改善以太網實時性的AVB/TSN解決方案

通過橋接網絡進行的面向數據包的通信已經確立起了的世界性標準。然而，原來的以太網不是確定性的，不適合實時應用。改善以太網實時性的一個解決方案是AVB/TSN。

以太網幀或IP包可以在不同的物理介質上透明地傳輸，因為以太網是與物理層解耦的。這意味著，通過不同網絡類型連接的設備可以毫無問題地相互通信，例如，在汽車中使用無線連接的移動電話和使用INICnet網絡（ISO21806）的控制單元（通過車輛的Telematic處理單元或網關）。IP數據包從發送方路由到接收方。

但傳輸時間、延遲、抖動和丟失的數據包怎么辦？最初的以太網不是確定性的，也就是說，無法控制設備何時和多少數據被允許發送，也無法控制數據包的傳輸路線。兩個設備之間的傳輸時間不斷變化，如果網絡過載，數據包就會丟失。這種行為與必須保證低延遲的關鍵應用是不相容的。

提供低延遲和確定性的專有總線和網絡技術只是一個有限的解決方案。所有市場的趨勢是走向標準化和開放的技術，不與特定的制造商相聯系。此外，標準技術既不需要特殊的專業知識，也不需要復雜和昂貴的網關。

圖1. AVB系統通?；诓煌瑯藴屎蛥f議的組合

?AVB解決方案?

各界對以太網的弱點已經研究了很多年。隨著時間的推移，已經開發了各種解決方案來改善以太網的實時性，其中之一是AVB/TSN。AVB（音視頻橋接）的話題是在2008年的一個IEEE工作組中開始的。當時，目標是改善以太網上時間關鍵的音頻和視頻數據的傳輸，通過以太網提供時間關鍵的音頻和視頻數據。AVB不僅包括IEEE 802.1BA標準，還包括以下標準（圖1）：

- 用于時間同步的IEEE 802.1AS

- 用于交換機中傳輸控制和幀的中間緩沖的IEEE 802.1Qav

- 用于音頻和視頻流的動態帶寬分配的IEEE 802.1Qat - IEEE 1722傳輸協議

- 用于動態配置支持AVB的網絡和設備的IEEE 1722.1

該標準已于2011年完成并發布。

它首先被用于各種多媒體應用，后來也被用于工業部門，特別是用于傳輸時間緊迫的命令或傳感器數據。隨著人們對非多媒體應用的AVB興趣的增加，在IEEE成立了時間敏感網絡（TSN）工作組。TSN繼承了AVB的標準，并在專業音視頻、工業、汽車和航空航天等領域涉及更廣泛的應用。

在汽車領域，最初的AVB標準至今仍在使用，但在某些情況下，TSN的修訂版本已經在使用。本文主要涉及AVB標準，它相當于TSN。 ?

用gPTP進行時間同步?

通用精確時間協議（gPTP - IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統的共同基礎。其目的類似于計算機行業的網絡時間協議（NTP）。NTP確保計算機時鐘與一個參考時鐘同步，精度為毫秒。這樣的精度對于計算機和服務器來說是絕對夠用的，但對于同步或時間緊迫的應用來說就太不準確了。gPTP在以太網設備中提供了更精確的時間基礎，通常在微秒范圍內，最好甚至是納秒。



圖2. 在時間同步過程中，gPTP基準和gPTP客戶端之間的流程

gPTP基本上由兩個機制組成：參考時間的分配和傳輸時間的計算（圖2）。時間從一個或多個時間參考節點（根據IEEE標準的gPTP主節點）分配給一個或多個客戶（根據IEEE標準的gPTP從節點）。

與IEEE 1588的兩階段程序類似，gPTP總是連續發送兩個幀："SYNC "和 "Follow Up"。根據所包含的時間戳，客戶機將其本地時鐘重置為參考時間，這樣網絡中的所有設備就能以完全相同的時間為基礎工作。

然而，只有同時考慮到網絡上所需的傳輸時間，才能實現非常準確的時間基礎。

為此，所謂的對等延遲測量總是在直接相鄰節點之間成對進行的。然后，每個節點測量的傳輸時間的總和導致對等延遲值，通過該值修正gPTP時間。 ?

傳輸協議?

IEEE 1722-AVTP：音頻視頻傳輸協議是通過以太網AVB傳輸音頻/視頻數據以及時間關鍵型數據的標準傳輸協議。它是一個精簡的ISO/OSI第二層協議，通過MAC地址對設備進行尋址。因此，沒有必要集成一個完整的IP協議棧。這有助于最大限度地減少項目和設計的規模、成本和復雜性。

IEEE 1733-RTP/RTCP：RTP和RTCP（IETF RFC 3550）是基于IP的網絡協議，用于通過以太網傳輸音頻和視頻數據。它們已經在所有工業和消費設備中使用了多年，如視頻監控攝像機或InterCom設備。IEEE 1733是對RTP/RTCP的改進，用于與AVB同步傳輸，因此是基于IP的IEEE 1722的替代品。 ?

流量整形?

一個以太網網絡通常由大量的終端（計算機、電子設備）和橋接器（交換機、網關等）組成。與所選擇的傳輸協議無關，數據被封裝在以太網幀中，從發送方通過幾個橋接（hop）到接收方。幀的傳輸方式是不確定的。路由內的網橋以更快或更慢的速度轉發幀（存儲轉發、直通）。在網絡擁堵的情況下，幀有時會被緩沖一定的時間。在最壞的情況下，它們甚至可能丟失。

工業以及汽車系統需要低的、確定的延遲，最重要的是需要可靠的傳輸，沒有幀丟失的風險。流量整形（IEEE 802.1Q--服務質量的一部分）被用于此目的。流量整形定義了網橋應如何根據優先級處理幀的策略。例如，有幾個關于流量整形的標準，例如：

- IEEE 802.1Qav, 時間敏感流的轉發和排隊增強（FQTSS），也常被稱為基于信用的整形（CBS）

- IEEE 802.1Qbv, 增強預定流量，通常也被稱為時間感知整形（TAS）

- IEEE 802.1Qch, 循環排隊和轉發

- IEEE 802.1Qcr, 異步流量整形

其中CBS和TAS主要應用于汽車領域。 通過基于信用的整形，每個以太網設備收到一個信用，用于發送幀。只要信用仍然是正數，設備就可以繼續傳輸。

之后，它必須等待，直到信用被補充。這種策略能夠有效地利用帶寬。沒有預先定義的時間槽。需要不定期發送數據的節點可以收集他們的信用并一次性用完。

用CBS配置AVB網絡是相對簡單的。相比之下，時間感知整形TAS策略是基于時隙模型的。它不再基于要發送的數據量，而是基于傳輸的頻率。節點不再被允許在任何長度的時間內發送，但它們被保證允許非常有規律地發送。因此，可以實現一個明顯更低和更確定的延遲。

然而，Qbv的缺點是網絡帶寬并不總是被有效利用。如果節點不使用他們的時間槽，這些槽以及帶寬就會丟失。 ?

與AVNU的互操作性?

對于AVB的實施，系統架構師可以利用各種可用的組件。根據系統要求，可以實現AVB的不同子集。一方面，這對硬件組件是有幫助的，但另一方面，它可能會導致互操作性問題，因為不同供應商的設備不支持完全相同的AVB功能。由于IEEE標準有時會被工程師們做出不同的解釋，這使得情況更加復雜。

AVNU聯盟，即所謂的以太網AVB功能和互操作性規范定義了汽車領域的AVB子集和相關參數的參考，這些參數應在每個設備中實現，以確保供應商之間的互操作性。具備AVB功能的設備可以由測試公司進行外部測試，或在內部用特殊的測試設備進行AVNU兼容性測試。 ?

AVB實踐應用?

在實踐中，支持AVB的網絡由幾個部分組成：交換機、PHY和節點。為了達到預期的性能，所有的交換機和節點都必須支持AVB。通過IEEE標準、AVNU和OpenAlliance規范，來自不同制造商的PHY和交換機等組件現在可以高度互操作。

然而，在終端節點實現音視頻橋接仍然是一項復雜而漫長的開發任務。系統通常是在SoC或高端微控制器的基礎上開發的，其中必須集成大量的軟件：實時操作系統、Autosar和AVB協議棧，這往往還需要許可。

一種替代方案是使用特殊芯片的AVB節點。這是一種集成了AVB協議的智能以太網控制器。因此，AVB作為一個基于硬件的解決方案立即變得簡便，不再需要軟件開發。 ? ?

審核編輯：劉清