【虹科直播回顧】TSN技術如何提高下一代汽車以太網的服務質量？

現代汽車中包括了各種各樣的傳感器和執行器，從圖1中可以看到，在汽車中存在著大量節點，比如雷達、激光雷達、超聲波、照相機等。按照原先的傳統設計，不同的設備之間的通信使用點對點的連接或特定的通信協議，如CAN或LIN。但是，由于汽車中需要互連的設備越來越多，而且隨著這些通信的具體要求也越來越多，傳統的連接方式弊端逐漸顯現，因為在實際應用中，互連線束的復雜性成倍增加，而元件的制造是難以自動化的過程。

圖1?

所以作為現代汽車的互連網絡，以太網成為一個有吸引力的解決方案，因為它是通用的，并且能夠提供一個高帶寬的通信通道。然而，以太網仍然存在問題——它被設計成了一個盡力而為的解決方案，缺乏服務質量機制、帶寬控制、確定性或冗余性。因此，有必要提供一個高于以太網的解決方案，來實現確定性和可靠的通信。

TSN技術能夠提供可靠的確定性通信方式。該技術是IEEE定義的一套標準，可以用來解決上面提到的以太網網絡缺乏確定性和QoS的一些問題。TSN主要有4個層面的內容：時間同步、可靠性、延時管理和資源管理。但是需要注意的是，TSN中定義的提供時間同步、可靠性和延遲管理的協議有特定的要求，在大多數情況下，是需要通過使用硬件來實現或者解決的。因此，這些協議和功能不容易在軟件中實現，需要硬件加速。

圖2

目前，已有專用TSN標準規定了汽車車載橋接IEEE 802.3以太網的配置文件。該配置文件可用于確定性IEEE 802.3以太網的設計和實施，并支持所有的車內應用，包括那些需要安全、高可用性和可靠性、可維護性和約束延遲的應用。

時間同步是TSN的一個關鍵部分，因為帶寬控制和整形功能是依賴于網絡上所有設備都能訪問的共享時間進行參考的。比如，時間感知整形器（Qbv）依靠納秒級的精度來控制和整形網絡的帶寬。汽車中的幾個實時應用和服務也使用一個共同的時間參考。

TSN使用IEEE 802.1 AS協議，為以太網中的所有TSN設備提供時間同步。這個功能的實現它依賴于一個主從機制，允許從設備獲得主設備的時間并合成到它們的時鐘以達到納秒級的精度。而且正如之前所說的，為了提供高精度（納秒級）的精度，有必要對IEEE 802.1 AS消息進行硬件時間標記。

圖3

另外，當使用以太網作為汽車中的通信機制時，要對不同的流量類別使用VLAN TAG的優先級位（PCP）進行分類，分為不同的優先級。對于幾種服務、應用和設備，它們可能有不同的帶寬、延遲和損失容忍度要求。

圖4

從表中可以看出，每個流量類別的帶寬利用率可以從1-5%到+25%不等。然而，有些流量類別可能對帶寬要求不高，但對時間限制很嚴格，范圍在幾毫秒。

流量整形也是TSN中定義的機制，用于控制通信的帶寬和延時。流量整形有兩個協議，第一種IEEE 802.1 Qbv也被叫做基于時間感知的整形，是TSN中定義的用于流量整形的兩個協議之一。該協議包括一個不斷重復的周期時間（根據使用情況可配置持續時間）。

圖5

IEEE 802.1 Qav是TSN中定義的第二個流量整形協議。這個協議的主要目的是限制每個類別優先級的可用帶寬。雖然可以用Qbv限制和控制帶寬，但如果配置了允許多個流量類別的時隙，比如說圖5的第二個時隙，那些具有較高優先級的流量類別可以利用該時隙的所有可用帶寬。

圖6

Qav使用一種基于信用的機制來限制每個流量類別可以發送的數據包的突發量。與Qbv的情況一樣，可以為TSN網絡中每個設備的每個以太網端口中的每個流量類別配置不同的最大突發配置，以防止有較高優先級的流量消耗其插槽中的所有可用帶寬。

高可用性是由于汽車中有些通信的丟包容忍度很低甚至為零，因此會要求TSN提供一種機制來確保通信的高可用性和冗余性。

IEEE 802.1 CB是TSN協議組中定義的一個零恢復時間冗余協議。它可以在一對設備之間的鏈路斷開的情況下提供通信冗余和零數據包丟失。主要是通過數據的冗余備份和冗余鏈路進行并行傳輸來提高可靠性，通過在不相交的網絡路徑上發送關鍵流量的重復副本，從而最大限度地減少了擁塞和故障的影響，來實現無縫的數據冗余，但是代價是會有額外的帶寬消耗。

這個協議會根據流量類別和TSN流標識獲取路徑信息以及序列生成功能來選擇數據包復制，確定要丟棄的幀和傳遞的幀，最終確保正確的幀恢復和合并。RSTP和MSTP這兩個協議是在以太網上提供高可用性的協議，然而它們有恢復時間，在這個時間里，通信會停止，數據會丟失。所以可以把QCB與RSTP/MSTP相結合。

圖7

圖7中的結構圖是一個使用IEEE 802.1 CB的設備A和B之間冗余通信的示例圖。網絡中的每個節點都會生成一個需要發送的數據包的副本。相應地，網絡中的每個節點都會丟棄重復的數據包，并生成新的副本，使用冗余鏈路（如果有的話）發送。因此，可以提供冗余，并使引入的帶寬開銷最小化。

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此外，TSN還定義了IEEE 802.1 Qci作為一個用于高可用性的協議。這個協議的作用是防止未配置或有故障的設備向網絡發送不需要的流量，從而影響其他流量類別,惡化網絡性能。這個協議能夠使用以太網幀的不同字段來識別流，如MAC地址、VLAN ID等。一旦每個流被正確識別，就有可能對每個流獨立設置規則。可以應用于每個流的一些規則是設置允許的最大數據包大小、允許的最大帶寬、啟用或禁用數據包傳輸等，也就是限流，阻斷這些方式，主要是用在交換機的入口，通過各種約束或者規則來監管每個流的輸入，以防止出站隊列被非法幀淹沒。

圖8

Qci中的帶寬限制是由一個信用和一個彩色桶機制實現的（或者說是令牌桶算法）。令牌桶可以看作是一個存放令牌的容器，預先設定一定的容量。系統按給定的速度向桶中放置令牌，當桶中令牌滿時，多余的令牌溢出。令牌桶是一種流量測量方法。

(1)??? 如果流量沒有超速，設備會為報文獎勵綠牌（將報文染色為綠色）。報文可暢通無阻，即被轉發。

(2)??? 如果流量稍微超速，設備會發出黃牌警告（將報文染色為黃色）。通常報文會被降級，即修改報文的內部優先級，然后進行盡力而為的轉發。

(3)??? 如果流量超速太多，設備會發出紅牌將報文罰下（將報文染色為紅色）。報文被禁止通行，即丟棄。

此外，IEEE 802.1 Qci定義了一套豐富的統計計數器，可以使網絡管理員或設計者能夠檢測配置問題。

TSN有大量的協議和復雜的機制，所以網絡和設備配置變得至關重要。IEEE 802.1 Qcc是TSN中為網絡配置定義的協議。CUC是一個用于從TSN網絡中的talker和listener（終端設備）檢索要求的設備。因此，要向CUC提供有關需要發送和接收的所有數據流的信息，以及這些數據流的特性（帶寬、延遲、冗余等）。

圖9

另一方面，CNC是一個獲取網絡設備比如說交換機和路由器，以及他們能力（端口數、支持的TSN協議、到其他網絡設備的路由......）信息的設備。一旦CUC和CNC都知道需要發送的數據流和網絡上的可用資源，就會使用復雜的算法來確定每個設備的具體配置，來確保滿足所有注冊數據流的要求。

目前，虹科已推出10G TSN交換和TSN端點解決方案，包括開發方案，硬件設備，配置軟件等等一系列完整的方案。

虹科10G TSN以太網交換IP解決方案是一個完全可定制的以太網交換方案，其端口可多達32個，交換機的每個端口可以獨立配置，并具備大范圍的端口速度（10M到10G）。此外，該方案支持廣泛的接口類型，如MII、RMII、RGMII、SGMII、XGMII、USXGMII，并完全支持TSN汽車profile，和其他profile。

圖10

圖10為10G TSN以太網交換機的內部架構，該架構被分為三個主要部分：

(1)???在圖的左邊，是入口數據包處理管道。根據交換機的定制，管道的每個stage都是專門用于應用每個協議的入口數據包處理能力的。處理后的幀被存儲在一個共享的內存緩沖器中，這個緩沖器實現了虛擬輸出隊列，來限制線頭阻塞的一個現象（the head of line）。

(2)???在圖的中間，是交換機結構。它是由一個非阻塞性的開關矩陣組成。此外，還有共享表，它被交換機的所有端口用來處理一些支持的協議。

(3)???在圖的右邊是出口數據包處理管道，它使用管道的一個stage對實現的每個協議進行數據包的出口處理。從交換機結構收到的幀被存儲在一個共享內存緩沖區，并由一個出口調度器控制，該調度器由TSN Qbv和Qav協議決定。

除Qav和Qbv外，其他TSN協議的實現根據具體協議，在入口和出口處理管道之間劃分。此外，入庫和出口的端口接口實現了硬件時間戳功能，來實現高精度的時間同步。

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?圖11

上圖主要介紹了虹科10G TSN以太網交換機解決方案在汽車網絡中的一個使用案例。每個zonal TSN網關在其PL單元上實現的是虹科10G TSN以太網交換機解決方案。該交換機使用4個10G端口與其他zonal網關連接，并使用大量1G端口為汽車相應區域的傳感器、攝像頭和執行器提供連接。該交換機可以實現TSN汽車配置文件中定義的所有TSN協議。

在實施之前，測試網絡的能力是開發一個成功的網絡設計的關鍵。虹科的測試平臺為系統設計者提供解決方案，在安裝和設備推廣給客戶之前，可以看到他們的設備和網絡在真實場景的表現。

圖12

因此，有必要定義一個測試計劃，考慮到在真實用例中可能遇到的不同情況。確定了測試計劃，就有必要實施一個網絡拓撲結構，來實現測試計劃中定義的測試。但是必須代表將在真實環境中實施的系統。所以網絡中必須包括以下內容：

• 設置中要使用的設備：TSN終端和交換機/橋接器（endpoint , switch , bridge）。應該包含在真實網絡中可以找到的所有相關設備。

• 傳統的以太網設備（盡力而為的流量），雖然TSN網絡也可以涉及傳統的以太網設備，進行盡力而為的通信，但最好是具有特定延遲/抖動限制的關鍵流量應基于具有TSN功能的終端設備。

• 在測試平臺中定義的TSN流。

• 數據流的路由。

但是，即使一個解決方案確實符合TSN標準，要證明這一點也不容易。它需要專門的設備，能夠測量諸如時間感知整形器中的數據門控、同步精度、延遲、抖動或可搶占的數據。這個測試過程的主要任務是確認流量傳輸符合特定用例應用的約束條件，或者傳輸的延遲低于一個固定值。因此，驗證該技術的關鍵因素是一個能夠測量特定類型流量的傳輸延遲的工具。比如說虹科的RELY-TSN-LAB測試工具。

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雖然大多數設備通常可以使用專有的解決方案，如網絡管理器、命令行、串行端口等進行配置，但當增加更多的流量、數據流和設備時，這種方法是不可擴展的。就像配置冗余這樣的機制，意味著為每個節點生成單獨的配置，比如說其流識別機制、流處理程序、VLAN和恢復功能等等。當規模超過幾個數據流時，這是一個很大的挑戰。

當設備比較少的話可以直接通過網絡配置工具進行配置。但是當TSN網絡中存在多個設備的時候，使用配置軟件會比單獨配置更加高效。因此，推出了一款允許在確定網絡拓撲和通信需求時配置TSN設備并保證滿足約束條件的TSN配置軟件——RELY-TSN-Configurator，可以對不同類型的網絡進行模擬、建模和后期分析。

圖13

實現方式：

• 定義拓撲、硬件功能、流量要求，在工具中對我們的TSN設備和網絡結構進行建模，并確定流量類型的特征

• 選擇 TSN 機制：計算出最佳的TSN配置，并為我們的設備生成相應可部署的配置

• 從我們的設備中導入這些配置

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