2022/5/9-2022/5/13

虹科5月汽車(chē)以太網(wǎng)與TSN技術(shù)直播

前言

5月13日晚，虹科技術(shù)工程師郭澤明在虹科云課堂平臺(tái)與大家分享主題為“TSN技術(shù)如何提高下一代汽車(chē)以太網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量”的直播課程。虹科5月汽車(chē)以太網(wǎng)與TSN技術(shù)直播系列課程已結(jié)束，點(diǎn)擊文末“閱讀原文”即可查看該系列課程的回放視頻。

本次直播主要圍繞以下3個(gè)方面：

1

汽車(chē)中的以太網(wǎng)：為什么在汽車(chē)領(lǐng)域中采用以太網(wǎng)是一個(gè)有吸引力的選擇，并且正在形成勢(shì)頭，以及未來(lái)汽車(chē)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)如何？

2

TSN概述：為什么需要TSN技術(shù)，TSN中涉及的主要協(xié)議/功能是什么，它們提供什么以及如何提供？

3

汽車(chē)行業(yè)的TSN解決方案：介紹可用于在汽車(chē)環(huán)境中提供TSN通信的虹科解決方案，包括開(kāi)發(fā)方案和TSN軟硬件標(biāo)準(zhǔn)品，以及它們的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用案例。

Part 1

為什么要在汽車(chē)領(lǐng)域采用以太網(wǎng)？

現(xiàn)代汽車(chē)中包括了各種各樣的傳感器和執(zhí)行器，從圖1中可以看到，在汽車(chē)中存在著大量節(jié)點(diǎn)，比如雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波、照相機(jī)等。按照原先的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，不同的設(shè)備之間的通信使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接或特定的通信協(xié)議，如CAN或LIN。但是，由于汽車(chē)中需要互連的設(shè)備越來(lái)越多，而且隨著這些通信的具體要求也越來(lái)越多，傳統(tǒng)的連接方式弊端逐漸顯現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，互連線束的復(fù)雜性成倍增加，而元件的制造是難以自動(dòng)化的過(guò)程。

圖1

所以作為現(xiàn)代汽車(chē)的互連網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)成為一個(gè)有吸引力的解決方案，因?yàn)樗峭ㄓ玫模⑶夷軌蛱峁┮粋€(gè)高帶寬的通信通道。然而，以太網(wǎng)仍然存在問(wèn)題——它被設(shè)計(jì)成了一個(gè)盡力而為的解決方案，缺乏服務(wù)質(zhì)量機(jī)制、帶寬控制、確定性或冗余性。因此，有必要提供一個(gè)高于以太網(wǎng)的解決方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)確定性和可靠的通信。

TSN技術(shù)能夠提供可靠的確定性通信方式。該技術(shù)是IEEE定義的一套標(biāo)準(zhǔn)，可以用來(lái)解決上面提到的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)缺乏確定性和QoS的一些問(wèn)題。TSN主要有4個(gè)層面的內(nèi)容：時(shí)間同步、可靠性、延時(shí)管理和資源管理。但是需要注意的是，TSN中定義的提供時(shí)間同步、可靠性和延遲管理的協(xié)議有特定的要求，在大多數(shù)情況下，是需要通過(guò)使用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)或者解決的。因此，這些協(xié)議和功能不容易在軟件中實(shí)現(xiàn)，需要硬件加速。

圖2

Part 2

TSN技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)

目前，已有專(zhuān)用TSN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車(chē)車(chē)載橋接IEEE 802.3以太網(wǎng)的配置文件。該配置文件可用于確定性IEEE 802.3以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，并支持所有的車(chē)內(nèi)應(yīng)用，包括那些需要安全、高可用性和可靠性、可維護(hù)性和約束延遲的應(yīng)用。

01

時(shí)間同步

時(shí)間同步是TSN的一個(gè)關(guān)鍵部分，因?yàn)閹捒刂坪驼喂δ苁且蕾囉诰W(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備都能訪問(wèn)的共享時(shí)間進(jìn)行參考的。比如，時(shí)間感知整形器（Qbv）依靠納秒級(jí)的精度來(lái)控制和整形網(wǎng)絡(luò)的帶寬。汽車(chē)中的幾個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用和服務(wù)也使用一個(gè)共同的時(shí)間參考。

TSN使用IEEE 802.1 AS協(xié)議，為以太網(wǎng)中的所有TSN設(shè)備提供時(shí)間同步。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)它依賴于一個(gè)主從機(jī)制，允許從設(shè)備獲得主設(shè)備的時(shí)間并合成到它們的時(shí)鐘以達(dá)到納秒級(jí)的精度。而且正如之前所說(shuō)的，為了提供高精度（納秒級(jí)）的精度，有必要對(duì)IEEE 802.1 AS消息進(jìn)行硬件時(shí)間標(biāo)記。

圖3

另外，當(dāng)使用以太網(wǎng)作為汽車(chē)中的通信機(jī)制時(shí)，要對(duì)不同的流量類(lèi)別使用VLAN TAG的優(yōu)先級(jí)位（PCP）進(jìn)行分類(lèi)，分為不同的優(yōu)先級(jí)。對(duì)于幾種服務(wù)、應(yīng)用和設(shè)備，它們可能有不同的帶寬、延遲和損失容忍度要求。

圖4

從表中可以看出，每個(gè)流量類(lèi)別的帶寬利用率可以從1-5%到+25%不等。然而，有些流量類(lèi)別可能對(duì)帶寬要求不高，但對(duì)時(shí)間限制很?chē)?yán)格，范圍在幾毫秒。

有關(guān)802.1AS的具體協(xié)議解讀的更多內(nèi)容，歡迎點(diǎn)擊文末“閱讀原文”查看虹科車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)魏工在5月11日的直播課程《IEEE 802,1AS時(shí)間同步機(jī)制》（或使用復(fù)制該鏈接到瀏覽器打開(kāi)：https://gdh.h5.xeknow.com/s/1WUc2H ）

02

流量整形

流量整形也是TSN中定義的機(jī)制，用于控制通信的帶寬和延時(shí)。流量整形有兩個(gè)協(xié)議，第一種IEEE 802.1 Qbv也被叫做基于時(shí)間感知的整形，是TSN中定義的用于流量整形的兩個(gè)協(xié)議之一。該協(xié)議包括一個(gè)不斷重復(fù)的周期時(shí)間（根據(jù)使用情況可配置持續(xù)時(shí)間）。

圖5

01

Qbv周期是由可配置的時(shí)隙組成的。每個(gè)時(shí)隙也有一個(gè)可配置的持續(xù)時(shí)間，其中允許一個(gè)或幾個(gè)流量類(lèi)別被傳輸。例如，在圖5中，Qbv周期由兩個(gè)時(shí)隙組成。在第一個(gè)時(shí)隙，只允許傳輸計(jì)劃的流量（優(yōu)先級(jí)2，硬實(shí)時(shí)信息，如傳感器和控制流量），而在第二個(gè)時(shí)隙，允許傳輸其余的流量類(lèi)別（盡力而為流量和預(yù)流量）。

02

根據(jù)每個(gè)流量類(lèi)別的要求，可以相應(yīng)地配置所需的時(shí)隙數(shù)量、持續(xù)時(shí)間和允許的流量類(lèi)別，以便控制每個(gè)通信的延遲和帶寬使用。這種配置對(duì)汽車(chē)TSN網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)設(shè)備的每個(gè)以太網(wǎng)端口都是獨(dú)立的。

03

但是為了確保Qbv的正確行為，有必要通過(guò)IEEE 802.1 AS協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)間同步的。

IEEE 802.1 Qav是TSN中定義的第二個(gè)流量整形協(xié)議。這個(gè)協(xié)議的主要目的是限制每個(gè)類(lèi)別優(yōu)先級(jí)的可用帶寬。雖然可以用Qbv限制和控制帶寬，但如果配置了允許多個(gè)流量類(lèi)別的時(shí)隙，比如說(shuō)圖5的第二個(gè)時(shí)隙，那些具有較高優(yōu)先級(jí)的流量類(lèi)別可以利用該時(shí)隙的所有可用帶寬。

圖6

Qav使用一種基于信用的機(jī)制來(lái)限制每個(gè)流量類(lèi)別可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包的突發(fā)量。與Qbv的情況一樣，可以為T(mén)SN網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備的每個(gè)以太網(wǎng)端口中的每個(gè)流量類(lèi)別配置不同的最大突發(fā)配置，以防止有較高優(yōu)先級(jí)的流量消耗其插槽中的所有可用帶寬。

03

高可用性

高可用性是由于汽車(chē)中有些通信的丟包容忍度很低甚至為零，因此會(huì)要求TSN提供一種機(jī)制來(lái)確保通信的高可用性和冗余性。

IEEE 802.1 CB是TSN協(xié)議組中定義的一個(gè)零恢復(fù)時(shí)間冗余協(xié)議。它可以在一對(duì)設(shè)備之間的鏈路斷開(kāi)的情況下提供通信冗余和零數(shù)據(jù)包丟失。主要是通過(guò)數(shù)據(jù)的冗余備份和冗余鏈路進(jìn)行并行傳輸來(lái)提高可靠性，通過(guò)在不相交的網(wǎng)絡(luò)路徑上發(fā)送關(guān)鍵流量的重復(fù)副本，從而最大限度地減少了擁塞和故障的影響，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的數(shù)據(jù)冗余，但是代價(jià)是會(huì)有額外的帶寬消耗。

這個(gè)協(xié)議會(huì)根據(jù)流量類(lèi)別和TSN流標(biāo)識(shí)獲取路徑信息以及序列生成功能來(lái)選擇數(shù)據(jù)包復(fù)制，確定要丟棄的幀和傳遞的幀，最終確保正確的幀恢復(fù)和合并。RSTP和MSTP這兩個(gè)協(xié)議是在以太網(wǎng)上提供高可用性的協(xié)議，然而它們有恢復(fù)時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間里，通信會(huì)停止，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。所以可以把QCB與RSTP/MSTP相結(jié)合。

圖7

圖7中的結(jié)構(gòu)圖是一個(gè)使用IEEE 802.1 CB的設(shè)備A和B之間冗余通信的示例圖。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)生成一個(gè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的副本。相應(yīng)地，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包，并生成新的副本，使用冗余鏈路（如果有的話）發(fā)送。因此，可以提供冗余，并使引入的帶寬開(kāi)銷(xiāo)最小化。

此外，TSN還定義了IEEE 802.1 Qci作為一個(gè)用于高可用性的協(xié)議。這個(gè)協(xié)議的作用是防止未配置或有故障的設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送不需要的流量，從而影響其他流量類(lèi)別,惡化網(wǎng)絡(luò)性能。這個(gè)協(xié)議能夠使用以太網(wǎng)幀的不同字段來(lái)識(shí)別流，如MAC地址、VLAN ID等。一旦每個(gè)流被正確識(shí)別，就有可能對(duì)每個(gè)流獨(dú)立設(shè)置規(guī)則。可以應(yīng)用于每個(gè)流的一些規(guī)則是設(shè)置允許的最大數(shù)據(jù)包大小、允許的最大帶寬、啟用或禁用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)龋簿褪窍蘖鳎钄噙@些方式，主要是用在交換機(jī)的入口，通過(guò)各種約束或者規(guī)則來(lái)監(jiān)管每個(gè)流的輸入，以防止出站隊(duì)列被非法幀淹沒(méi)。

圖8

Qci中的帶寬限制是由一個(gè)信用和一個(gè)彩色桶機(jī)制實(shí)現(xiàn)的（或者說(shuō)是令牌桶算法）。令牌桶可以看作是一個(gè)存放令牌的容器，預(yù)先設(shè)定一定的容量。系統(tǒng)按給定的速度向桶中放置令牌，當(dāng)桶中令牌滿時(shí)，多余的令牌溢出。令牌桶是一種流量測(cè)量方法。

(1) 如果流量沒(méi)有超速，設(shè)備會(huì)為報(bào)文獎(jiǎng)勵(lì)綠牌（將報(bào)文染色為綠色）。報(bào)文可暢通無(wú)阻，即被轉(zhuǎn)發(fā)。

(2) 如果流量稍微超速，設(shè)備會(huì)發(fā)出黃牌警告（將報(bào)文染色為黃色）。通常報(bào)文會(huì)被降級(jí)，即修改報(bào)文的內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)，然后進(jìn)行盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)。

(3) 如果流量超速太多，設(shè)備會(huì)發(fā)出紅牌將報(bào)文罰下（將報(bào)文染色為紅色）。報(bào)文被禁止通行，即丟棄。

此外，IEEE 802.1 Qci定義了一套豐富的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器，可以使網(wǎng)絡(luò)管理員或設(shè)計(jì)者能夠檢測(cè)配置問(wèn)題。

04

配置

TSN有大量的協(xié)議和復(fù)雜的機(jī)制，所以網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備配置變得至關(guān)重要。IEEE 802.1 Qcc是TSN中為網(wǎng)絡(luò)配置定義的協(xié)議。CUC是一個(gè)用于從TSN網(wǎng)絡(luò)中的talker和listener（終端設(shè)備）檢索要求的設(shè)備。因此，要向CUC提供有關(guān)需要發(fā)送和接收的所有數(shù)據(jù)流的信息，以及這些數(shù)據(jù)流的特性（帶寬、延遲、冗余等）。

圖9

另一方面，CNC是一個(gè)獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比如說(shuō)交換機(jī)和路由器，以及他們能力（端口數(shù)、支持的TSN協(xié)議、到其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由......）信息的設(shè)備。一旦CUC和CNC都知道需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)上的可用資源，就會(huì)使用復(fù)雜的算法來(lái)確定每個(gè)設(shè)備的具體配置，來(lái)確保滿足所有注冊(cè)數(shù)據(jù)流的要求。

Part 3

虹科TSN解決方案

目前，虹科已推出10G TSN交換和TSN端點(diǎn)解決方案，包括開(kāi)發(fā)方案，硬件設(shè)備，配置軟件等等一系列完整的方案。

虹科

方案

虹科10G TSN交換機(jī)IP解決方案

虹科10G TSN以太網(wǎng)交換IP解決方案是一個(gè)完全可定制的以太網(wǎng)交換方案，其端口可多達(dá)32個(gè)，交換機(jī)的每個(gè)端口可以獨(dú)立配置，并具備大范圍的端口速度（10M到10G）。此外，該方案支持廣泛的接口類(lèi)型，如MII、RMII、RGMII、SGMII、XGMII、USXGMII，并完全支持TSN汽車(chē)profile，和其他profile。

圖10

圖10為10G TSN以太網(wǎng)交換機(jī)的內(nèi)部架構(gòu)，該架構(gòu)被分為三個(gè)主要部分：

(1)在圖的左邊，是入口數(shù)據(jù)包處理管道。根據(jù)交換機(jī)的定制，管道的每個(gè)stage都是專(zhuān)門(mén)用于應(yīng)用每個(gè)協(xié)議的入口數(shù)據(jù)包處理能力的。處理后的幀被存儲(chǔ)在一個(gè)共享的內(nèi)存緩沖器中，這個(gè)緩沖器實(shí)現(xiàn)了虛擬輸出隊(duì)列，來(lái)限制線頭阻塞的一個(gè)現(xiàn)象（the head of line）。

(2)在圖的中間，是交換機(jī)結(jié)構(gòu)。它是由一個(gè)非阻塞性的開(kāi)關(guān)矩陣組成。此外，還有共享表，它被交換機(jī)的所有端口用來(lái)處理一些支持的協(xié)議。

(3)在圖的右邊是出口數(shù)據(jù)包處理管道，它使用管道的一個(gè)stage對(duì)實(shí)現(xiàn)的每個(gè)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的出口處理。從交換機(jī)結(jié)構(gòu)收到的幀被存儲(chǔ)在一個(gè)共享內(nèi)存緩沖區(qū)，并由一個(gè)出口調(diào)度器控制，該調(diào)度器由TSN Qbv和Qav協(xié)議決定。

除Qav和Qbv外，其他TSN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)根據(jù)具體協(xié)議，在入口和出口處理管道之間劃分。此外，入庫(kù)和出口的端口接口實(shí)現(xiàn)了硬件時(shí)間戳功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。

圖11

上圖主要介紹了虹科10G TSN以太網(wǎng)交換機(jī)解決方案在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)使用案例。每個(gè)zonal TSN網(wǎng)關(guān)在其PL單元上實(shí)現(xiàn)的是虹科10G TSN以太網(wǎng)交換機(jī)解決方案。該交換機(jī)使用4個(gè)10G端口與其他zonal網(wǎng)關(guān)連接，并使用大量1G端口為汽車(chē)相應(yīng)區(qū)域的傳感器、攝像頭和執(zhí)行器提供連接。該交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)TSN汽車(chē)配置文件中定義的所有TSN協(xié)議。

虹科

方案

虹科TSN測(cè)試平臺(tái)

在實(shí)施之前，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的能力是開(kāi)發(fā)一個(gè)成功的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。虹科的測(cè)試平臺(tái)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供解決方案，在安裝和設(shè)備推廣給客戶之前，可以看到他們的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)在真實(shí)場(chǎng)景的表現(xiàn)。

圖12

因此，有必要定義一個(gè)測(cè)試計(jì)劃，考慮到在真實(shí)用例中可能遇到的不同情況。確定了測(cè)試計(jì)劃，就有必要實(shí)施一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)劃中定義的測(cè)試。但是必須代表將在真實(shí)環(huán)境中實(shí)施的系統(tǒng)。所以網(wǎng)絡(luò)中必須包括以下內(nèi)容：

設(shè)置中要使用的設(shè)備：TSN終端和交換機(jī)/橋接器（endpoint , switch , bridge）。應(yīng)該包含在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中可以找到的所有相關(guān)設(shè)備。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)備（盡力而為的流量），雖然TSN網(wǎng)絡(luò)也可以涉及傳統(tǒng)的以太網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)行盡力而為的通信，但最好是具有特定延遲/抖動(dòng)限制的關(guān)鍵流量應(yīng)基于具有TSN功能的終端設(shè)備。

在測(cè)試平臺(tái)中定義的TSN流。

數(shù)據(jù)流的路由。

但是，即使一個(gè)解決方案確實(shí)符合TSN標(biāo)準(zhǔn)，要證明這一點(diǎn)也不容易。它需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，能夠測(cè)量諸如時(shí)間感知整形器中的數(shù)據(jù)門(mén)控、同步精度、延遲、抖動(dòng)或可搶占的數(shù)據(jù)。這個(gè)測(cè)試過(guò)程的主要任務(wù)是確認(rèn)流量傳輸符合特定用例應(yīng)用的約束條件，或者傳輸?shù)难舆t低于一個(gè)固定值。因此，驗(yàn)證該技術(shù)的關(guān)鍵因素是一個(gè)能夠測(cè)量特定類(lèi)型流量的傳輸延遲的工具。比如說(shuō)虹科的RELY-TSN-LAB測(cè)試工具。

虹科

方案

虹科TSN配置工具

雖然大多數(shù)設(shè)備通常可以使用專(zhuān)有的解決方案，如網(wǎng)絡(luò)管理器、命令行、串行端口等進(jìn)行配置，但當(dāng)增加更多的流量、數(shù)據(jù)流和設(shè)備時(shí)，這種方法是不可擴(kuò)展的。就像配置冗余這樣的機(jī)制，意味著為每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成單獨(dú)的配置，比如說(shuō)其流識(shí)別機(jī)制、流處理程序、VLAN和恢復(fù)功能等等。當(dāng)規(guī)模超過(guò)幾個(gè)數(shù)據(jù)流時(shí)，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)設(shè)備比較少的話可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置工具進(jìn)行配置。但是當(dāng)TSN網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)設(shè)備的時(shí)候，使用配置軟件會(huì)比單獨(dú)配置更加高效。因此，推出了一款允許在確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ判枨髸r(shí)配置TSN設(shè)備并保證滿足約束條件的TSN配置軟件——RELY-TSN-Configurator，可以對(duì)不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬、建模和后期分析。

圖13

實(shí)現(xiàn)方式：

定義拓?fù)洹⒂布δ堋⒘髁恳螅诠ぞ咧袑?duì)我們的TSN設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并確定流量類(lèi)型的特征

選擇 TSN 機(jī)制：計(jì)算出最佳的TSN配置，并為我們的設(shè)備生成相應(yīng)可部署的配置

從我們的設(shè)備中導(dǎo)入這些配置