本文将深入探讨汽车应用环境下以太网 AVB/TSN 的基本原理
Microchip Technology Inc.
AIS 产品营销经理
Francis Ielsch
跨桥接网络实现面向数据分组的通信已成为一项全球标准。如今，它广泛应用于各种不同 规模和复杂性各异的系统中，例如服务器和飞机、小型遥控设备、远程传感器以及许多物联网 （IoT）应用。
由于以太网与物理层分离，所以可通过不同的物理介质对以太网帧或 IP 数据包进行透明 传输。因此，通过不同网络类型进行连接的设备彼此之间可以无缝通信。例如，使用蜂窝连接 的手机和使用 INICnet™（ISO21806）网络的车载控制单元（通过汽车远程信息处理单元或网 关）进行通信。IP 数据包可从发送方路由到接收方。
如此看来暂且还好，但是在传输时间、延迟时间、抖抖动和丢包方面，情况如何呢？遗憾的 是，原始以太网存在不确定性，也就是说，它无法控制允许设备发送数据的时间和数据量，也 无法控制数据包的传输路径。两个设备之间的传输时间总是变化，并且在网络拥塞时可能会发 生丢包情况。对于必须确保低延迟和信息传递的关键型应用，这样的特性是不匹配的。
专有的总线和网络技术具有低延迟和确定性，但只能成为一种有限的解决方案。所有市场 都趋向于不依赖任何特定制造商的标准化开放技术。此外，标准技术既不需要特殊的专业知识， 也无需复杂且昂贵的网关。
因此，业界社区多年来一直在研究以太网的弱点。随着时间的推移，市场上出现了各种用 来改善以太网实时特性的解决方案，其中包括 AVB/TSN。
IEEE 工作组于 2008 年开始制定音视频桥接（AVB）技术。当时的目标是为了改善通过以 太网进行时间关键型音频和视频数据传输的特性。术语 AVB 不仅包含 IEEE 802.1BA 标准， 还包含以下标准：
• IEEE 802.1AS：时间同步
• IEEE 802.1Qav：调节交换机中帧的传输和中间缓冲
• IEEE 802.1Qat：音频流和视频流的动态带宽分配
• IEEE 1722：传输协议
• IEEE 1722.1：支持 AVB 的网络和设备的动态配置
该标准于 2011 年完成定稿并发布，最初用于各种多媒体应用，后来用于工业领域，专门 用来传输时间关键型命令或传感器数据。随着 AVB 技术在非多媒体领域的应用逐渐引起更多 关注，IEEE 成立了一个名为“时间敏感网络”（TSN）的新工作组。TSN 工作组采用了 AVB 工作组的标准，并在专业音频视频、工业、汽车和航空航天等领域解决了更广泛的应用问题。
在汽车领域，至今仍在沿用最初的 AVB 标准，但在某些情况下已开始使用 TSN 工作组的 修订版。本文主要讨论 AVB 标准，此标准可视为等同于 TSN 标准。
图 1：AVB 系统通常可实现这些要素的不同子集
使用 gPTP 进行时间同步
通用精密时间协议（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持 AVB 的系统的共同基础。其用
途类似于计算机领域中广为人知的网络时间协议（NTP）。NTP 确保计算机时钟在本地网络中
与参考时间同步，在最佳应用条件下可达到毫秒级精度。该精度可以完全满足计算机和服务器
的需求，但对于同步或时间关键型应用来说则太不精确。
图 2：gPTP 基准与 gPTP 客户端之间的交互
gPTP 可确保以太网设备中具有更加精确的时基，通常可达微秒级 甚至纳秒级。实质上，gPTP 包括两种机制：基准时间分发和传输 时间计算。
时间从一个或多个时间基准节点（根据 IEEE 标准为“gPTP 主 机”）分发到一个或多个客户端（根据 IEEE 标准为“gPTP 从 机”）。类似于 IEEE 1588 的两步过程，gPTP 总是连续发送两 个帧：“Sync”和“Sync Follow-Up”。客户端使用其中包含的 时间戳将其本地时钟重置为基准时间，从而确保网络中的所有设 备都使用完全相同的时基。
但是，只有将整个网络所需的传输时间也考虑在内，才能确保很 准确的时基。要实现这一点，应在直接相邻的节点之间始终成对 执行对等延迟测量。这样，每个节点所测传输时间的总和会产生 对等延迟值，继而可根据该值校正 gPTP 时间。
传输协议
IEEE 1722－AVTP
音视频传输协议是通过以太网 AVB 技术传输音频/视频数据以及时间关键型数据的标准传输协 议。它是一种用于通过 MAC 地址访问设备的轻量级 ISO/OSI Layer2 协议。因此，这种方式无 需集成全部的 IP 协议栈，有助于最大限度地减小项目和设计的规模、成本和复杂性。 IEEE 1733－RTP/RTCP RTP 和 RTCP（IETF RFC 3550）均为基于 IP 的网络协议，适用于通过以太网传输音频和视 频数据。这些协议多年来已广泛用于各种工业级和消费类设备，包括视频监控摄像头和对讲设 备。IEEE 1733 是 RTP/RTCP 的改编版本，适用于通过 AVB 进行同步传输，因此可作为基于 IP 的解决方案替代 IEEE 1722。
流量整形
以太网网络通常由大量端点（计算机和电子设备）和网桥（交换机和网关等）组成。无论选择 哪种传输协议，数据都会封装成以太网帧，然后从发送方通过多个网桥（跃点）路由到接收方。 帧的传输方式和传输时间存在不确定性。传输路径上的网桥将以较快或较慢的速度进行帧转发 （存储转发和直通转发）。在网络拥塞的情况下，这些帧有时需要缓冲一段时间，在最糟情况 下甚至可能会丢失。
工业和汽车系统应具有较低的确定性延迟，并且最重要的一点，必须确保无丢帧风险的可靠传 输。流量整形（“IEEE 802.1Q－服务质量”部分）可解决此需求。流量整形定义了网桥根据 帧的优先级对帧进行处理的策略。流量整形有几种标准，例如：
• IEEE 802.1Qav：时间敏感流的转发和排队增强功能（FQTSS），有时称为“基于信 用值的整形器”（CBS）。
• IEEE 802.1Qbv：调度流量的增强功能，通常称为“时间感知整形器”（TAS）
• IEEE 802.1Qch：循环排队和转发
• IEEE 802.1Qcr：异步流量整形
汽车行业主要使用 CBS 和 TAS。
CBS－基于信用值的整形器（802.1Qav）
使用基于信用值的整形器时，每个以太网设备都会获得一个用于发送帧的信用值。只要信用值 仍为正数，设备就可以继续发送帧。当信用值用完后，设备将无法再发送帧。必须等到补充信 用值后才能再次开始发送。
该策略可确保带宽的有效利用。其中没有预定义的时隙。如果端点需要间歇性地发送数据，则 可以累积其信用值，然后一次全部用完。使用 CBS 配置 AVB 网络比较简单。
TAS－时间感知整形器（802.1Qbv）
与 Qav 不同，IEEE 802.1Qbv 策略依赖于时隙模型。该策略并非基于要发送的数据量，而是 侧重于传输的频率。节点不能再进行任意时长的发送，但允许进行很规律地传输。这意味着可 以实现更低且更具确定性的延迟。
而 Qbv 的缺点是，无法确保网络带宽始终得到有效利用。如果端点不使用其时隙，将会丢失 这些时隙以及带宽。但这种影响可通过使用帧抢占模式进行抵销（IEEE 802.1Qbu）。
与 AVNU 的互操作性
系统架构师可以通过各种可用的组件来实现 AVB。可以根据系统要求实现不同的 AVB 子集。 虽然这有助于最大限度地减少硬件组件（仅实现实际所需的组件），但也可能会导致一些互操 作性问题，因为不同供应商提供的设备不一定支持完全相同的 AVB 功能。而且，工程师有时 会以不同的方式来解释 IEEE 标准，从而使情况变得更加复杂。
为了确保供应商之间实现互操作性，AVNU 联盟为汽车领域制定了“以太网 AVB 功能和互操 作性规范”，其中定义了每个设备中应实现的 AVB 子集和相关参数的基准。对于支持 AVB 的 设备，可以经由外部测试机构或使用内部专用测试设备测试其 AVNU 兼容性。
实际实现
图 3：典型的以太网 AVB 评估系统
在实际应用中，支持 AVB 的网络包括多个组件：交换机、PHY 和端点。所有交换机和端 点都必须支持 AVB 才能实现所需的性能。
得益于 IEEE 标准、AVNU 和 OpenAlliance（注：检查 R/TM 标记）规范，不同供应商提 供的组件（如 PHY 和交换机）如今可实现高水平的互操作性。
但是，在端点中实现 AVB 仍然是一项复杂而繁琐的任务。这些系统通常基于 SoC 或高端 单片机而开发，其中需要集成许多软件：实时操作系统、Autosar 架构以及 AVB 协议栈，这些 软件通常需要从第三方获得相应的授权。AVB 端点（比如 Microchip 的 LAN9360）是一个令 人关注的替代方案。这些端点由一种集成 AVB 协议的智能以太网控制器组成。因此，AVB 可 以直接部署为基于硬件的解决方案，而无需进行软件开发。
结论
自 IEEE 的 AVB 工作组成立以来，AVB/TSN 技术现在已达到很高的成熟度水平。“AVB 汽车”已经上路，越来越多的原始设备制造商开始参与其中。得益于其开放式的标准化技术， 许多具有互操作性的硬件和软件已作为优化的 COTS 产品供人们使用。在过去，“全以太网 汽车”愿景曾备受质疑，而如今它不再是遥不可及的空想。
