本文將深入探討汽車應用環境下以太網AVB/TSN的基本原理
Microchip Technology Inc.
AIS產品營銷經理
Francis Ielsch
跨橋接網絡實現面向數據分組的通信已成為一項全球標準。如今，它廣泛應用于各種不同規模和復雜性各異的系統中，例如服務器和飛機、小型遙控設備、遠程傳感器以及許多物聯網（IoT）應用。
由于以太網與物理層分離，所以可通過不同的物理介質對以太網幀或IP數據包進行透明傳輸。因此，通過不同網絡類型進行連接的設備彼此之間可以無縫通信。例如，使用蜂窩連接的手機和使用INICnet?（ISO21806）網絡的車載控制單元（通過汽車遠程信息處理單元或網關）進行通信。IP數據包可從發送方路由到接收方。
如此看來暫且還好，但是在傳輸時間、延遲時間、抖動和丟包方面，情況如何呢？遺憾的是，原始以太網存在不確定性，也就是說，它無法控制允許設備發送數據的時間和數據量，也無法控制數據包的傳輸路徑。兩個設備之間的傳輸時間總是變化，并且在網絡擁塞時可能會發生丟包情況。對于必須確保低延遲和信息傳遞的關鍵型應用，這樣的特性是不匹配的。
專有的總線和網絡技術具有低延遲和確定性，但只能成為一種有限的解決方案。所有市場都趨向于不依賴任何特定制造商的標準化開放技術。此外，標準技術既不需要特殊的專業知識，也無需復雜且昂貴的網關。
因此，業界社區多年來一直在研究以太網的弱點。隨著時間的推移，市場上出現了各種用來改善以太網實時特性的解決方案，其中包括AVB/TSN。
IEEE工作組于2008年開始制定音視頻橋接（AVB）技術。當時的目標是為了改善通過以太網進行時間關鍵型音頻和視頻數據傳輸的特性。術語AVB不僅包含IEEE 802.1BA標準，還包含以下標準：
IEEE 802.1AS：時間同步
IEEE 802.1Qav：調節交換機中幀的傳輸和中間緩沖
IEEE 802.1Qat：音頻流和視頻流的動態帶寬分配
IEEE 1722：傳輸協議
IEEE 1722.1：支持AVB的網絡和設備的動態配置
該標準于2011年完成定稿并發布，最初用于各種多媒體應用，后來用于工業領域，專門用來傳輸時間關鍵型命令或傳感器數據。隨著AVB技術在非多媒體領域的應用逐漸引起更多關注，IEEE成立了一個名為“時間敏感網絡”（TSN）的新工作組。TSN工作組采用了AVB工作組的標準，并在專業音頻視頻、工業、汽車和航空航天等領域解決了更廣泛的應用問題。
在汽車領域，至今仍在沿用最初的AVB標準，但在某些情況下已開始使用TSN工作組的修訂版。本文主要討論AVB標準，此標準可視為等同于TSN標準。
圖1：AVB系統通常可實現這些要素的不同子集
使用gPTP進行時間同步
通用精密時間協議（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統的共同基礎。其用途類似于計算機領域中廣為人知的網絡時間協議（NTP）。NTP確保計算機時鐘在本地網絡中與參考時間同步，在最佳應用條件下可達到毫秒級精度。該精度可以完全滿足計算機和服務器的需求，但對于同步或時間關鍵型應用來說則太不精確。
圖2：gPTP基準與gPTP客戶端之間的交互
gPTP可確保以太網設備中具有更加精確的時基，通常可達微秒級甚至納秒級。實質上，gPTP包括兩種機制：基準時間分發和傳輸時間計算。
時間從一個或多個時間基準節點（根據IEEE標準為“gPTP主機”）分發到一個或多個客戶端（根據IEEE標準為“gPTP從機”）。類似于IEEE 1588的兩步過程，gPTP總是連續發送兩個幀：“Sync”和“Sync Follow-Up”。客戶端使用其中包含的時間戳將其本地時鐘重置為基準時間，從而確保網絡中的所有設備都使用完全相同的時基。
但是，只有將整個網絡所需的傳輸時間也考慮在內，才能確保很準確的時基。要實現這一點，應在直接相鄰的節點之間始終成對執行對等延遲測量。這樣，每個節點所測傳輸時間的總和會產生對等延遲值，繼而可根據該值校正gPTP時間。
傳輸協議
IEEE 1722－AVTP
音視頻傳輸協議是通過以太網AVB技術傳輸音頻/視頻數據以及時間關鍵型數據的標準傳輸協議。它是一種用于通過MAC地址訪問設備的輕量級ISO/OSI Layer2協議。因此，這種方式無需集成全部的IP協議棧，有助于最大限度地減小項目和設計的規模、成本和復雜性。
IEEE 1733－RTP/RTCP
RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均為基于IP的網絡協議，適用于通過以太網傳輸音頻和視頻數據。這些協議多年來已廣泛用于各種工業級和消費類設備，包括視頻監控攝像頭和對講設備。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本，適用于通過AVB進行同步傳輸，因此可作為基于IP的解決方案替代IEEE 1722。
流量整形
以太網網絡通常由大量端點（計算機和電子設備）和網橋（交換機和網關等）組成。無論選擇哪種傳輸協議，數據都會封裝成以太網幀，然后從發送方通過多個網橋（躍點）路由到接收方。幀的傳輸方式和傳輸時間存在不確定性。傳輸路徑上的網橋將以較快或較慢的速度進行幀轉發（存儲轉發和直通轉發）。在網絡擁塞的情況下，這些幀有時需要緩沖一段時間，在最糟情況下甚至可能會丟失。
工業和汽車系統應具有較低的確定性延遲，并且最重要的一點，必須確保無丟幀風險的可靠傳輸。流量整形（“IEEE 802.1Q－服務質量”部分）可解決此需求。流量整形定義了網橋根據幀的優先級對幀進行處理的策略。流量整形有幾種標準，例如：
IEEE 802.1Qav：時間敏感流的轉發和排隊增強功能（FQTSS），有時稱為“基于信用值的整形器”（CBS）。
IEEE 802.1Qbv：調度流量的增強功能，通常稱為“時間感知整形器”（TAS）
IEEE 802.1Qch：循環排隊和轉發
IEEE 802.1Qcr：異步流量整形
汽車行業主要使用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時，每個以太網設備都會獲得一個用于發送幀的信用值。只要信用值仍為正數，設備就可以繼續發送幀。當信用值用完后，設備將無法再發送幀。必須等到補充信用值后才能再次開始發送。
該策略可確保帶寬的有效利用。其中沒有預定義的時隙。如果端點需要間歇性地發送數據，則可以累積其信用值，然后一次全部用完。使用CBS配置AVB網絡比較簡單。
TAS－時間感知整形器（802.1Qbv）
與Qav不同，IEEE 802.1Qbv策略依賴于時隙模型。該策略并非基于要發送的數據量，而是側重于傳輸的頻率。節點不能再進行任意時長的發送，但允許進行很規律地傳輸。這意味著可以實現更低且更具確定性的延遲。
而Qbv的缺點是，無法確保網絡帶寬始終得到有效利用。如果端點不使用其時隙，將會丟失這些時隙以及帶寬。但這種影響可通過使用幀搶占模式進行抵銷（IEEE 802.1Qbu）。
與AVNU的互操作性
系統架構師可以通過各種可用的組件來實現AVB。可以根據系統要求實現不同的AVB子集。雖然這有助于最大限度地減少硬件組件（僅實現實際所需的組件），但也可能會導致一些互操作性問題，因為不同供應商提供的設備不一定支持完全相同的AVB功能。而且，工程師有時會以不同的方式來解釋IEEE標準，從而使情況變得更加復雜。
為了確保供應商之間實現互操作性，AVNU聯盟為汽車領域制定了“以太網AVB功能和互操作性規范”，其中定義了每個設備中應實現的AVB子集和相關參數的基準。對于支持AVB的設備，可以經由外部測試機構或使用內部專用測試設備測試其AVNU兼容性。
實際實現
圖3：典型的以太網AVB評估系統
在實際應用中，支持AVB的網絡包括多個組件：交換機、PHY和端點。所有交換機和端點都必須支持AVB才能實現所需的性能。
得益于IEEE標準、AVNU和OpenAlliance（注：檢查R/TM標記）規范，不同供應商提供的組件（如PHY和交換機）如今可實現高水平的互操作性。
但是，在端點中實現AVB仍然是一項復雜而繁瑣的任務。這些系統通常基于SoC或高端單片機而開發，其中需要集成許多軟件：實時操作系統、Autosar架構以及AVB協議棧，這些軟件通常需要從第三方獲得相應的授權。AVB端點（比如Microchip的LAN9360）是一個令人關注的替代方案。這些端點由一種集成AVB協議的智能以太網控制器組成。因此，AVB可以直接部署為基于硬件的解決方案，而無需進行軟件開發。
結論
自IEEE的AVB工作組成立以來，AVB/TSN技術現在已達到很高的成熟度水平。“AVB汽車”已經上路，越來越多的原始設備制造商開始參與其中。得益于其開放式的標準化技術，許多具有互操作性的硬件和軟件已作為優化的COTS產品供人們使用。在過去，“全以太網汽車”愿景曾備受質疑，而如今它不再是遙不可及的空想。