在過去的幾年間，以太網(wǎng)憑借開放的協(xié)議、良好的擴展性以及較高的帶寬等優(yōu)勢為自己在車載領域贏得了一席之地。隨著車載應用范圍的擴大，也有越來越多的以太網(wǎng)技術涌現(xiàn)出來。

         今天我們就來聊一聊時間敏感網(wǎng)絡（TSN），讓大家快速了解這一技術。話不多說，大家坐穩(wěn)扶好，我們這就開始啦~ 

TSN是什么？它能給我們提供什么？

        TSN的全稱是Time Sensitive Network即：時間敏感網(wǎng)絡（TSN）。大家通過這個名字就大致可以看出其和網(wǎng)絡上的時間，是傳輸?shù)难訒r有關。的確，服務時間敏感應用及系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)在時間內(nèi)以時間抖動進行傳輸，是TSN的重要目的之一。

         隨著EE架構(gòu)的升級，未來架構(gòu)會向著Domain和Zonal型架構(gòu)發(fā)展，除了影音娛樂域之外，以太網(wǎng)也會被應用到諸如車身域，底盤域，ADAS以及主干網(wǎng)上。更為復雜的應用場景，更多的數(shù)據(jù)類型將給我們的車載網(wǎng)絡提出了更高的要求。 

圖1 Zonal架構(gòu)舉例

         以圖1的Zonal架構(gòu)示意為例，系統(tǒng)在處理傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)布控制指令等過程中，對于網(wǎng)絡提出了很多需求，諸如：

 ?  低延遲需求：系統(tǒng)中涉及的一些安全相關類數(shù)據(jù)，有低延遲的需求。

 ?  高魯棒性需求：安全相關類數(shù)據(jù)對于丟幀或者誤傳的容忍度很低。系統(tǒng)中對此類數(shù)據(jù)，通過復制發(fā)送和多通路發(fā)送來實現(xiàn)冗余處理，以提高系統(tǒng)的安全等級。

 ?  時間同步需求：流媒體的同步播放，傳感器的數(shù)據(jù)融合，精準控制指令的發(fā)布需要車內(nèi)節(jié)點的時鐘同步來保證。

 ?  監(jiān)控及安全需求：TBOX的外來數(shù)據(jù)監(jiān)控過濾，及車內(nèi)關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)監(jiān)控過濾。 

表1車載通信數(shù)據(jù)分類

         同時，根據(jù)IEEE 的數(shù)據(jù)，未來車載數(shù)據(jù)可大致按照表1分類。我們在表中除了可以發(fā)現(xiàn)圖1提出的需求之外，還可以看到安全相關類數(shù)據(jù)的延遲需求為小于1ms，而時間敏感網(wǎng)絡AVB無法滿足這樣的延遲需求。

         因此為了滿足日益增加的網(wǎng)絡需求，TSN協(xié)議提供了對應的解決辦法：

?  高等級的時鐘同步 （Time-Sync）

?  更低的端對端延遲（Quality of Service）

?  高容錯性及高系統(tǒng)魯棒性（Redundancy）

?  安全機制（Security）

         圖2列舉了不同功能下的各個TSN協(xié)議。其中，綠色勾選出來的協(xié)議是目前在車載方向應用意義較大的協(xié)議。我們會在后面的文章中詳細地介紹各個協(xié)議的機制。 

圖2 車載TSN協(xié)議族

         以上用一句話總結(jié)：TSN是以太網(wǎng)在車載領域獲得更廣泛應用的關鍵。 

車載TSN的應用情況

        TSN本身的技術成熟度不低，雖然TSN協(xié)議在車載領域是一個新的技術，但在工業(yè)自動化領域中TSN已經(jīng)被廣泛的應用。目前歐洲的一些大型OEM已經(jīng)開始應用TSN技術，其中以自動駕駛和輔助駕駛及域間通信等功能為主。預計2022-2023年，將會有整車應用TSN的車型量產(chǎn)。

         芯片廠商目前也對TSN協(xié)議族有著良好的支持情況，特別是今明兩年量產(chǎn)的下一代產(chǎn)品，例如NXP的SJA1110和Marvell的88Q6113等，將普遍支持TSN協(xié)議。 

TSN協(xié)議介紹

        通過上面的介紹，我們已經(jīng)對TSN是什么有了一個初步的認識。下面我們更進一步，通過協(xié)議的機制介紹來了解一下TSN是如何運作的。

         總體來看，TSN協(xié)議族主體是一個二層的協(xié)議，屬于IEEE 802.1 協(xié)議體系（這里除了幀搶占的部分協(xié)議802.3bu以外）。因此其Payload形式可以更加靈活，不僅僅局限于IP數(shù)據(jù)幀，還可傳輸自定義的數(shù)據(jù)幀。同時其機制大部分通過硬件來實現(xiàn)，處理的延遲基本可以忽略不計。 

IEEE 802.1AS-Rev 時鐘同步機制

        時鐘同步機制通過節(jié)點間同步報文的發(fā)送，鏈路延遲的計算，時滯延遲的疊加實現(xiàn)各個節(jié)點與主時鐘（Grandmaster）的時鐘同步。主時鐘會通過報文將自己的原始基準時間（now）告知系統(tǒng)中的其它節(jié)點。從主時鐘發(fā)布時間基準到被其他節(jié)點收到，會經(jīng)歷一段時間（t）。以圖3為例，主時鐘與左下角的終端節(jié)點進行同步，主時鐘從發(fā)布基準時間到被終端節(jié)點收到所經(jīng)歷的時間t包含：2段鏈路延遲（d1, d2）以及一個switch的時滯延遲（r1）。當終端節(jié)點收到基準時間的時候其實已經(jīng)是T=now+d1+d2+r1，那么只要終端節(jié)點能夠清晰的知道d1, d2和r1（通過同步報文交互實現(xiàn)的，這里就不做詳細介紹了，大家有興趣可以閱讀IEEE 802.1AS相關章節(jié)）并在收到時間基準的時候把自己的時鐘設置成T，就完成了與主時鐘的同步。同理，其余被同步節(jié)點的時鐘計算也是一樣的，只是同步鏈路上的時間t會有所不同。 

圖3 時鐘同步應用示意

         整個同步的過程基本沿用了IEEE 802.1AS中的機制。但是IEEE 802.1AS-Rev 在原有的同步機制上擴充了冗余機制。以圖4為例冗余包括：

 ?  主時鐘冗余：

        現(xiàn)行主時鐘（左上角）和熱備份主時鐘（右下角）實時同步，實時運行。一旦主時鐘發(fā)生問題，控制器可切換到與備份主時鐘同步。

 ?  時鐘通路冗余：

        每個主時鐘維護兩條時鐘通路（深淺顏色區(qū)分），一條發(fā)生故障后，可切換至另一條通路。

         因此圖4中的同步網(wǎng)絡總共維護了4個時鐘域，相比IEEE 802.1AS車載中中僅維護一個時鐘域的設計，Rev極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。

         除此之外，相較IEEE802.1AS，Rev還引入了1588中的one-step的同步機制。相較two-step的機制在一定程度上較小了軟件的壓力。但目前來看Rev也可繼續(xù)沿用two-step的同步機制。 

圖4 IEEE 802.1AS –Rev 冗余時鐘機制 (圖片來自IEEE 802.1AS-Rev)

         進度條已然撐不住了，關于TSN的介紹今天就先告一段落吧，希望今天的內(nèi)容能對大家有所幫助。下一期我們將會介紹上面提到的其余TSN協(xié)議。欲知TSN如何降低延遲，如何完成冗余處理，我們下回分解~

經(jīng)緯恒潤

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