【技术】一文读懂车载TSN以太网

背景

随着汽车智能化、网联化的不断发展，传统的以太网已经无法满足当前车载网络海量信息处理的需求，主要体现在数据的实时性、确定性传输方面。TSN（Time Sensitive Networking）协议在时间同步、服务质量和可靠性方面具有明显优势，在汽车网络上的应用也越来越广泛。

基本概念

01 IEEE 802

IEEE 802是1980年2月成立的专门研究局域网（LAN）和城域网（MAN）的标准委员会，它定义的服务和协议限定在OSI模型的最低两层（即物理层和数据链路层）。IEEE 802包括多个工作组，和汽车网络相关的最重要的两个工作组是IEEE 802.1和IEEE 802.3。

IEEE 802.1工作组主要研究LAN/MAN的体系结构，包括网络互联、网络管理、服务质量（QoS）、桥接（Bridging）和安全等。IEEE 802.1下辖多个任务组，TSN就是其中最重要的一个任务组。桥接是一个功能单元，负责连接IEEE 802网络，实现网络之间的数据转发和过滤，它和VLAN（虚拟局域网）同属于802.1Q任务组，是汽车以太网的重要组成部分。

IEEE 802.3规定了以太网MAC层协议及物理层的连线、电信号和技术规范。

02 以太网帧结构

以太网帧包括以太网MAC帧和8字节前导符帧头，其结构如下图所示：

可以计算出MAC帧长的范围是64字节~1518字节。在以太网帧的源MAC地址和类型之间插入4字节的VLAN Tag，就变成了VLAN帧，其结构由上图可知：

TPID(Tag Protocol ID)的值固定为0x8100，标识TSN网络；协议控制TCI：3bit PCP(Priority Code Point）标识流量优先级，1bit丢弃标识位，12bit VLAN_ID是VLAN网络的识别号。

TSN是符合IEEE802.1Q标准的VLAN，通过VLAN Tag中的PCP和VID定义数据流的不同优先级。VLAN是扩展的以太网帧，TSN的大部分标准和协议都是基于VLAN标签来实现的。

TSN定义

01 TSN由来

最初的以太网没有考虑信息的实时传输问题，也无法提供节点同步、定时、确定延迟和带宽分配等服务。最早对时间敏感提出需求的是在音视频业务上的应用，这就是AVB(Audio Video Bridging)技术的起源。2005年起，IEEE 802.1任务组开始研究AVB；2009年8月，成立了Avnu联盟，专门推动AVB的市场化和产品间的互操作性。

随着AVB技术的发展，它不再局限于专业影音领域，慢慢地开始涵盖汽车和工业领域。所以在2012年11月，AVB正式更名为TSN(Time Sensitive Networking)。

TSN协议是在IEEE 802.1标准框架下，基于特定需求制定的一组标准，旨在提供实时性和确定性服务，如有限延迟（Bounded low latency），低延迟变动（Low delay variation）和低丢包率（Low packet loss）。

02 TSN协议栈

TSN协议包括四个基本组件（components）: 时间同步、有限延迟、高可靠性和资源管理。如下图所示：

时间同步协议主要包括IEEE 802.1AS和802.1AS-Rev。

有限延迟协议主要包括IEEE 802.1Qav（Credit Based Shaper）、802.1Qbv（Time Aware Shaper）、802.1Qch（Cyclic Queuing & Forwarding）、802.1Qbu & 802.3br（Frame Preemption）。

高可靠性主要是通过冗余和流量监管实现。冗余又包括数据冗余（802.1CB）、主时钟冗余和路径冗余（802.1AS-Rev）。流量监管协议是802.1Qci（Per-Stream Filtering and Policing）。

资源管理包括流预留协议（802.1Qat），TSN配置协议（802.1Qcc）等，主要针对动态网络，适用于灵活组网的应用环境。汽车网络相对比较稳定，所以一般没有相关协议需求。

03 TSN应用领域

TSN Profiles即TSN标准协议的使用规范，描述如何在特定应用下搭建TSN网络，并提供配置指导。主要包括以下几个领域：

其中协议名称前的P表明该协议规范还在进行中。

TSN主要标准介绍

01 IEEE 802.1AS

IEEE 802.1AS (Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications)即generalized Precision Time Protocol(gPTP)，该时间同步协议由IEEE 1588-2008(PTPv2)发展而来，用于同步节点之间的时间。802.1AS和1588的主要区别是：802.1AS只采用802 MAC协议数据单元和地址进行通信，而1588可以支持二层到四层的通信方式。

802.1AS的时间同步主要是通过发送和接收相关报文实现的，报文主要包括5种：Sync、Pdelay_Req、Pdelay_Resp、Follow_UP、Pdelay_Resp_Follow_UP。基本原理如下：

1）首先通过手动配置或者BMCA算法确定GrandMaster时钟；

2）GrandMaster时钟周期性发送Sync和Follow_Up报文，从而为各从节点本地时钟提供主时钟基准。如下图所示：

要实现从节点时钟与GrandMaster时钟的同步，还需考虑三个方面的因素：

1）时钟频率误差，是指从节点时钟与GrandMaster时钟的频率很可能是不同的，采用累积计算相邻节点时钟频率比值（NeighborRateRatio）的方法，将本地时基（Timebase）换算成GrandMaster时基。例如，GM时钟频率为1MHz，相邻从节点A的时钟频率为1.2MHz，那么对于A节点来说NeighborRateRatio就等于1.2。

2）链路延迟，是指两个节点间的通信链路单方向传输所需时间。采用P2P (Peer-to-Peer)测量机制，测定4个精确时间戳，计算链路延迟（MeanLinkDelay）。如下图所示，MeanLinkDelay = [(T2-T1)+(T4-T3)]/2。如下图所示：

3）驻留时间，是指报文从端口进来到出去所用的时间，消除办法是在转发出的Follow_Up报文中的correctionField里面记录这个时间，在其他节点收到该报文时，就可以计算出准确的时间偏移。

802.1AS的修订及增强版本P802.1AS-Rev(Enhanced gPTP)，主要增加了GrandMaster时钟冗余和路径冗余，以及引入“一步法”（即“on the fly”）来加速TSN网络中的时间同步。

802.1AS能为汽车领域实现精确时间的测量，从而实现时间同步。在使用100ppm晶振时，可以保证7跳内的网络节点时间同步精度为1μs。

02 IEEE 802.1Qav

IEEE 802.1Qav 即 Forwarding and Queuing of Time Sensitive Streams

目的：保证普通的数据流不会干扰实时数据流的传输。

原理：首先通过VLAN tag 标签，将时间敏感流和普通流（best effort）分为不同队列，然后选择不同的算法，包括CBS(Credit Based Shaper)算法和严格优先级（Strict priority）算法。

CBS算法按照以下原则，进行数据传输：

1）当CBS队列的Credit≥0时，才可以发送帧；

2）通过配置idleSlope和sendSlope来累积和减少信用（Credit），即CBS队列传输帧时，Credit以sendSlope的速率减小。若信用为负数，且队列没有正在排队传输的帧，则根据idleSlope的值累积信用直至信用值达到0。如果队列信用为正数，但没有要发送的帧时，则将信用值设置为0。

3）idleSlope＋sendSlope等于端口的带宽，单位是bps。假设一个百兆端口，idleSlope设置为30M，那么这30M带宽就属于该CBS队列，无法被其他队列打断。当该队列idle时可以被其他队列使用。

如下图所示：

为使CBS算法达到预期效果，基于CBS算法的流量类别的数值应高于基于严格优先级传输的流量类别。

03 IEEE 802.1Qbv

802.1Qbv 即 Time Aware Shaper

目的：基于时间同步，实现流量的调度和整形。

原理：在每个队列（queue）的后面添加一个门（gate），每个端口通过门控列表（gate control list）控制各门的开关，从而实现关键数据的定时发送。

802.1Qbv通过TAS为优先级较高的时间敏感型关键数据分配特定的时间槽，并且在规定的时间节点，网络中所有节点都必须优先确保重要数据帧的通过。

门控列表在交换机里进行配置，包括两部分内容：门的开关和间隔时间。汽车中的控制数据，可以通过这个门控队列来实现周期性的发送。此外，通过门控列表的开或关来控制数据的发或不发，可以有效地降低延迟变动。队列设计非常复杂，主要是门控列表的配置。

TAS强烈依赖于时间同步，因为如果控制列表不同步，就无法保证数据按照预期配置进行发送。

04 IEEE 802.1Qch 

802.1Qch 即 Cyclic Queuing & Forwarding

目的：通过CQF流量整形方法，为时间敏感流提供确定的、易计算的延迟。

原理：数据流以周期方式沿网络路径依次传递；时间分成n个周期，每个周期持续时间相等（d），报文在路径上每经过一跳，所在传递周期依次递增。

当帧穿过网络时，引入的延迟完全由循环时间和跳数来确定，且不受拓扑结构和其他非时间敏感流的影响。所以最大延迟为(hop+1)*d，最小延迟为 (hop-1)*d。

时间敏感帧的处理：支持CQF模型的交换机只要在输出端口为时间敏感帧设置两个由时间门控制的队列Q0和Q1：

1）偶数时间槽，队列Q0保存输入端口接收的帧（接收模式，不发送帧），同时队列Q1发送在上一个奇数时间槽缓存的数据帧（发送模式，不接收帧）；

2）奇数时间槽，两个队列的操作正好相反。

如下图所示：

CQF无法独立使用，可基于802.1Qci(PSFP)或802.1Qbv(TAS)来实现。

05 IEEE 802.1Qbu & 802.3br

802.1Qbu & 802.3br 即 Frame Preemption

目的：实现快速（Express）帧对可被抢占（Preemptable）帧的抢占。

原理：通过802.3br在MAC层实现express帧和preemptable帧交替传输的机制和帧格式。802.1Qbu利用802.3br，实现帧抢占机制。

802.3br通过 MAC 合并子层将eMAC和pMAC附加到协调子层，eMAC携带express traffic，pMAC携带preemptable traffic。链路两端需要同时支持802.3br才能打开帧抢占功能。如下图所示：

express帧中断preemptable帧的传输，需要满足以下条件：1）preemptable帧已经至少发送60字节；2）至少还有64（包括CRC）字节未发送。所以最小的不能被打断的preemptable帧是60+64-1=123字节。

Preemptable帧的恢复方法：802.3br通过改变8字节的前导符来实现帧的重组和还原。8字节前导符包括7字节Preamble 和1字节SFD（或SMD-Sx等），Express帧跟普通的以太网帧是一样的，SFD/SMD-E为0xd5，Preemptable帧与普通的以太网帧会有所区别，在Preamble后面，带的是SMD-Sx（Start）, SMD-Cx（Continuation），mCRC是non-final fragment，表明该帧已被抢占。如下图所示：

802.1Qbu在交换机中创建一张表，用于建立不同帧的优先级和帧抢占的映射关系，从而将数据帧分为可被抢占帧（Preemptable Frame）和快速帧（Express Frame），快速帧可以对未传输完成的可被抢占帧进行抢占发送，以减少传输延迟。如下图所示：

06 IEEE 802.1CB

802.1CB即FRER:Frame Replication and Elimination for Reliability

目的：对关键性数据进行冗余传输，保证数据的可靠性。

原理：发送端发送数据时，FRER功能将数据包复制，沿不同路径传输；接收端接收数据时，FRER功能删除复制的数据包，只保留一个数据包。如下图所示：

终端节点（Talker或Listener）不强制要求支持FRER功能，可通过网桥来实现FRER功能，此时网桥称为Talker或Listener的代理。

07 IEEE 802.1Qci

802.1Qci即PSFP:Per-Stream Filtering and Policing

目的：PSFP通过流的过滤和监管，杜绝流量泛洪，避免恶意节点对网络的攻击。

原理：PSFP分为3个层级/功能

1）通过Filter识别和过滤数据流，依据Stream ID和Priority选择不同的过滤器，Stream ID通过802.1CB的一个功能来识别；

2）802.1Qci中也有Stream gate，与802.1Qbv中的gate区别是放在了队列前边，而802.1Qbv中的gate放在队列后面，同样都是基于门的开关来控制数据流量。对通过gate的帧赋予内部优先级值IPV(Internal priority value，取代原来的Priority)，以确定traffic class；

3）对进入到Meter的数据进行流量监管，例如设置流量上限，超过上限就丢弃数据。监管算法不包含在802.1Q中，详见MEF10.3。

    如下图所示：

TSN小结

TSN是由一系列相互独立的标准组成的，就像一个工具箱，需要网络设计者根据自身需求和协议特点灵活选择。

各标准既有独立性，又彼此关联，只有对各协议的基本原理深入理解，才可以最大限度地挖掘其功能和性能潜力。下图是TSN协议的一个汇总：