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快速了解时间敏感网络(TSN)_Part1

        在过去 的几年间,以太网凭借开放 的协议、良好 的扩展性以及较高 的带宽等优势为自己在车载领域赢得了一席之地。随着车载应用范围 的扩大,也有越来越多 的以太网技术涌现出来。
 
        今天大家就来聊一聊时间敏感网络(TSN),让大家快速了解这一技术。话不多说,大家坐稳扶好,大家这就开始啦~
 

TSN是什么?它能给大家提供什么?

        TSN 的全称是Time Sensitive Network即:时间敏感网络(TSN)。大家通过这个名字就大致可以看出其和网络上 的时间,更准确 的说是传输 的延时有关。 的确,服务时间敏感应用及系统,保证数据在准确 的时间内以最小 的时间抖动进行传输,是TSN 的重要目 的之一。
 
        随着EE架构 的升级,未来架构会向着Domain和Zonal型架构发展,除了影音娱乐域之外,以太网也会被应用到诸如车身域,底盘域,ADAS以及主干网上。更为复杂 的应用场景,更多 的数据类型将给大家 的车载网络提出了更高 的要求。
 
图1 Zonal架构举例
 
        以图1 的Zonal架构示意为例,系统在处理传感器数据,发布控制指令等过程中,对于网络提出了很多需求,诸如:
 
•  低延迟需求:
系统中涉及 的一些安全相关类数据,有低延迟和高确定性 的需求。
 
•  高鲁棒性需求:
安全相关类数据对于丢帧或者误传 的容忍度很低。系统中对此类数据,通过复制发送和多通路发送来实现冗余处理,以提高系统 的安全等级。
 
•  时间同步需求:
流媒体 的同步播放,传感器 的数据融合,精准控制指令 的发布都需要 的诮诘 的时钟同步来保证。
 
•  监控及安全需求:
TBOX 的外来数据监控过滤,及 的诠丶诘闶菁嗫毓恕
 
表1车载通信数据分类
 
        同时,根据IEEE 的数据,未来车载数据可大致按照表1分类。大家在表中除了可以发现图1提出 的需求之外,还可以看到安全相关类数据 的延迟需求为小于1ms,而第一代时间敏感网络AVB无法满足这样 的延迟需求(目前AVB仅能实现2ms 的延时保证,而且AVB并不关注数据 的确定性)。
 
        因此为了满足日益增加 的网络需求,TSN协议提供了对应 的解决办法:
•  高等级 的时钟同步 (Time-Sync)
•  更低 的端对端延迟及确定性(Quality of Service)
•  高容错性及高系统鲁棒性(Redundancy)
•  安全机制(Security)
 
        图2列举了不同功能下 的各个TSN协议。其中,绿色勾选出来 的协议是目前在车载方向应用意义较大 的协议。大家会在后面 的文章中详细地先容各个协议 的机制。
 
图2 车载TSN协议族
 
        以上用一句话总结:TSN是以太网在车载领域获得更广泛应用 的关键。
 

车载TSN 的应用情况

        TSN本身 的技术成熟度不低,虽然TSN协议在车载领域是一个新 的技术,但在工业自动化领域中TSN已经被广泛 的应用。目前欧洲 的一些大型OEM已经开始应用TSN技术,其中以自动驾驶和辅助驾驶及域间通信等功能为主。预计2022-2023年,将会有整车应用TSN 的车型量产。
 
        芯片厂商目前也对TSN协议族有着良好 的支撑情况,特别是今明两年量产 的下一代产品,例如NXP 的SJA1110和Marvell 的88Q6113等,都将普遍支撑TSN协议。
 

TSN协议先容

        通过上面 的先容,大家已经对TSN是什么有了一个初步 的认识。下面大家更进一步,通过协议 的机制先容来了解一下TSN是如何运作 的。
 
        总体来看,TSN协议族主体是一个二层 的协议,属于IEEE 802.1 协议体系(这里除了帧抢占 的部分协议802.3bu以外)。因此其Payload形式可以更加灵活,不仅仅局限于IP数据帧,还可传输自定义 的数据帧。同时其机制大部分通过硬件来实现,处理 的延迟基本可以忽略不计。
 

IEEE 802.1AS-Rev 时钟同步机制

        时钟同步机制通过节点间同步报文 的发送,链路延迟 的计算,时滞延迟 的叠加最终实现各个节点与主时钟(Grandmaster) 的时钟同步。主时钟会通过报文将自己 的原始基准时间(now)告知系统中 的其它节点。从主时钟发布时间基准到被其他节点收到,会经历一段时间(t)。以图3为例,主时钟与左下角 的终端节点进行同步,主时钟从发布基准时间到被终端节点收到所经历 的时间t包含:2段链路延迟(d1, d2)以及一个switch 的时滞延迟(r1)。当终端节点收到基准时间 的时候其实已经是T=now+d1+d2+r1,那么只要终端节点能够清晰 的知道d1, d2和r1(通过同步报文交互实现 的,这里就不做详细先容了,大家有兴趣可以阅读IEEE 802.1AS相关章节)并在收到时间基准 的时候把自己 的时钟设置成T,就完成了与主时钟 的同步。同理,其余被同步节点 的时钟计算也是一样 的,只是同步链路上 的时间t会有所不同。
 
图3 时钟同步应用示意
 
        整个同步 的过程基本沿用了IEEE 802.1AS中 的机制。但是IEEE 802.1AS-Rev 在原有 的同步机制上扩充了冗余机制。以图4为例冗余包括:
 
•  主时钟冗余:
        现行主时钟(左上角)和热备份主时钟(右下角)实时同步,实时运行。一旦主时钟发生问题,控制器可切换到与备份主时钟同步。
 
•  时钟通路冗余:
        每个主时钟维护两条时钟通路(深浅颜色区分),一条发生故障后,可切换至另一条通路。
 
        因此图4中 的同步网络总共维护了4个时钟域,相比IEEE 802.1AS车载中中仅维护一个时钟域 的设计,Rev极大 的提高了系统 的可靠性。
 
        除此之外,相较IEEE802.1AS,Rev还引入了1588中 的one-step 的同步机制。相较two-step 的机制在一定程度上较小了App 的压力。但目前来看,车载中 的必要性不是很强,Rev也可继续沿用two-step 的同步机制。
 
图4 IEEE 802.1AS –Rev 冗余时钟机制 (图片来自IEEE 802.1AS-Rev)
 
        进度条已然撑不住了,关于TSN 的先容今天就先告一段落吧,希翼今天 的内容能对大家有所帮助。下一期大家将会先容上面提到 的其余TSN协议。欲知TSN如何降低延迟,如何完成冗余处理,大家下回分解~
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