眾所周知，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡(luò)中任何設(shè)備都可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間上既不精準(zhǔn)也不確定；同時(shí)，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，也會(huì)因網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而導(dǎo)致通訊的延遲甚至癱瘓。因此，通用以太網(wǎng)技術(shù)僅僅是解決了許多設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)連接的問(wèn)題，但卻并沒(méi)有很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間實(shí)時(shí)、確定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

最初，以奔馳為首的德國(guó)公司在2000年發(fā)明了Flexray總線來(lái)解決問(wèn)題，今天TSN標(biāo)準(zhǔn)里最核心的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制和無(wú)縫冗余理念都來(lái)自Flexray，但Flexray傳輸速率最高僅20Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足完全無(wú)人駕駛的要求，但對(duì)于L2級(jí)自動(dòng)駕駛則綽綽有余，這也是奔馳和寶馬對(duì)TSN不太感冒的原因之一，F(xiàn)lexray可以看做輕量級(jí)的TSN。

2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯?wèn)題。這一點(diǎn)立刻受到來(lái)自汽車(chē)和工業(yè)等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時(shí)將任務(wù)組名稱(chēng)改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。

TSN其實(shí)指的是在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標(biāo)準(zhǔn)”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時(shí)間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性。同時(shí)利用數(shù)據(jù)整形，確保延遲達(dá)到微秒級(jí)（一般每橋不超過(guò)250微秒），利用FrameReplication and Elimination幀復(fù)制和消除，確保無(wú)論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯(cuò)誤，均能強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)可靠的通訊。此選項(xiàng)確保關(guān)鍵流量的復(fù)本在網(wǎng)絡(luò)中能以不相交集的路徑進(jìn)行傳送，只保留首先到達(dá)目的地的任何封包，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫冗余，達(dá)到超高的可靠性，這對(duì)無(wú)人駕駛尤其重要。

同時(shí)還有靈活的資源管理。TSN就僅僅是關(guān)于以太網(wǎng)通訊協(xié)議模型中的第二層，也就是數(shù)據(jù)鏈路層（更確切的說(shuō)是MAC層）的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。請(qǐng)注意，是一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而不是一種協(xié)議，就是說(shuō)TSN將會(huì)為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供一套通用的時(shí)間敏感機(jī)制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時(shí)間確定性的同時(shí)，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能性。

狀態(tài)分4種，分別是已公開(kāi)、工作組（WG）、任務(wù)組（TG）和倡議（Sponsor）。有關(guān)汽車(chē)工業(yè)的除P802.1DG外，都已公開(kāi)。不過(guò)這并不妨礙TSN在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。只要有TSN的核心組件即可投入使用，TSN有4個(gè)核心組件，分別是時(shí)間同步、低延遲、超高可靠性和特定資源管理。

車(chē)載TSN的6大核心標(biāo)準(zhǔn)

01

時(shí)間同步

所有通信問(wèn)題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問(wèn)題，TSN工作組開(kāi)發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。它用于實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步。對(duì)于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時(shí)”，而是“最差狀態(tài)下的延時(shí)”—這如同“木桶理論”，系統(tǒng)的能力取決于最短的那塊板，即，對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)而言，最差的延時(shí)才是系統(tǒng)的延時(shí)定義。

IEEE1588 協(xié)議，又稱(chēng) PTP（ precise time protocol，精確時(shí)間協(xié)議），可以達(dá)到亞微秒級(jí)別時(shí)間同步精度，于 2002 年發(fā)布 version 1，2008 年發(fā)布 version 2。它的主要原理是通過(guò)一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE?1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。

IEEE1588 協(xié)議的同步原理，所提出的Delay Request-Response Mechanism（延時(shí)響應(yīng)機(jī)制）如上圖，IEEE1588 把所涉及到的報(bào)文分為 事件報(bào)文 和 通用報(bào)文，分類(lèi)依據(jù)是：是否在收發(fā)報(bào)文時(shí)需要記錄精確時(shí)間戳，根據(jù)上文中所描述的幾種報(bào)文，可以進(jìn)行如下分類(lèi)：

事件報(bào)文（event message） ： sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用報(bào)文(general message) ：Announce/Follow_up/Delay_resp /Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Siganling。Pdelay_Req /Pdelay_Resp/ Pdelay_Resp_Follow_Up通過(guò)peer延遲機(jī)制測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘端口之間的鏈接延時(shí)，鏈接延時(shí)被用來(lái)更正Sync和Follow_Up報(bào)文中的時(shí)間信息。

IEEE802.1AS-Rev是為以太網(wǎng)第二層所定義的1588規(guī)范加以擴(kuò)展，它的擴(kuò)展包括了所有域常用peer延遲服務(wù)，支持精細(xì)時(shí)間測(cè)量FTM，對(duì)鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時(shí)間戳標(biāo)準(zhǔn)化處理以及針對(duì)長(zhǎng)鏈、環(huán)的支持，更好的響應(yīng)能力，這包括了更快的主站交互、降低BMCA收斂時(shí)間。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息傳輸以及冗余支持能力（可配置冗余路徑和冗余主站）。對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)間測(cè)量提供更好的支持。IEEE802.1AS-Rev的制定得到了AVNU聯(lián)盟的大力支持。

AVNU聯(lián)盟由英特爾、思科和三星哈曼發(fā)起，是EAVB協(xié)議的主要提供者，AVNU聯(lián)盟為IEEE802.1AS-Rev的實(shí)施提供協(xié)助，能夠提供完整的協(xié)議棧和測(cè)試認(rèn)證，國(guó)內(nèi)加入AVNU的有恒潤(rùn)科技、中國(guó)信通院、德賽西威、赫千科技、東信創(chuàng)智、懌星科技。

同時(shí)在新出的自適應(yīng)Autosar也對(duì)IEEE802.1AS-Rev做了特別支持。也就是說(shuō)你要用TSN，恐怕是離不開(kāi)自適應(yīng)Autosar的。

02

低延遲

汽車(chē)控制數(shù)據(jù)可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。

ScheduledTraffic如底盤(pán)控制數(shù)據(jù)，沒(méi)有任何的妥協(xié)余地，必須按照嚴(yán)格的時(shí)間要求送達(dá)，有些是只需要盡力而為的如娛樂(lè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以靈活掌握。汽車(chē)行業(yè)一般要求底盤(pán)系統(tǒng)延遲不超過(guò)5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，這也是車(chē)載以太網(wǎng)與通用以太網(wǎng)最大不同之處，要求低延遲。

在TSN標(biāo)準(zhǔn)里，數(shù)據(jù)則被分為4級(jí)，最高的預(yù)計(jì)延遲時(shí)間僅為100微秒。

低延遲的核心標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1Qbv時(shí)間感知隊(duì)列。

通過(guò)時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交換機(jī)能夠來(lái)控制隊(duì)列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標(biāo)識(shí)并指派給基于優(yōu)先級(jí)的VLAN Tag，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊(duì)列將被鎖定在規(guī)定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)被得到保障。

TAS介紹了一個(gè)傳輸門(mén)概念，這個(gè)門(mén)有“開(kāi)”、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過(guò)程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門(mén)是“開(kāi)”狀態(tài)的信息。而這些門(mén)的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間進(jìn)度表network schedule進(jìn)行定義。對(duì)沒(méi)有進(jìn)入network schedule的隊(duì)列流量關(guān)閉，這樣就能保障那些對(duì)傳輸時(shí)間要求嚴(yán)格的隊(duì)列的帶寬和延遲時(shí)間。TAS保障時(shí)間要求嚴(yán)苛的隊(duì)列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來(lái)最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當(dāng)優(yōu)先級(jí)非常高時(shí)，搶占機(jī)制可以被使用。

在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對(duì)于Schedule Traffic而言則直接按照原定的時(shí)間規(guī)劃通過(guò)，其它則按優(yōu)先級(jí)，Best-effort Traffic通常排在最后。Qbv主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。Qbv確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。

對(duì)于特別重要的數(shù)據(jù)，TSN規(guī)定了一個(gè)搶占機(jī)制，它由802.1Qbu/802.3br共同構(gòu)成。對(duì)于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷，報(bào)文按等級(jí)可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護(hù)的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。IEEE802.1br定義了，設(shè)計(jì)了快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道，可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進(jìn)行增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

03

高可靠性

TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標(biāo)準(zhǔn)。這也是無(wú)人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到功能安全的最高等級(jí)ASIL D級(jí)。同樣，與自適應(yīng)AUTOSAR的捆綁程度也比較高。

眾所周知，L4級(jí)無(wú)人駕駛需要一個(gè)冗余處理器，但是主處理系統(tǒng)和冗余處理系統(tǒng)之間的通訊機(jī)制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統(tǒng)間的冗余，芯片之間的冗余還是多采用PCIE交換機(jī)的多主機(jī)fail-operational機(jī)制，兩者有相似之處。

對(duì)于非常重要的數(shù)據(jù)，802.1CB會(huì)多發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)備份，這個(gè)備份會(huì)沿著最遠(yuǎn)離主數(shù)據(jù)路徑交集的路徑傳輸。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接受到一幀數(shù)據(jù)，那么就進(jìn)入后備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經(jīng)定義了PRP和HSR兩種冗余，這種屬于全局冗余，成本較高，802.1CB只針對(duì)關(guān)鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標(biāo)準(zhǔn)的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以縮寫(xiě)為FRER。

FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。

802.1CB也有簡(jiǎn)單的失效原因分析機(jī)制

04

網(wǎng)絡(luò)資源管理和802.1Qci

TSN的網(wǎng)絡(luò)資源管理主要標(biāo)準(zhǔn)是802.1Qcc。這個(gè)與車(chē)載以太網(wǎng)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，主要用在專(zhuān)業(yè)音視頻網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。802.1Qcc用于實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置，以滿足設(shè)備節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)需求的各種變化；

802.1Qci保證無(wú)人車(chē)網(wǎng)絡(luò)安全的入口管理

802.1Qci主要為防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和流量過(guò)載設(shè)計(jì)，又稱(chēng)之為Ingress Policing，它對(duì)每個(gè)流量都進(jìn)行過(guò)濾和管理，簡(jiǎn)稱(chēng)PSFR，數(shù)據(jù)流濾波器包括數(shù)據(jù)ID、優(yōu)先權(quán)、濾波值、Meter(計(jì)量)ID、計(jì)數(shù)器。流程圖如下

802.1Qci專(zhuān)門(mén)對(duì)付DDoS這樣的網(wǎng)絡(luò)攻擊，假如一個(gè)數(shù)據(jù)流流量突然增大，有可能擠壓另一個(gè)數(shù)據(jù)流的帶寬時(shí)，入口管理政策會(huì)將數(shù)據(jù)流整形，強(qiáng)制回到數(shù)據(jù)流爆發(fā)前的狀態(tài)。

此外，802.1Qci還可以對(duì)付ARP欺騙攻擊，ARP（Address Resolution Protocol），是根據(jù)IP地址獲取物理地址的一個(gè)TCP/IP協(xié)議。主機(jī)發(fā)送信息時(shí)將包含目標(biāo)IP地址的ARP請(qǐng)求廣播到網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)，并接收返回消息，以此確定目標(biāo)的物理地址；收到返回消息后將該IP地址和物理地址存入本機(jī)ARP緩存中并保留一定時(shí)間，下次請(qǐng)求時(shí)直接查詢ARP緩存以節(jié)約資源。地址解析協(xié)議是建立在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)主機(jī)互相信任的基礎(chǔ)上的，網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)可以自主發(fā)送ARP應(yīng)答消息，其他主機(jī)收到應(yīng)答報(bào)文時(shí)不會(huì)檢測(cè)該報(bào)文的真實(shí)性就會(huì)將其記入本機(jī)ARP緩存；由此攻擊者就可以向某一主機(jī)發(fā)送偽ARP應(yīng)答報(bào)文，使其發(fā)送的信息無(wú)法到達(dá)預(yù)期的主機(jī)或到達(dá)錯(cuò)誤的主機(jī)，這就構(gòu)成了一個(gè)ARP欺騙。802.1Qci可以識(shí)別這種欺騙，并阻止錯(cuò)誤信息的發(fā)送。

05

車(chē)載TSN的具體應(yīng)用

TSN并未全部完成，由于芯片的開(kāi)發(fā)周期通常都要3-4年，目前只要支持TSN標(biāo)準(zhǔn)中最核心的Q802.1AS即可算支持TSN標(biāo)準(zhǔn)。

目前主要有三款車(chē)載TSN交換機(jī)芯片，一片是Marvell的88Q5050，用在英偉達(dá)自動(dòng)駕駛旗艦Pegasus上，另一片是NXP的SJA1105TEL。88Q5050支持802.1Qav/Qbv，802.1AS。SJA1105TEL還支持802.1Qci。還有博通的BCM53162，和SJA1105TEL一樣，除了支持持802.1Qav/Qbv，802.1AS，還支持802.1Qci 。支持TSN全部關(guān)鍵協(xié)議的芯片預(yù)計(jì)要等到2022年。

英偉達(dá)旗艦自動(dòng)駕駛平臺(tái)Pegasus

上圖為88Q5050的內(nèi)部框架圖，88Q5050擁有4個(gè)固定端口，4個(gè)可設(shè)置端口，最高支持千兆以太網(wǎng)，尺寸14mm*20mm。

上圖為 SJA1105TEL的內(nèi)部框架圖，只支持5口，價(jià)格最低，功耗最低，尺寸最小，只有12mm*12mm。用在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域可能不夠，需要使用多片SJA1105TEL。NXP針對(duì)無(wú)人駕駛推出的開(kāi)發(fā)平臺(tái)BlueBox就用了3片。

上圖為NXP BlueBox內(nèi)部框架圖

博通的BCM53162支持的帶寬最高，最高可達(dá)萬(wàn)比特以太網(wǎng)10GbE。

上圖為BCM53162內(nèi)部框架圖，接口最豐富。不過(guò)BCM53162的功耗也最高，價(jià)格也最高，尺寸也最大，為19mm*19mm，最高運(yùn)行工作溫度上限為85度，NXP和Marvell的都可以達(dá)105度。