車載以太網PHY標準分布

2010年后，IEEE著手將以太網全面升級為TSN網，這個過程可能要用20年時間。TSN即Time-Sensitive Networking，時間敏感網絡，其應用范圍很廣，涵蓋6個領域，分別是：

1)、以太網音視頻橋即EAVB，802.1BA標準；

2)、5G射頻前傳FrontHaul，即802.1CM/de標準； 3)、工業自動化即IEC/IEEE 60802標準； 4)、車載TSN即802.1DG標準； 5)、服務供應商Service Provider即802.1DF標準；

6)、航天Aerospace Onboard即IEEEP802.1DP/SAE AS6675標準。

其中，后面4個都是未完成，標準前會加“P”，比如車載TSN標準目前是P802.1DG，預計2024年全部完成。與TSN關系最密切的是車載以太網交換機芯片，無一例外，全球任何一家車載以太網交換機芯片都支持TSN，也必須支持。以太網交換機芯片也是智能駕駛和智能座艙必用芯片，以奔馳S級為例，每輛車至少有5片以太網交換機芯片。

車載以太網OSI模型

圖片來源：Marvell

車載以太網標準分物理層PHY和鏈路層兩大類，TSN標準主要在第二層的鏈路層。車載以太網PHY標準主要是制定單對雙絞線標準，傳統以太網與車載以太網最大不同是傳統以太網需要2-4對線，車載以太網只需要一對，且是非屏蔽的，僅僅此一項，就可減少70%-80%的連接器成本，可減少30%的重量。這是車載以太網誕生的最主要原因，同時也是為了滿足車內的EMI電磁干擾。

車載以太網PHY標準分布

圖片來源：Marvell

車載以太網野心勃勃，10Base-T1S是試圖取代傳統CAN網絡的。10Base-T1S即IEEE802.3cg也就是OPEN Alliance的TC14，100Base-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000Base-T1 ECU測試標準即OPEN Alliance的TC8，1000Base-T1即IEEE 802.3bp也就是OPEN Alliance的TC12，2.5/5/10GBase-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance的TC15標準。超過10G帶寬的802.3cy標準也在制定中。

TSN工具一覽

圖片來源：互聯網

TSN本身并非是一項全新的技術。IEEE于2002年發布了IEEE 1588精確時鐘同步協議。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組，開始制定基于以太網架構的音頻/視頻傳輸協議集，用于解決數據在以太網中的實時性、低延時以及流量整形的標準，同時又確保與以太網的兼容性。AVB引起了汽車行業、工業領域的技術組織及企業的關注。IEEE成立了TSN工作組，進而開發了時鐘同步、流量調度、網絡配置系列標準集。在這個過程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金會等組織共同積極推進TSN技術的標準。工業領域的企業（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）著手為工業領域的嚴格時間任務制定整形器，成立了整形器工作組，并于2016年9月在維也納召開了第一次整形器工作組會議。而后，有更多的企業與組織（包括德國工業4.0組織LNI、美國工業互聯網組織IIC、中國的邊緣計算產業聯盟ECC、工業互聯網產業聯盟AII等）加入TSN技術的研究，并構建了多個測試床。2019年，IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組，并在日本召開了第一次工作組會議，以便工業領域的TSN開發可以實現底層的互操作。同時，在OPC UA基金會也成立了(Field Level Communication,FLC)工作組，將TSN技術與OPC UA規范融合，以提供適用于智能制造、工業互聯網領域的高帶寬、低延時、語義互操作的工業通信架構。

圖片來源：互聯網

與傳統以太網比，TSN最大特色即確定性服務。

TSN信號傳輸流程

圖片來源：互聯網

網絡存在濾波數據庫、傳輸端口狀態監測、隊列管理。這些都用于解決網絡資源分配與調度問題。而IEEE 802.1Qat所采用的流預留協議（Stream Reservation Protocol，SRP）機制是一個對TSN進行配置的標準。SRP在于讓網絡中的發言者（Talker）用合適的網絡資源將數據發送給聽者（Listener）,并在網絡中傳播這些信息。而在終端節點之間的網橋則維護一個發言者對一個或多個聽者注冊的相同數據流的路徑帶寬等資源的需求記錄。

TSN基本概念

圖片來源：互聯網

通過具體產品來了解一下TSN，與TSN關聯度最高的是車載以太網交換機，車載以太網交換機廠家可分為兩個梯隊，第一梯隊是美滿電子（Marvell）和博通，都有最高支持802.3ch的產品。博通略強，價格較高，Marvell價格略低。博通產品線太長，Marvell比較聚焦汽車和企業網絡領域，因此汽車市場Marvell市場占有率更高。第二梯隊包括Microchip、NXP和瑞昱。最高僅支持802.3cg，NXP提供整體解決方案，比較聚焦汽車領域，市場占有率比較高。瑞昱主打高性價比，大眾是其最大客戶。這5家基本上壟斷市場。

目前全球最先進的車載以太網交換機芯片是博通的BCM89586M，不僅支持最高10G的802.3ch，也支持最新的802.3cg。TSN方面支持IEEE 802.1AS 2020、IEEE802.1CB、IEEE 802.1Qbv和IEEE802.1Qci，是目前TSN支持度最高的芯片。IEEE802.1AS 2020和IEEE 802.1Qbv是TSN必備要素，任何車載以太網交換機都必須支持。

?IEEE 802.1AS 2020

所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題，TSN工作組開發基于IEEE1588的時鐘，并制定新的標準IEEE802.1AS-Rev。它用于實現高精度的時鐘同步。對于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時”，而是“最差狀態下的延時”—這如同“木桶理論”，系統的能力取決于最短的那塊板，即，對于確定性網絡而言，最差的延時才是系統的延時定義。

IEEE1588協議，又稱PTP（Precise Time Protocol，精確時間協議），可以達到亞微秒級別時間同步精度，于2002年發布version 1，2008年發布version2。其主要原理是通過一個同步信號周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網的分布式系統達到精確同步，IEEE?1588PTP時鐘同步技術也可以應用于任何組播網絡中。

圖片來源：互聯網

IEEE1588協議的同步原理，所提出的DelayRequest-Response Mechanism（延時響應機制）如上圖，IEEE1588把所涉及到的報文分為事件報文和通用報文，分類依據是：是否在收發報文時需要記錄精確時間戳，根據上文中所描述的幾種報文，可進行如下分類：

事件報文(eventmessage)<收發時候需要記錄精確時間戳>：sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用報文(generalmessage)<收發時候不需要幾率精確時間戳>：Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Signaling。Pdelay_Req/Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通過peer延遲機制測量兩個時鐘端口之間的鏈接延時，鏈接延時被用來更正Sync和Follow_Up報文中的時間信息。

IEEE802.1AS-Rev是為以太網第二層所定義的1588規范加以擴展，它的擴展包括了所有域常用peer延遲服務，支持精細時間測量FTM，對鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時間戳標準化處理以及針對長鏈、環的支持，更好的響應能力，這包括了更快的主站交互、降低BMCA收斂時間。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）。

IEEE802.1CB

TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標準。這也是無人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個系統達到功能安全的最高等級ASIL D級。同樣，與自適應AUTOSAR的捆綁程度也比較高。

圖片來源：互聯網

眾所周知，L4級無人駕駛需要一個冗余處理器，但是主處理系統和冗余處理系統之間的通訊機制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統間的冗余，芯片之間的冗余還是多采用PCIe交換機的多主機fail-operational機制，兩者有相似之處。

圖片來源：互聯網

對于非常重要的數據，802.1CB會多發送一個數據備份，這個備份會沿著最遠離主數據路徑交集的路徑傳輸。如果兩個數據都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接收到一幀數據，那么就進入后備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經定義了PRP和HSR兩種冗余，這種屬于全局冗余，成本較高，802.1CB只針對關鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標準的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以縮寫為FRER

圖片來源：互聯網

圖片來源：互聯網

FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。

圖片來源：互聯網

802.1CB也有簡單的失效原因分析機制。

IEEE 802.1Qbv

圖片來源：互聯網

通過時間感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網幀被標識并指派給基于優先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數據隊列報文的在預定時間窗口在出口執行傳輸。其它隊列將被鎖定在規定時間窗口里。因此消除了周期性數據被非周期性數據所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的、可知的，而在TSN網絡的數據報文延時得到保障。TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關”兩個狀態。傳輸的選擇過程-僅選擇那些數據隊列的門是“開”狀態的信息。而這些門的狀態由網絡時間進度表network schedule進行定義。對沒有進入network schedule的隊列流量關閉，這樣就能保障那些對傳輸時間要求嚴格的隊列的帶寬和延遲時間。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網絡信息的干擾，但它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優先級非常高時，搶占機制可以被使用。

圖片來源：互聯網

在網絡進行配置時隊列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、BestEffort Traffic三種，對于Schedule而言則直接按照原定的時間規劃通過，其它則按優先級，Best Effort通常排在最后。Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時數據的傳輸，以及其它非實時數據的交換。

圖片來源：互聯網

對于特別重要的數據，TSN規定了一個搶占機制，它由802.1Qbu/802.3br共同構成。對于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進行的傳輸可以被中斷，報文按等級可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網幀受到保護的，127字節的數據幀（或剩余幀）不能被搶占。IEEE802.1br定義了，設計了快速幀的MAC數據通道，可以搶占PreemptableMAC的數據傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進行增強型的數據轉發。

802.1Qci

IEEE802.1 Qci全稱Per-StreamFiltering and Policing（以下使用簡稱PSFP），即對每個數據流采取過濾和控制策略，以確保輸入流量符合規范，從而避免由故障或惡意攻擊（如Dos攻擊）引起的異常流量問題。

圖片來源：互聯網

PSFP由圖中Stream Filters、StreamGates和Flow Meters三個表配合完成：

Stream Filters，即流過濾器表，每個表項表示某個流對應的過濾器，與特定門控（Gate）和流量計（Meter）關聯；

Stream Gates，即流門控表，每個表項表示對某個流采取的門控措施（如，門控狀態為關表示禁止對應流量流入）；

Flow Meters，即流量計表，每個表項表示對某個流的流量統計，當該流量超過了限制帶寬則采取限流或阻斷的控制。對于未知來源的流量，PSFP通過設置門控關閉，阻止可疑流量流入；對于已知來源的異常流量，這里的異常表現不限于帶寬（帶寬超出預留帶寬），還包括如：最大服務數據單元（SDU）長度超出要求等，PSFP可以選擇阻斷或限流；

TSN標準能夠推廣關鍵在于上游廠家的鼎力支持，任何人想另起爐灶都絕不可能，五大車載以太網交換機廠家是無法繞開的，要想推廣標準，芯片廠家是決定性因素。

審核編輯 ：李倩