
车载以太网介绍连载——汽车以太网协议-TSN介绍
本文是第四篇,介绍一下汽车以太网协议TSN。
TSN的改进
AVB一代的标准框架完善后,IEEE802.1中的QoS规范包含了包括AV在内更多类型的数据,也包含了更加严苛是要求。2012年11月,AVB第二代更名为TSN,时间敏感网络。
TSN可以支持更多的应用场景和更多的数据类型。IEEE1722 2016的规范版本包括了更多的数据格式,还支持CAN,LIN,FlexRay,MOST总线的加密帧格式。
TSN对延时要求也更高,在AVB一代中延时目标是7hops之内不超过2ms。而TSN的目标是控制5hops之内最大延时不超过100us.
下面介绍下这几个规范。
802.1Qbv 调度流量(Scheduled Traffic)
为了减少延时,TSN增加了802.1Qbv时间调度流量。和802.1Qbu抢占帧。
流量调度是TSN中的一个核心概念。802.1Qbv在参与的网络设备之间创建和分发一个时间计划表。802.1Qbv定义了控制TSN交换机出口处发送队列的阀门开关的机制。计划流量所在队列在预定的时间窗口到达后会被放行传输,而在同个时间窗口中其他非计划流量的队列会被阻止传输,因此排除了计划流量被非计划流量阻塞的可能性。
这意味着通过每个交换机的延迟是确定的,通过TSN网络的消息延迟可以得到保证。就好比交换机出口队列的阀门好比十字路口的红绿灯,当有计划好的关键消息需要传输时,关键消息所在的队列绿灯放行,而其他非关键消息的队列则红灯暂停传输。
802.1Qbu 抢占帧(Frame Preemption)
虽然流量调度机制保护关键消息不受其他网络流量的干扰,但它并不一定导致最佳带宽使用或最小的通信延迟。当这些因素很重要时,可以使用802.1Qbu中定义的抢占机制。抢占帧允许中断标准以太网或巨型帧的传输,以便允许高优先级帧的传输,然后在不丢弃之前传输的中断消息片段的情况下恢复传输。
如图所示,绿色帧为关键消息,橙色帧为非关键消息,橙色帧先到达并开始传输。在可抢占式的MAC中,当绿色帧到达时,允许中断橙色帧的传输,先传输绿色帧,完成后再继续橙色帧的传输,从而使得关键消息更早完成传输。
IEEE802.1Qca 冗余网络的路径控制和保留(Path Control and Reservation)
为了保证传输的可靠性IEEE802.1Qca规范了一个网络拓扑必须设计有替代路径,并且可以获得路径的核心信息和状态。
IEEE802.1CB 无缝冗余(Frame Replication and Elimination for Reliability)
IEEE802.1CB支持无缝冗余,为了提高可用性,相同消息的冗余副本通过不相交的路径并行在网络中传输。冗余管理机制将这些来自不同链路的冗余消息聚合在一起,去除重复消息后生成发送给接收方的单个信息流。
如图,同样的消息在上下两条链路中传输,即使其中一条链路中某个节点出现故障,消息仍能从另外的链路被投递到目的节点。由于802.1CB工作在数据链路层,帧复制和重复帧消除的操作对应用层透明。
802.1Qcc Central Configuration Method
新修订的IEEE802.1AS,还规定Grandmaster时钟可以在备选路由上传输副本,可能存在多个冗余的master。当已有的Grandmaster时钟不存在了,便可以迅速切换。
TSN通过为预留和配置降低管理流量的形式来提供更好的可扩展性,增强型的SRP流预留,在IEEE802.1Qcc进行了阐述。
它们与现有机制兼容,并提供:
●支持更多流。当前的最坏情况限制是少于500个流;这三个用例需要比这大两个数量级。
●允许配置流保留类(SR类)参数的机制-流保留协议中包含支持附加应用程序的其他参数和机制,例如更高的可靠性,延迟要求以及由于网络重新配置而引起的延迟更改。
●支持更高层的流会话,例如基于实时协议(RTP)的会话。-确定性流预留收敛。
●用于路由和预订的用户网络接口(UNI)
802.1Qci Per-stream Filtering and Policing
为了防止流量过载影响网络中的接收节点,802.1Qci可以在交换机入口处根据到达时间,速率和带宽等信息过滤掉部分数据帧,避免错误的或恶意的节点破坏整个网络,将故障隔离在网络中的特定区域。
802.1Qci专门对付DDoS这样的网络攻击,假如一个数据流流量突然增大,有可能挤压另一个数据流的带宽时,入口管理政策会将数据流整形,强制回到数据流爆发前的状态。
TSN标准里最核心的时间触发机制和无缝冗余理念都来自Flexray,但Flexray传输速率最高仅20Mbps,远远不能满足完全无人驾驶的要求,但对于L2级自动驾驶则绰绰有余。Flexray可以看做轻量级的TSN。
目前TSN并未全部完成,由于芯片的开发周期通常都要3-4年,目前只要支持TSN标准中最核心的Q802.1AS即可算支持TSN标准。
目前主要有三款车载TSN交换机芯片,一片是Marvell的88Q5050,用在英伟达自动驾驶旗舰Pegasus上,另一片是NXP的SJA1105TEL。88Q5050支持802.1Qav/Qbv,802.1AS。SJA1105TEL还支持802.1Qci。还有博通的BCM53162,和SJA1105TEL一样,除了支持持802.1Qav/Qbv,802.1AS,还支持802.1Qci 。支持TSN全部关键协议的芯片预计要等到2022年。
文章转载自公众号:智车Robot
