1.前言

如今以太網(wǎng)已成為所有車內(nèi)通信的主干網(wǎng)，標準以太網(wǎng)作為一種基于Best Effort的通信協(xié)議，無法應對新一代汽車發(fā)展的一些需求，比如：

1. 時間敏感型流量和應用；

2. 在共享網(wǎng)絡上的不同服務質(zhì)量要求(Qualities of Service QoS)；

3. 可靠性和延遲要求。

時間敏感網(wǎng)絡(TSN)是標準以太網(wǎng)在汽車等特定應用環(huán)境下的增強功能實現(xiàn)。時間敏感網(wǎng)絡(TSN)有可能通過建立通用標準打開實時以太網(wǎng)市場，把以太網(wǎng)發(fā)展成為一個強大可靠的通信框架，從而滿足時間敏感型應用的特定需求。

本文將對AURIX? TC4x GETH對時間敏感網(wǎng)絡標準的概述，讓讀者了解AURIX? TC4x控制器是如何能滿足對時間敏感網(wǎng)絡(TSN)的各方面需求。

2.時間敏感網(wǎng)絡概覽

2.1 什么是時間敏感網(wǎng)絡？

時間敏感網(wǎng)絡是IEEE 802.1定義的標準技術(shù)，用于在標準以太網(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)變到時間敏感網(wǎng)絡(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)標準來改進同步和提供低延遲功能。

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

圖1 AVB與TSN支持的標準協(xié)議比較圖

3.AURIX? TC4x 支持的時間敏感網(wǎng)絡功能

英飛凌的AURIX? TC4x支持定時同步和CBS這些時間敏感網(wǎng)絡最重要的功能，因此AURIX? TC4x能成為車廠對TSN需求的完美選擇。詳細的AURIX? TC4D 以太網(wǎng)模塊所支持的標準如下表格：

圖2 AURIX? TC4Dx以太網(wǎng)模塊所支持的協(xié)議

以下會簡要概述這些標準。

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

當網(wǎng)絡使用是用于實時通信，對端到端傳輸延遲和應用延遲有嚴格的要求時，時間同步是必須的要求。該網(wǎng)絡中所有的設備都需要有一個共同的時間基準，并同步時鐘。

Grandmaster (GM)是網(wǎng)絡的時鐘源，定期發(fā)送當前時間。GM可采用BMCA(Best Master Clock Algorithm)來動態(tài)選擇最佳主時鐘，它是IEEE 1588精準時間同步協(xié)議(PTP)的核心技術(shù)之一。通過運行BMCA算法，系統(tǒng)能夠選擇網(wǎng)絡中的主時鐘，其他時鐘則以這個主時鐘作為參考進行同步，從而確保整個網(wǎng)絡的時鐘同步。在TSN(Time-Sensitive Networking)網(wǎng)絡中，BMCA算法用于選擇網(wǎng)絡中唯一的主時鐘(Grandmaster)節(jié)點，作為時鐘同步生成樹的根節(jié)點。其他節(jié)點擁有一個或多個主端口用于發(fā)送時鐘同步信息，同時具有一個從端口用于接收時鐘同步信息?。在汽車行業(yè)中，大多數(shù)采用靜態(tài)方式選擇時鐘。

時間同步基于兩個核心機制：

1. 利用點對點延遲機制測量鏈路傳播延遲；

2. 同步信息的分發(fā)。

要計算鏈路傳播延遲MAC/PHY，需要準確的本地出口和入口時間戳(Timestamps)，如下圖所示中利用點對點延遲機制從時間戳中計算出，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計算原理

在同步信息的分發(fā)方面，分配機制基于sync報文和follow up報文的傳輸，每個時間都讓系統(tǒng)能與主時鐘同步。如下圖所示最后的接收端收到follow up報文，其中包括一個時間戳t0，校正字段，這些都會用于計算。

1. 累計相鄰頻率偏移量，獲得相對于主控器的頻率偏移量。

2. 累計路徑上的所有延遲，計算相對于主控器的時鐘偏移量。

圖4 時間同步分發(fā)的基本流程

3.2 IEEE 802.1Qav：Credit Based Shaper

IEEE 802.1Qav是一種流量調(diào)整機制，可減少接收網(wǎng)橋和終端的緩沖。它使用CBS(Credit Based Shaper)來避免相同流量優(yōu)先級的報文突發(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)整機制呢? 這是可以把每個隊列想象成一個信用卡用戶，這個信用卡用戶和我們生活中使用的信用卡有一個不同之處是: 這個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，這個信用卡其實不僅有信用卡的功能，還有儲蓄的功能。

當一個隊列的在傳輸?shù)臅r候，需要這樣使用這個信用卡:

1. 當隊列開始準備傳輸一個 Ethernet Frame 時，需要首先判斷，信用卡里的錢是否大于0，如果大于0，才會被允許傳輸。

2. 在傳輸?shù)倪@段時間里，會以某一速度，不斷地消耗信用卡里的錢。

3. 在傳輸這個 Ethernet Frame 的過程中，如果信用值變?yōu)?，當前傳輸?shù)?Ethernet Frame 并不會停止傳輸，此時信用卡的值變?yōu)樨?，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。

當一個隊列在空閑的時候，需要這樣使用這個信用卡:

1. 當隊列停止傳輸任何 Ethernet Frame 時，會以某一速度，不斷向信用卡里還款/存錢。信用卡的欠款會被逐漸還請，當還清后，如果隊列仍是空閑狀態(tài)，會繼續(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。

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

在MCU中：這個信用卡被稱為 credit counter。信用卡里的錢 (其值可以為正也可以為負，值為負時表示處于欠錢狀態(tài)) 稱為 credit。傳輸時消耗信用卡里的錢的速度，被稱為 sendSlope。空閑時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)整機制原理

圖片來源：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時間感知調(diào)整(Time Aware Shapter TAS)允許在時間觸發(fā)窗口中調(diào)度時間關鍵幀和優(yōu)先級較低幀的傳輸，這有助于保證時間關鍵幀的有限延遲的確定性。

在TAS中、時間被分為周期(Cycle)，周期被分為時段(Time Slot)。每個時隙可分配八個以太網(wǎng)優(yōu)先級中的一個或多個，時間感知調(diào)整根據(jù)時間計劃，通過打開和關閉屬于不同隊列的閘門來傳輸不同的數(shù)據(jù)流。為了保證低延遲，網(wǎng)絡橋接器之間需要協(xié)調(diào)時間，這也意味著，時間感知調(diào)整要求整個網(wǎng)絡的時鐘同步。

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

圖6 時間感知調(diào)整的實例

在汽車應用中，使用信用的調(diào)整機制相對于時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標準中規(guī)定的一項功能，它為出口端口定義了兩種MAC，即可搶占MAC(pMAC)和快速MAC(eMAC)，快速幀可中斷可搶占幀的傳輸，避免低優(yōu)先級幀阻塞高優(yōu)先級幀的傳輸。

幀搶占的作用如下，可搶占式幀(Preemptable frame)可被分成兩個或多個片段。在接收端，這些片段會再次組裝，以重新創(chuàng)建原始網(wǎng)絡信息。當快速幀(Express frame)到達，而可搶占幀已在傳輸過程中時，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并直到完成。

圖7 搶占幀(Frame Preemption)協(xié)議原理圖

圖片來源：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)絡故障影響或惡意攻擊對網(wǎng)絡造成的干擾，802.1Qci將故障隔離到網(wǎng)絡中的特定區(qū)域。802.1Qci又稱之為Ingress Policing，工作于交換機的入口，它對每個流量都進行過濾和管理，簡稱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(計量)ID、計數(shù)器。Qci通過各種約束來監(jiān)管每個流的輸入，以防止出站隊列被非法幀淹沒。Qci專門對付DDoS這樣的網(wǎng)絡攻擊，假如一個數(shù)據(jù)流流量突然增大，有可能擠壓另一個數(shù)據(jù)流的帶寬時，入口管理政策會將數(shù)據(jù)流整形，強制回到數(shù)據(jù)流爆發(fā)前的狀態(tài)。

PSFP由三個組成:

1. 流過濾器：通過AURIX? TC4x GETH MAC中的FFP(Flexible Frame Parser)實現(xiàn)，標識數(shù)據(jù)流ID并映射到8個網(wǎng)關ID之一；僅支持8個網(wǎng)關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：通過AURIX? TC4x GETH MAC中的PC(Police Counter)實現(xiàn)，通過幀解析指令中的PCV/PCN文件選擇PC，保護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可靠性幀復制和消除(FRER)通過多個不相連的路徑發(fā)送每個幀的副本，它可為不能容忍數(shù)據(jù)包丟失的控制應用程序提供主動無縫冗余。復制幀在2個（或更多）不相交的路徑上發(fā)送幀，然后在相交點合并并刪除多余的幀。每個復制幀都有一個序列標識號，用于重新排序和合并幀，并丟棄重復的幀。這樣可以避免因設備原因造成幀丟失，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)到目標接收器上, 支援FR的應用需求。

4.TSN的開發(fā)

TSN網(wǎng)絡設計。包括：

1. 基于標準、需求規(guī)范、應用場景分析，依據(jù)數(shù)據(jù)流分析的結(jié)果和車型網(wǎng)絡拓撲，選擇網(wǎng)絡協(xié)議，設計各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)絡業(yè)務場景，設計TSN參數(shù)并進行仿真測試，主要參數(shù)包括：MAC/VLAN、靜態(tài)流預留配置參數(shù)、時鐘同步參數(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原型驗證平臺搭建。TSN零部件和系統(tǒng)測試。對網(wǎng)絡性能進行仿真分析，定量評估網(wǎng)絡設計參數(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)理念和個性化的應用場景出現(xiàn)。新一代AURIX? TC4x控制器就是在這樣的背景下的產(chǎn)物，它能夠幫助這些應用場景快速落地，幫助客戶實現(xiàn)其優(yōu)質(zhì)的解決方案。車載以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡是現(xiàn)今車輛通信的主干網(wǎng)絡，基于TSN的電子電氣架構(gòu)的汽車架構(gòu)也會成為主流，主控芯片能否支持時間敏感型應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)展進程。