本文將深入探討汽車應用環境下乙太網AVB/TSN的基本原理

Microchip Technology Inc。

AIS產品營銷經理

Francis Ielsch

跨橋接網路實現面向資料分組的通訊已成為一項全球標準。

如今，它廣泛應用於各種不同規模和複雜性各異的系統中，例如伺服器和飛機、小型遙控裝置、遠端感測器以及許多物聯網（IoT）應用。

由於乙太網與物理層分離，所以可透過不同的物理介質對乙太網幀或IP資料包進行透明傳輸。因此，透過不同網路型別進行連線的裝置彼此之間可以無縫通訊。例如，使用蜂窩連線的手機和使用INICnet（ISO21806）網路的車載控制單元（透過汽車遠端資訊處理單元或閘道器）進行通訊。IP資料包可從傳送方路由到接收方。

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，原始乙太網存在不確定性，也就是說，它無法控制允許裝置傳送資料的時間和資料量，也無法控制資料包的傳輸路徑。兩個裝置之間的傳輸時間總是變化，並且在網路擁塞時可能會發生丟包情況。對於必須確保低延遲和資訊傳遞的關鍵型應用，這樣的特性是不匹配的。

專有的匯流排和網路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。所有市場都趨向於不依賴任何特定製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，也無需複雜且昂貴的閘道器。

因此，業界社群多年來一直在研究乙太網的弱點。隨著時間的推移，市場上出現了各種用來改善乙太網實時特性的解決方案，其中包括AVB/TSN。

IEEE工作組於2008年開始制定音影片橋接（AVB）技術。當時的目標是為了改善透過乙太網進行時間關鍵型音訊和影片資料傳輸的特性。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衝

IEEE 802。1Qat：音訊流和影片流的動態頻寬分配

IEEE 1722：傳輸協議

IEEE 1722。1：支援AVB的網路和裝置的動態配置

該標準於2011年完成定稿併發布，最初用於各種多媒體應用，後來用於工業領域，專門用來傳輸時間關鍵型命令或感測器資料。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“時間敏感網路”（TSN）的新工作組

。TSN工作組採用了AVB工作組的標準，並在專業音訊影片、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，此標準可視為等同於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）是所有支援AVB的系統的共同基礎。其用途類似於計算機領域中廣為人知的網路時間協議（NTP）。NTP確保計算機時鐘在本地網路中與參考時間同步，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伺服器的需求，但對於同步或時間關鍵型應用來說則太不精確。

圖2：gPTP基準與gPTP客戶端之間的互動

gPTP可確保乙太網裝置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”）。類似於IEEE 1588的兩步過程，gPTP總是連續傳送兩個幀：“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，從而確保網路中的所有裝置都使用完全相同的時基。

但是，只有將整個網路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

音影片傳輸協議是透過乙太網AVB技術傳輸音訊/影片資料以及時間關鍵型資料的標準傳輸協議。它是一種用於透過MAC地址訪問裝置的輕量級ISO/OSI Layer2協議。因此，這種方式無需整合全部的IP協議棧，有助於最大限度地減小專案和設計的規模、成本和複雜性。

IEEE 1733－RTP/RTCP

RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均為基於IP的網路協議，適用於透過乙太網傳輸音訊和影片資料。這些協議多年來已廣泛用於各種工業級和消費類裝置，包括影片監控攝像頭和對講裝置。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本，適用於透過AVB進行同步傳輸，因此可作為基於IP的解決方案替代IEEE 1722。

流量整形

乙太網網路通常由大量端點（計算機和電子裝置）和網橋（交換機和閘道器等）組成。無論選擇哪種傳輸協議，資料都會封裝成乙太網幀，然後從傳送方透過多個網橋（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（儲存轉發和直通轉發）。在網路擁塞的情況下，這些幀有時需要緩衝一段時間，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，並且最重要的一點，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順序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“基於信用值的整形器”（CBS）。

IEEE 802。1Qbv：排程流量的增強功能，通常稱為“時間感知整形器”（TAS）

IEEE 802。1Qch：迴圈排隊和轉發

IEEE 802。1Qcr：非同步流量整形

汽車行業主要使用CBS和TAS。

CBS－基於信用值的整形器（802.1Qav）

使用基於信用值的整形器時，每個乙太網裝置都會獲得一個用於傳送幀的信用值。只要信用值仍為正數，裝置就可以繼續傳送幀。當信用值用完後，裝置將無法再發送幀。必須等到補充信用值後才能再次開始傳送。

該策略可確保頻寬的有效利用。其中沒有預定義的時隙。如果端點需要間歇性地傳送資料，則可以累積其信用值，然後一次全部用完。使用CBS配置AVB網路比較簡單。

TAS－時間感知整形器（802.1Qbv）

與Qav不同，IEEE 802。1Qbv策略依賴於時隙模型。該策略並非基於要傳送的資料量，而是側重於傳輸的頻率。節點不能再進行任意時長的傳送，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，無法確保網路頻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頻寬。但這種影響可透過使用幀搶佔模式進行抵銷（IEEE 802。1Qbu）。

與AVNU的互操作性

系統架構師可以透過各種可用的元件來實現AVB。可以根據系統要求實現不同的AVB子集。雖然這有助於最大限度地減少硬體元件（僅實現實際所需的元件），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裝置不一定支援完全相同的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複雜。

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“乙太網AVB功能和互操作性規範”，其中定義了每個裝置中應實現的AVB子集和相關引數的基準。對於支援AVB的裝置，可以經由外部測試機構或使用內部專用測試裝置測試其AVNU相容性。

實際實現

圖3：典型的乙太網AVB評估系統

在實際應用中，支援AVB的網路包括多個元件：交換機、PHY和端點。所有交換機和端點都必須支援AVB才能實現所需的效能。

得益於IEEE標準、AVNU和OpenAlliance（注：檢查R/TM標記）規範，不同供應商提供的元件（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仍然是一項複雜而繁瑣的任務。這些系統通常基於SoC或高階微控制器而開發，其中需要整合許多軟體：實時作業系統、Autosar架構以及AVB協議棧，這些軟體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。這些端點由一種整合AVB協議的智慧乙太網控制器組成。因此，AVB可以直接部署為基於硬體的解決方案，而無需進行軟體開發。

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，越來越多的原始裝置製造商開始參與其中。

得益於其開放式的標準化技術，許多具有互操作性的硬體和軟體已作為最佳化的COTS產品供人們使用。

在過去，“全乙太網汽車”願景曾備受質疑，而如今它不再是遙不可及的空想。