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