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

 

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

 

        TSN的全稱是Time Sensitive Network即：時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。大家通過這個名字就大致可以看出其和網(wǎng)絡(luò)上的時間，更準(zhǔn)確的說是傳輸?shù)难訒r有關(guān)。的確，服務(wù)時間敏感應(yīng)用及系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確的時間內(nèi)以小的時間抖動進(jìn)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(yīng)用到諸如車身域，底盤域，ADAS以及主干網(wǎng)上。更為復(fù)雜的應(yīng)用場景，更多的數(shù)據(jù)類型將給我們的車載網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(guān)類數(shù)據(jù)，有低延遲和高確定性的需求。

 

?  高魯棒性需求：

安全相關(guān)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(fù)制發(fā)送和多通路發(fā)送來實(shí)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(zhǔn)控制指令的發(fā)布都需要車內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(guān)類數(shù)據(jù)的延遲需求為小于1ms，而時間敏感網(wǎng)絡(luò)AVB無法滿足這樣的延遲需求（目前AVB僅能實(shí)現(xiàn)2ms的延時保證，而且AVB并不關(guān)注數(shù)據(jù)的確定性）。

 

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

?  高等級的時鐘同步 （Time-Sync）

?  更低的端對端延遲及確定性（Quality of Service）

?  高容錯性及高系統(tǒng)魯棒性（Redundancy）

?  安全機(jī)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(yīng)用意義較大的協(xié)議。我們會在后面的文章中詳細(xì)地介紹各個協(xié)議的機(jī)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(lǐng)域獲得更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

 

        TSN本身的技術(shù)成熟度不低，雖然TSN協(xié)議在車載領(lǐng)域是一個新的技術(shù)，但在工業(yè)自動化領(lǐng)域中TSN已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。目前歐洲的一些大型OEM已經(jīng)開始應(yīng)用TSN技術(shù)，其中以自動駕駛和輔助駕駛及域間通信等功能為主。預(yù)計(jì)2022-2023年，將會有整車應(yīng)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，都將普遍支持TSN協(xié)議。

 

        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(rèn)識。下面我們更進(jìn)一步，通過協(xié)議的機(jī)制介紹來了解一下TSN是如何運(yùn)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(jī)制大部分通過硬件來實(shí)現(xiàn)，處理的延遲基本可以忽略不計(jì)。

 

        時鐘同步機(jī)制通過節(jié)點(diǎn)間同步報(bào)文的發(fā)送，鏈路延遲的計(jì)算，時滯延遲的疊加實(shí)現(xiàn)各個節(jié)點(diǎn)與主時鐘（Grandmaster）的時鐘同步。主時鐘會通過報(bào)文將自己的原始基準(zhǔn)時間（now）告知系統(tǒng)中的其它節(jié)點(diǎn)。從主時鐘發(fā)布時間基準(zhǔn)到被其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行同步，主時鐘從發(fā)布基準(zhǔn)時間到被終端節(jié)點(diǎn)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(dāng)終端節(jié)點(diǎn)收到基準(zhǔn)時間的時候其實(shí)已經(jīng)是T=now+d1+d2+r1，那么只要終端節(jié)點(diǎn)能夠清晰的知道d1, d2和r1（通過同步報(bào)文交互實(shí)現(xiàn)的，這里就不做詳細(xì)介紹了，大家有興趣可以閱讀IEEE 802.1AS相關(guān)章節(jié)）并在收到時間基準(zhǔn)的時候把自己的時鐘設(shè)置成T，就完成了與主時鐘的同步。同理，其余被同步節(jié)點(diǎn)的時鐘計(jì)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(yīng)用示意

 

        整個同步的過程基本沿用了IEEE 802.1AS中的機(jī)制。但是IEEE 802.1AS-Rev 在原有的同步機(jī)制上擴(kuò)充了冗余機(jī)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(shí)時同步，實(shí)時運(yùn)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(hù)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(luò)總共維護(hù)了4個時鐘域，相比IEEE 802.1AS車載中中僅維護(hù)一個時鐘域的設(shè)計(jì)，Rev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(jī)制。相較two-step的機(jī)制在一定程度上較小了軟件的壓力。但目前來看，車載中的必要性不是很強(qiáng)，Rev也可繼續(xù)沿用two-step的同步機(jī)制。

 

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

 

        進(jìn)度條已然撐不住了，關(guān)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~