時間敏感網絡的案例
快速了解時間敏感網絡(TSN)_Part1
今天我們就來聊一聊時間敏感網絡（TSN），讓大家快速了解這一技術。話不多說，大家坐穩扶好，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：時間敏感網絡（TSN）。大家通過這個名字就大致可以看出其和網絡上的時間，是傳輸的延時有關。的確，服務時間敏感應用及系統，保證數據在時間內以時間抖動進行傳輸，是TSN的重要目的之一。
隨著EE架構的升級，未來架構會向著Domain和Zonal型架構發展，除了影音娛樂域之外，以太網也會被應用到諸如車身域，底盤域，ADAS以及主干網上。更為復雜的應用場景，更多的數據類型將給我們的車載網絡提出了更高的要求。
圖1 Zonal架構舉例
以圖1的Zonal架構示意為例，系統在處理傳感器數據，發布控制指令等過程中，對于網絡提出了很多需求，諸如：
? 低延遲需求：系統中涉及的一些安全相關類數據，有低延遲的需求。
? 高魯棒性需求：安全相關類數據對于丟幀或者誤傳的容忍度很低。系統中對此類數據，通過復制發送和多通路發送來實現冗余處理，以提高系統的安全等級。
? 時間同步需求：流媒體的同步播放，傳感器的數據融合，精準控制指令的發布需要車內節點的時鐘同步來保證。
? 監控及安全需求：TBOX的外來數據監控過濾，及車內關鍵節點數據監控過濾。
表1車載通信數據分類
同時，根據IEEE 的數據，未來車載數據可大致按照表1分類。我們在表中除了可以發現圖1提出的需求之外，還可以看到安全相關類數據的延遲需求為小于1ms，而時間敏感網絡AVB無法滿足這樣的延遲需求。
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圖中所示為錨定NR-U的控制平面 (CP) 路由；用戶平面 (UP) 路由取決于網絡設計；1. 5G核心網絡；2. 演進分組核心 （圖源：Qualcomm）
NR-U應該與已經部署的IEEE 802.11/Wi-Fi系統實現合理共存。
6GHz頻段的增加為Wi-Fi和5G帶來了更多帶寬。使用錨定NR-U將其他授權或共享頻段組合為錨，支持授權輔助訪問或諸如公民寬帶無線業務 (CBRS) 頻段的共享頻段，并將促進部署，從而憑借更高的5G速度提供更好的用戶體驗。此外，獨立的NR-U支持完全使用非授權頻段來部署5G專用網絡。
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時間敏感網絡 (TSN) 中的5G
TSN是由IEEE 802.1工作組的時間敏感網絡 (TSN) 任務組開發的一系列標準。TSN將充當信息技術網絡（管理業務流程和分析）與操作技術網絡（管理在生產車間運行的實際設備）之間的重要橋梁。
TSN系列標準將為時間關鍵型數據提供具有準確性保證的網絡，非常適用于從傳感器、計算機視覺應用等接收數據的控制系統。
現在，工業4.0和工業物聯網（IIoT）已在汽車、石油和天然氣、公用事業、食品和飲料、制藥等工業垂直市場中進行部署。
展開 技術分享 | 車載以太網技術的深度解析與核心應用
（3）實時性與確定性
時間敏感網絡(TSN)：通過IEEE 802.1標準（如時間同步、流量整形）保障關鍵任務（如剎車控制、ADAS）的低延遲（<1ms）和確定性，避免傳統以太網的"盡力而為"問題；
多業務共存：可同時傳輸安全關鍵數據（控制指令）和非關鍵數據（娛樂流量），互不干擾。
（4）成本與標準化優勢
減少線束成本：單對非屏蔽雙絞線（如100BASE-T1）替代復雜線束，降低重量和成本；
產業鏈成熟：以太網技術已被IT行業驗證數十年，芯片、協議棧成熟，且支持DoIP（診斷 over IP）等標準化協議，簡化開發；
（5）面向未來的擴展性
車云協同與V2X：支持5G/V2X集成，實現車-路-云實時通信，為智慧交通奠定基礎。
功能安全與信息安全：基于以太網的防火墻、加密（如MACsec）更易實現符合ISO 21434的網絡安全要求。
三、車載以太網的技術架構
車載以太網(Automotive Ethernet)基本遵循OSI七層網絡模型，但在某些層面上進行了優化和簡化，以適應汽車電子系統的需求。
1、車載以太網與常規以太網的主要區別
網絡模型層級之間的區別：
（1）傳輸層
常規以太網的傳輸層會根據具體場景選擇UDP或者TCP協議，在需要面向連接、高可靠性場景中選擇TCP協議，在對實時性更高，需要高速傳輸的場景下選擇無邊車接的UDP協議，車載以太網中也會根據具體場景選擇對應傳輸層協議，大部分場景中使用實時性更高的UDP協議。
（2）網絡層
車載以太網的網絡層使用標準的IPv4/IPv6，同時配合DoIP和SOME/IP進行診斷和ECU之間的高效通信。
a. 普通數據通信→IPv4/IPv6；
b.
展開 
標準草案已出，Wi-Fi 7何時面世？
以上特性對于時間敏感網絡的應用來說相當重要，就拿沉浸式AR和VR來說，限制其體驗的不僅是網速、設備性能和屏幕分辨率，還有傳輸速率和延遲，造成了體驗中的暈眩感和割裂感。
不同QAM星座圖對比 / 萊特波特
而新標準將Wi-Fi 6上的PHY物理層特性幾乎都提高了一倍，比如Wi-Fi 7的調制階數最高支持到4096 QAM，如此一來每個子載波可對12位數據進行編碼，而不是1024QAM的10位，實現了20%的速率提升。上一代的8x8 MIMO增加至新標準中的16x16 MIMO，信道大小更是可以支持到320MHz。這樣一來，在最大空間流下，Wi-Fi 7的速度可以達到46.4 Gbps，在新特性多鏈路操作（MLO）下，甚至可以達到70 Gbps的速率。
此外，Wi-Fi 7同樣支持Wi-Fi 6E中新增的6GHz頻段。這一頻段對新標準來說非常重要，因為這是唯一具備充足連續頻譜的頻段，從而保證320MHz的信道大小。不過當前6GHz的頻段還未在全球普及商用，比如歐盟就只開放了5945-6425 MHz的頻段，因此只有中心頻率編號為31的320MHz信道才可以使用。相信Wi-Fi 7正式發布后，這一情況會有所改善。
多鏈路操作用上不同頻段
Wi-Fi 7引入的一個新特性就是上面提到的多鏈路操作（MLO），執行MLO時，多個鏈路公用MAC網絡層，并采用單獨的物理層，這樣支持該特性的AP還是基站都能在多個頻段上同時執行發射或接收操作，比如5GHz和6GHz。這樣極大地增加了吞吐量，同時降低了延遲。
展開 中國智能制造產業領域的10大新趨勢
趨勢9：
TSN和5G技術將引領工業網絡發展。
TSN即時間敏感網絡，它與5G技術主要用于解決工業物聯網難題。在技術應用方面，目前由中國新科集團、烽火科技、大唐移動與中國移動合作，建成了全國首個全流程5G智能制造生產線。該生產線基于5G的工業控制互操作，工廠自動化線體效率提升了70%，總體制造運營效率較改造前提升30%以上。此外，中國商飛聯合中國聯通和華為，建成全球首個5G工業園區，并同步建設5G云端，具備了海量數據的人工智能飛機處理能力。
趨勢10：
工藝裝備的智能化將成為制造業轉型發展的突破口。
未來核心工藝裝備與人工智能融合，實現工藝裝備的智能化，將成為制造業轉型發展的突破口。
聚焦強基礎補短板
解決制造業“卡脖子”問題
基于這十大新趨勢，董凱等專家建議，無論是產業政策引導，還是企業智能化建設，都應鼓勵深入挖掘工業服務的價值；面向工業客戶，積極尋找創新可盈利的新商業模式；努力實現工業服務與新一代信息技術融合發展；打造面向全產業鏈的工業服務產品體系；進一步加強政府的政策性引導；協同創新，打造智能遠程運維創新中心，以服務為核心整合多方資源。
合肥市委政研室副主任范觀兵說，工業基礎不牢、關鍵零部件等“卡脖子”問題突出是我國制造業發展面臨的兩大主要難題，政策導向必須堅持聚焦強基礎和補短板兩大關鍵點。實踐證明，抓住這兩大關鍵點就會出效益。
以合肥家電制造業為例，過去雖然企業數量多、產量大，但基礎薄弱、質量效益差。近年來，合肥從做強產業基礎、做長家電產業鏈入手，形成了“龍頭企業—大項目—產業鏈—制造基地—產業集群”的模式。家電制造不僅成為合肥首個千億級產業，還帶動液晶面板這一新的千億級高新技術產業崛起，實現了傳統產業和新技術產業的雙提升。
展開 還能讓智能制造來得再快一點嗎？
當整個系統運作起來，生產的過程就“活了”：通過記錄和數據交換，系統實時判斷自己的工作內容，提醒潛在的危機；為維修人員提前預測潛在的故障，減少維護成本；并在理想情況下，自我優化生產流程（時間敏感網絡），體現的則是相比人工流水線更強的“柔性”。
英特爾亞太區物聯網事業部中國區行業銷售經理謝青山表示，與普通用戶經常接觸到的互聯網技術相比，工業互聯網還有著兩個獨特需求：
1、實時性：隨著制造產品的精細程度越來越高，在制造過程中需要更加快速、 實時、精準地控制機械設備;
2、時效性：設備之間需要做到更加及時、同步的配合，將工作流程效率最大化。
隨著數據的流動，物聯網大大推動了工業生產的過程中做到實時反饋和閉環控制。
物聯網改變了什么
隨著制造業產線流程的愈發復雜，被制造的產品越來越精密，曾經人工難以解決的問題，在智能制造時代正被逐步克服。
王錦提到了物聯網機器視覺的一項具體應用：一次制造案例中，面板生產過程中有一道工序，需要用人眼去判斷電路板印刷過程中的電路質量問題。每次判片室幾百人，每天看30萬張缺陷照片，工作內容的辛苦給崗位帶來了極大的流動性。而借助物聯網的視覺傳感器和AI技術，系統可以自動地高速完成整個過程。
展開 車載以太網開發咨詢服務
繼傳統CAN、LIN、Flexray網絡之后，近年來以太網這種全球使用的網絡技術已經逐漸在車輛系統中得以應用，它為車內音視頻流、大數據包等提供了快速可靠的傳輸途徑，廣泛應用于信息娛樂系統、ADAS領域和主干網。車載以太網技術還在發展，10M、10G新型車載以太網物理層技術、時間敏感型網絡（TSN）等新技術不斷涌現。
經緯恒潤攜手國外專業公司，為國內客戶提供車載以太網開發及測試咨詢服務。針對不同的客戶需要提供定制化咨詢服務。
以太網咨詢服務
針對OEM 以及供應商，經緯恒潤可提供針對于量產項目的開發及測試咨詢服務。
該方案具有以下特點：
? 車載以太網相比傳統網絡，難度大，復雜度高，具備量產項目經驗的服務提供商能幫助客戶更好地完成網絡開發及測試，滿足車型開發要求
? 始終走在國際前沿的服務提供商，不僅滿足當前需求，更考慮客戶長遠規劃，讓您的技術永不落伍
? 經緯恒潤多人團隊的本地化支持，借助測試工具，能為客戶提供全面周到的本地化服務
經緯恒潤作為長城汽車、吉利汽車、北汽新能源的第三方測試實驗室，繼北京之后，也陸續在上海、長春、深圳等多地建立了實驗室，為客戶提供更便利的本地測試服務。
展開 基于SOA架構的開發策略詳解
而基于AVB的下一代協議TSN（時間敏感網絡）可以提供非常優秀的實時性。
以太網通訊設計過程包含對服務實例進行通訊協議相關的信息配置。由于SOA架構中包含多個應用實體之間的多通路通信過程，且這些通信通常是網狀通信，因此需要在各個實體節點之間建立中間路由、轉化等。區別于傳統總線（Can/Lin），在軟件架構設計過程中，開發人員需要設計具體的服務類型、服務ID、服務數據類型、服務角色等。
SOA架構設計流程
SOA的邏輯架構內容需要根據分層架構策略分配給一層的多個模塊。這些層也被分成幾個功能區，使用Enterprise Architect進行架構模型管理是SOA模塊架構設計的基礎，如下圖表示了典型的SOA系統的架構設計模型。
區別于傳統Can總線面向信號的設計思路，在以太網設計過程中，開發人員需要在邏輯層面將功能抽象為服務的方式進行架構設計。如上圖，從下至上包含了SOA基礎服務管理、硬件I/O控制管理、系統功能控制管理、單元域功能控制管理、整車功能控制管理、云端控制管理、人機交互管理。
SOA基礎服務管理：
該模塊主要是對整車軟件模塊的基礎功能（例如診斷管理、驅動管理、存儲、日志記錄、OTA等）進行分解并統一管理。
SOA硬件I/O控制管理：
該模塊主要涉及對SOA中的傳感器&執行器進行的相應管理，包括定義傳感器輸入源硬件（Camera、Radar、Lidar、Uss、GPS等），定義執行器輸入輸出源硬件（方向盤、制動踏板、轉向電機、車門車窗、電源電池、藍牙wifi等）。傳感器執行器層中的所有模塊都必須包含其各自設備的功能設備驅動程序 (FDD)。
展開 工業物聯網爆發在即，半導體機遇在哪里？
近年來，業內對以太網時間敏感網絡 (TSN) 功能的支持需求一直提高。新思科技推出了支持 TSN 的以太網控制器，已在工業應用中被廣泛采用。
基于802.15.4的解決方案為計量、工廠自動化和樓宇控制提供了連接能力，但最近，隨著 Google、Amazon和Apple 等大型提供商為利用基于802.15.4并整合低功耗藍牙、Thread 和 Zigbee 確保無縫互連的解決方案實現家庭自動化提供了路線圖，互操作性不斷成熟。新思科技的 DesignWare 藍牙、Thread 和 Zigbee IP 憑借優化的功耗、性能和面積 (PPA) 為此類硬件實施提供了基本的構件。
更高的系統吞吐量還使工業系統能夠以低延遲能力實現實時控制。幾十年來，許多工業系統的響應時間都無法實現遠程實時響應，而實施的項目僅限于批處理或遠程監視。
隨著 5G 的出現及其將響應時間降低到1ms以下的目標，工業市場中的新應用成為了探索的目標。隨著半導體 IP 的發展，例如支持高達400G和800G以太網的高速 SerDes PHY，實時工廠控制和其他應用成為可能。DDR5 和 LPDDR5 等存儲器接口增加了系統的內存帶寬和容量。
目前，PCIe 5.0 也被迅速采用，用于連接工業服務器以及芯片到芯片的高速接口。特別需要指出的是，Compute Express Link (CXL) 協議專注于提供低延遲和緩存一致性能力，可為系統設計提供更大的靈活性，并縮短工業服務器和網絡接口卡（NIC）的響應時間。新思科技是接口 IP 領域的領導者，為工業 SoC 設計提供 了最全面的經過硅驗證的 IP 解決方案。
安全破壞事件越來越多，而且我們需要實施硬件來保護系統免受這些威脅的侵害。
展開 技術 | 解鎖L2/3級自動駕駛的汽車架構
理由是自動駕駛可以讓汽車用戶獲得更多時間，這些時間可以用于社交網絡、在線購物或者辦公等。將“駕駛時間”轉化為“互聯網使用時間”，產生了全新的業務模式。
整車廠的業務案例不僅將由銷售汽車決定，還將越來越傾向于由汽車的運行情況決定。新的租賃概念就是行業熱議的創意之一，其主體不再是將汽車作為產品，而是將駕駛出行作為服務。未來，帶您去上班的自動駕駛艙的租賃價格可能要取決于一天之中的不同時間。
作者：Rudolf Grave，在漢堡工業大學學習電氣工程，他從2005年開始在Elektrobit工作，負責AUTOSAR項目。他的研究重點是多核和功能安全。
展開 
軟件和整車電子架構正重新定義汽車行業
趨勢6：全電力和數據網絡冗余將變得至關重要
對可靠性要求較高的安全類關鍵應用，將利用整個冗余圈來完成所有對安全行駛至關重要的工作，如數據傳輸和電力供應等。電動汽車、中央計算機和高耗能分散式計算網絡都會需要具備冗余性的新型能源管理網絡。線控轉向和其他HAD功能所需的高容錯性同樣需要冗余系統設計。這一切尚難以在目前的故障保護監控應用架構上完成，仍有待進一步突破。
趨勢7：“汽車以太網”勢不可當將成為整車支柱
數據量的提升、HAD的冗余要求、互聯環境下的安全保障，以及跨行業標準協議的需求很有可能催生汽車以太網，并使其成為冗余中央數據總線的關鍵助推因素。以太網解決方案可以實現跨域通信，并通過添加以太網擴展，例如音-視頻橋接（AVB）和時間敏感網絡（TSN）等，來滿足實時性要求。
本地互聯網絡、控制器區域網絡等傳統網絡將繼續在車輛上運用，但僅用于封閉式的低級網絡，如傳感器和執行器等。FlexRay和MOST等技術有可能被汽車以太網及其擴展（如AVB、TSN等）取代。
趨勢8：整車企業會嚴控與功能安全及HAD相關的數據互連，但將為第三方訪問數據開放接口
發送與接收安全關鍵數據的中央互聯網關將始終直接且僅連接到整車企業的后臺，第三方會被允許進行數據訪問（被監管法規排除的場景除外）。然而，在車輛APP化的推動下，資訊娛樂系統的新興開放接口將允許內容和應用程序供應商加載內容，而整車企業將盡可能嚴格地保持各自的標準。
目前的車載診斷端口將被互聯通訊方案取代。通過接入整車物理端口來讀取車輛數據不再必要，登陸車企后臺即可。
展開 一文入門車載以太網，吐血整理! 不看可惜！
AVNU： 致力于推進AVB/TSN時間敏感網絡在汽車領域的應用，使以太網成為一種時間確定性的實時網絡；
IEEE： 電氣與電子工程師協會，其中802.3工作小組致力于推進以太網相關標準的制定與完善；
AUTOSAR: 汽車開放式系統架構組織，致力于實現汽車軟硬之間解耦的標準同時也為車載以太網軟件層級作出了相關規范說明；
OPEN Aliance SIG: 為非盈利性的汽車行業和技術聯盟，旨在鼓勵大規模使用以太網作為車聯網標準；
同時，從上圖中可以看出標記為“IT”則為傳統以太網技術協議規范，而標記為“Automotive”則為車載以太網技術協議規范。
顯而易見，除了物理層、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD這五個模塊為車載以太網技術協議規范之外，其余均為傳統以太網技術。
物理層
車載以太網與傳統以太網相比，車載以太網僅需要使用1對雙絞線，而傳統以太網則需要多對，線束較多。
同時，傳統以太網一般使用RJ45連接器連接，而車載以太網并未指定特定的連接器，連接方式更為靈活小巧，能夠大大減輕線束重量。除此以外，車載以太網物理層需滿足車載環境下更為嚴格的EMC要求，對于非屏蔽雙絞線的傳輸距離可達15m（屏蔽雙絞線可達40m）。
雖然車載以太網只采用單對差分電壓傳輸的雙絞線，但是100M/s以太網可以通過回音消除技術來實現全雙工通信。下面就通過表格形式列舉出當前主流的物理層標準：
表1 車載以太網物理層標準
從上表可知，當下主流的車載以太網協議主要為IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1，常規使用可采用100BASE-T1,如果需要更高帶寬，可選擇1000BASE-T1。
展開 車載以太網技術發展與測試方法
4）基于時間敏感網絡的時間同步功能（TSN）對接收到的時間同步的幀正確處理的功能。
5）服務品質（QoS）
對優先級流量正確處理和實現不同流量整形策略的功能，包括基于優先級的服務品質、基于WRR轉發數據包功能、PCP字段覆蓋功能、優先級映射功能、支持漏桶算法功能等。
6）配置功能
運行中可重新配置的功能，端口可單獨配置功能、配置完成前支持在 "禁止轉發"模式下啟動的功能、讀回配置信息功能、支持鎖定配置項功能等。
7）過濾功能
在接收端口是否能按照設定，對接收到的數據幀進行過濾的功能，包括端口廣播保護功能、通用過濾需求、與 VLAN相關的過濾規則、基于上層地址的過濾規則等。
8）診斷功能
計數器能否正確計數診斷、線纜和連接狀態反饋功能的診斷等。
測試過程中，可以將測試平臺作為流量發生器，發送不同類型的數據報文，由與之相連的計算機上的軟件對報文的類型進行配置，在軟件上對測試項的結果進行檢查。與DUT相連的計算機也對DUT的工作模式進行配置。測試連接示意圖如圖4所示。
圖4交換機測試連接示意圖
3.3 協議一致性測試
協議一致性測試(protocol conformance test），指的是檢驗開放系統互連（OSI）產品的協議實現與 OSI協議標準一致性程度的測試。
展開 無人機集群協同技術發展與展望
主要研究方向：通信與信息網絡。
張宇飛 男，(1996—)，碩士研究生。主要研究方向：自組織網絡。
姚明旿 男，(1975—)，博士，副教授。主要研究方向：組網與交換技術、時間敏感網絡。
郭彥濤 男，(1964—)，博士，研究員。主要研究方向：通信與信息網絡。
