改善以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的AVB/TSN解決方案

通過橋接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的面向數(shù)據(jù)包的通信已經(jīng)確立起了的世界性標(biāo)準(zhǔn)。然而，原來的以太網(wǎng)不是確定性的，不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。改善以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的一個(gè)解決方案是AVB/TSN。

以太網(wǎng)幀或IP包可以在不同的物理介質(zhì)上透明地傳輸，因?yàn)橐蕴W(wǎng)是與物理層解耦的。這意味著，通過不同網(wǎng)絡(luò)類型連接的設(shè)備可以毫無問題地相互通信，例如，在汽車中使用無線連接的移動(dòng)電話和使用INICnet網(wǎng)絡(luò)（ISO21806）的控制單元（通過車輛的Telematic處理單元或網(wǎng)關(guān)）。IP數(shù)據(jù)包從發(fā)送方路由到接收方。

但傳輸時(shí)間、延遲、抖動(dòng)和丟失的數(shù)據(jù)包怎么辦？最初的以太網(wǎng)不是確定性的，也就是說，無法控制設(shè)備何時(shí)和多少數(shù)據(jù)被允許發(fā)送，也無法控制數(shù)據(jù)包的傳輸路線。兩個(gè)設(shè)備之間的傳輸時(shí)間不斷變化，如果網(wǎng)絡(luò)過載，數(shù)據(jù)包就會(huì)丟失。這種行為與必須保證低延遲的關(guān)鍵應(yīng)用是不相容的。

提供低延遲和確定性的專有總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)只是一個(gè)有限的解決方案。所有市場的趨勢是走向標(biāo)準(zhǔn)化和開放的技術(shù)，不與特定的制造商相聯(lián)系。此外，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)既不需要特殊的專業(yè)知識(shí)，也不需要復(fù)雜和昂貴的網(wǎng)關(guān)。

圖1. AVB系統(tǒng)通?；诓煌瑯?biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的組合

?AVB解決方案?

各界對(duì)以太網(wǎng)的弱點(diǎn)已經(jīng)研究了很多年。隨著時(shí)間的推移，已經(jīng)開發(fā)了各種解決方案來改善以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，其中之一是AVB/TSN。AVB（音視頻橋接）的話題是在2008年的一個(gè)IEEE工作組中開始的。當(dāng)時(shí)，目標(biāo)是改善以太網(wǎng)上時(shí)間關(guān)鍵的音頻和視頻數(shù)據(jù)的傳輸，通過以太網(wǎng)提供時(shí)間關(guān)鍵的音頻和視頻數(shù)據(jù)。AVB不僅包括IEEE 802.1BA標(biāo)準(zhǔn)，還包括以下標(biāo)準(zhǔn)（圖1）：

- 用于時(shí)間同步的IEEE 802.1AS

- 用于交換機(jī)中傳輸控制和幀的中間緩沖的IEEE 802.1Qav

- 用于音頻和視頻流的動(dòng)態(tài)帶寬分配的IEEE 802.1Qat - IEEE 1722傳輸協(xié)議

- 用于動(dòng)態(tài)配置支持AVB的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的IEEE 1722.1

該標(biāo)準(zhǔn)已于2011年完成并發(fā)布。

它首先被用于各種多媒體應(yīng)用，后來也被用于工業(yè)部門，特別是用于傳輸時(shí)間緊迫的命令或傳感器數(shù)據(jù)。隨著人們對(duì)非多媒體應(yīng)用的AVB興趣的增加，在IEEE成立了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）工作組。TSN繼承了AVB的標(biāo)準(zhǔn)，并在專業(yè)音視頻、工業(yè)、汽車和航空航天等領(lǐng)域涉及更廣泛的應(yīng)用。

在汽車領(lǐng)域，最初的AVB標(biāo)準(zhǔn)至今仍在使用，但在某些情況下，TSN的修訂版本已經(jīng)在使用。本文主要涉及AVB標(biāo)準(zhǔn)，它相當(dāng)于TSN。 ?

用gPTP進(jìn)行時(shí)間同步?

通用精確時(shí)間協(xié)議（gPTP - IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統(tǒng)的共同基礎(chǔ)。其目的類似于計(jì)算機(jī)行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）。NTP確保計(jì)算機(jī)時(shí)鐘與一個(gè)參考時(shí)鐘同步，精度為毫秒。這樣的精度對(duì)于計(jì)算機(jī)和服務(wù)器來說是絕對(duì)夠用的，但對(duì)于同步或時(shí)間緊迫的應(yīng)用來說就太不準(zhǔn)確了。gPTP在以太網(wǎng)設(shè)備中提供了更精確的時(shí)間基礎(chǔ)，通常在微秒范圍內(nèi)，最好甚至是納秒。



圖2. 在時(shí)間同步過程中，gPTP基準(zhǔn)和gPTP客戶端之間的流程

gPTP基本上由兩個(gè)機(jī)制組成：參考時(shí)間的分配和傳輸時(shí)間的計(jì)算（圖2）。時(shí)間從一個(gè)或多個(gè)時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)（根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的gPTP主節(jié)點(diǎn)）分配給一個(gè)或多個(gè)客戶（根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的gPTP從節(jié)點(diǎn)）。

與IEEE 1588的兩階段程序類似，gPTP總是連續(xù)發(fā)送兩個(gè)幀："SYNC "和 "Follow Up"。根據(jù)所包含的時(shí)間戳，客戶機(jī)將其本地時(shí)鐘重置為參考時(shí)間，這樣網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備就能以完全相同的時(shí)間為基礎(chǔ)工作。

然而，只有同時(shí)考慮到網(wǎng)絡(luò)上所需的傳輸時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的時(shí)間基礎(chǔ)。

為此，所謂的對(duì)等延遲測量總是在直接相鄰節(jié)點(diǎn)之間成對(duì)進(jìn)行的。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)測量的傳輸時(shí)間的總和導(dǎo)致對(duì)等延遲值，通過該值修正gPTP時(shí)間。 ?

傳輸協(xié)議?

IEEE 1722-AVTP：音頻視頻傳輸協(xié)議是通過以太網(wǎng)AVB傳輸音頻/視頻數(shù)據(jù)以及時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。它是一個(gè)精簡的ISO/OSI第二層協(xié)議，通過MAC地址對(duì)設(shè)備進(jìn)行尋址。因此，沒有必要集成一個(gè)完整的IP協(xié)議棧。這有助于最大限度地減少項(xiàng)目和設(shè)計(jì)的規(guī)模、成本和復(fù)雜性。

IEEE 1733-RTP/RTCP：RTP和RTCP（IETF RFC 3550）是基于IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于通過以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。它們已經(jīng)在所有工業(yè)和消費(fèi)設(shè)備中使用了多年，如視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)或InterCom設(shè)備。IEEE 1733是對(duì)RTP/RTCP的改進(jìn)，用于與AVB同步傳輸，因此是基于IP的IEEE 1722的替代品。 ?

流量整形?

一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通常由大量的終端（計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備）和橋接器（交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)等）組成。與所選擇的傳輸協(xié)議無關(guān)，數(shù)據(jù)被封裝在以太網(wǎng)幀中，從發(fā)送方通過幾個(gè)橋接（hop）到接收方。幀的傳輸方式是不確定的。路由內(nèi)的網(wǎng)橋以更快或更慢的速度轉(zhuǎn)發(fā)幀（存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、直通）。在網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，幀有時(shí)會(huì)被緩沖一定的時(shí)間。在最壞的情況下，它們甚至可能丟失。

工業(yè)以及汽車系統(tǒng)需要低的、確定的延遲，最重要的是需要可靠的傳輸，沒有幀丟失的風(fēng)險(xiǎn)。流量整形（IEEE 802.1Q--服務(wù)質(zhì)量的一部分）被用于此目的。流量整形定義了網(wǎng)橋應(yīng)如何根據(jù)優(yōu)先級(jí)處理幀的策略。例如，有幾個(gè)關(guān)于流量整形的標(biāo)準(zhǔn)，例如：

- IEEE 802.1Qav, 時(shí)間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)增強(qiáng)（FQTSS），也常被稱為基于信用的整形（CBS）

- IEEE 802.1Qbv, 增強(qiáng)預(yù)定流量，通常也被稱為時(shí)間感知整形（TAS）

- IEEE 802.1Qch, 循環(huán)排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)

- IEEE 802.1Qcr, 異步流量整形

其中CBS和TAS主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。 通過基于信用的整形，每個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備收到一個(gè)信用，用于發(fā)送幀。只要信用仍然是正數(shù)，設(shè)備就可以繼續(xù)傳輸。

之后，它必須等待，直到信用被補(bǔ)充。這種策略能夠有效地利用帶寬。沒有預(yù)先定義的時(shí)間槽。需要不定期發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以收集他們的信用并一次性用完。

用CBS配置AVB網(wǎng)絡(luò)是相對(duì)簡單的。相比之下，時(shí)間感知整形TAS策略是基于時(shí)隙模型的。它不再基于要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，而是基于傳輸?shù)念l率。節(jié)點(diǎn)不再被允許在任何長度的時(shí)間內(nèi)發(fā)送，但它們被保證允許非常有規(guī)律地發(fā)送。因此，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)明顯更低和更確定的延遲。

然而，Qbv的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)帶寬并不總是被有效利用。如果節(jié)點(diǎn)不使用他們的時(shí)間槽，這些槽以及帶寬就會(huì)丟失。 ?

與AVNU的互操作性?

對(duì)于AVB的實(shí)施，系統(tǒng)架構(gòu)師可以利用各種可用的組件。根據(jù)系統(tǒng)要求，可以實(shí)現(xiàn)AVB的不同子集。一方面，這對(duì)硬件組件是有幫助的，但另一方面，它可能會(huì)導(dǎo)致互操作性問題，因?yàn)椴煌?yīng)商的設(shè)備不支持完全相同的AVB功能。由于IEEE標(biāo)準(zhǔn)有時(shí)會(huì)被工程師們做出不同的解釋，這使得情況更加復(fù)雜。

AVNU聯(lián)盟，即所謂的以太網(wǎng)AVB功能和互操作性規(guī)范定義了汽車領(lǐng)域的AVB子集和相關(guān)參數(shù)的參考，這些參數(shù)應(yīng)在每個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，以確保供應(yīng)商之間的互操作性。具備AVB功能的設(shè)備可以由測試公司進(jìn)行外部測試，或在內(nèi)部用特殊的測試設(shè)備進(jìn)行AVNU兼容性測試。 ?

AVB實(shí)踐應(yīng)用?

在實(shí)踐中，支持AVB的網(wǎng)絡(luò)由幾個(gè)部分組成：交換機(jī)、PHY和節(jié)點(diǎn)。為了達(dá)到預(yù)期的性能，所有的交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)都必須支持AVB。通過IEEE標(biāo)準(zhǔn)、AVNU和OpenAlliance規(guī)范，來自不同制造商的PHY和交換機(jī)等組件現(xiàn)在可以高度互操作。

然而，在終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)音視頻橋接仍然是一項(xiàng)復(fù)雜而漫長的開發(fā)任務(wù)。系統(tǒng)通常是在SoC或高端微控制器的基礎(chǔ)上開發(fā)的，其中必須集成大量的軟件：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、Autosar和AVB協(xié)議棧，這往往還需要許可。

一種替代方案是使用特殊芯片的AVB節(jié)點(diǎn)。這是一種集成了AVB協(xié)議的智能以太網(wǎng)控制器。因此，AVB作為一個(gè)基于硬件的解決方案立即變得簡便，不再需要軟件開發(fā)。 ? ?

審核編輯：劉清