(xié)議配置參數(shù)，輸出TSN系統(tǒng)配置文檔。

2. 結(jié)合車載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)TSN參數(shù)并進(jìn)行仿真測(cè)試，主要參數(shù)包括：MAC/VLAN、靜態(tài)流預(yù)留配置參數(shù)、時(shí)鐘同步參數(shù)、CBS整形參數(shù)、TAS整形參數(shù)、流量監(jiān)管參數(shù)、數(shù)據(jù)流傳輸協(xié)議參數(shù)，等等。

   
   

TSN開發(fā)包括TSN協(xié)議棧的開發(fā)、配置和部署，TSN原型驗(yàn)證平臺(tái)搭建。TSN零部件和系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析，定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)。

5.總結(jié)

汽車功能的智能化、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化催生了新時(shí)代車載電子電氣架構(gòu)的變革，大量的具有創(chuàng)造力的技術(shù)理念和個(gè)性化的應(yīng)用場(chǎng)景出現(xiàn)。新一代AURIX? TC4x控制器就是在這樣的背景下的產(chǎn)物，它能夠幫助這些應(yīng)用場(chǎng)景快速落地，幫助客戶實(shí)現(xiàn)其優(yōu)質(zhì)的解決方案。車載以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)今車輛通信的主干網(wǎng)絡(luò)，基于TSN的電子電氣架構(gòu)的汽車架構(gòu)也會(huì)成為主流，主控芯片能否支持時(shí)間敏感型應(yīng)用的特定需求是十分重要，新一代AURIX? TC4x控制器所具備的功能恰好能助力汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程。