AURIX? TC4x GETH對時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )的支持介紹

1.前言

如今以太網(wǎng)已成為所有車(chē)內通信的主干網(wǎng)，標準以太網(wǎng)作為一種基于Best Effort的通信協(xié)議，無(wú)法應對新一代汽車(chē)發(fā)展的一些需求，比如：

1. 時(shí)間敏感型流量和應用；

2. 在共享網(wǎng)絡(luò )上的不同服務(wù)質(zhì)量要求(Qualities of Service QoS)；

3. 可靠性和延遲要求。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)是標準以太網(wǎng)在汽車(chē)等特定應用環(huán)境下的增強功能實(shí)現。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)有可能通過(guò)建立通用標準打開(kāi)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)市場(chǎng)，把以太網(wǎng)發(fā)展成為一個(gè)強大可靠的通信框架，從而滿(mǎn)足時(shí)間敏感型應用的特定需求。

本文將對AURIX? TC4x GETH對時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )標準的概述，讓讀者了解AURIX? TC4x控制器是如何能滿(mǎn)足對時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)的各方面需求。

2.時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )概覽

2.1 什么是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )？

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )是IEEE 802.1定義的標準技術(shù)，用于在標準以太網(wǎng)上提供確定性信息傳送。它增加了在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中保證確定性和吞吐量的定義，以提供有界延遲和零擁塞損失。

2.2 從音視頻橋接(AVB)變到時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)

IEEE 802.1音視頻橋接(AVB)工作組始于2005年，它們定義了一套技術(shù)標準來(lái)改進(jìn)同步和提供低延遲功能。

IEEE 802.1時(shí)敏網(wǎng)絡(luò )(TSN)工作組于2012年由原來(lái)的音視頻橋接(AVB)工作更名而來(lái)，并繼續開(kāi)展工作，同時(shí)也是AVB的擴展。它解決了極低傳輸延遲和高可用性的傳輸問(wèn)題，應用范圍廣泛如汽車(chē)、工業(yè)控制設施、5G、航空航天、服務(wù)提供商等。

圖1 AVB與TSN支持的標準協(xié)議比較圖

3.AURIX? TC4x 支持的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )功能

英飛凌的AURIX? TC4x支持定時(shí)同步和CBS這些時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )最重要的功能，因此AURIX? TC4x能成為車(chē)廠(chǎng)對TSN需求的完美選擇。詳細的AURIX? TC4D 以太網(wǎng)模塊所支持的標準如下表格：

圖2 AURIX? TC4Dx以太網(wǎng)模塊所支持的協(xié)議

以下會(huì )簡(jiǎn)要概述這些標準。

3.1 IEEE 802.1AS/AS-2020：Timing and Synchronization

當網(wǎng)絡(luò )使用是用于實(shí)時(shí)通信，對端到端傳輸延遲和應用延遲有嚴格的要求時(shí)，時(shí)間同步是必須的要求。該網(wǎng)絡(luò )中所有的設備都需要有一個(gè)共同的時(shí)間基準，并同步時(shí)鐘。

Grandmaster (GM)是網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘源，定期發(fā)送當前時(shí)間。GM可采用BMCA(Best Master Clock Algorithm)來(lái)動(dòng)態(tài)選擇最佳主時(shí)鐘，它是IEEE 1588精準時(shí)間同步協(xié)議(PTP)的核心技術(shù)之一。通過(guò)運行BMCA算法，系統能夠選擇網(wǎng)絡(luò )中的主時(shí)鐘，其他時(shí)鐘則以這個(gè)主時(shí)鐘作為參考進(jìn)行同步，從而確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步。在TSN(Time-Sensitive Networking)網(wǎng)絡(luò )中，BMCA算法用于選擇網(wǎng)絡(luò )中唯一的主時(shí)鐘(Grandmaster)節點(diǎn)，作為時(shí)鐘同步生成樹(shù)的根節點(diǎn)。其他節點(diǎn)擁有一個(gè)或多個(gè)主端口用于發(fā)送時(shí)鐘同步信息，同時(shí)具有一個(gè)從端口用于接收時(shí)鐘同步信息?。在汽車(chē)行業(yè)中，大多數采用靜態(tài)方式選擇時(shí)鐘。

時(shí)間同步基于兩個(gè)核心機制：

1. 利用點(diǎn)對點(diǎn)延遲機制測量鏈路傳播延遲；

2. 同步信息的分發(fā)。

要計算鏈路傳播延遲MAC/PHY，需要準確的本地出口和入口時(shí)間戳(Timestamps)，如下圖所示中利用點(diǎn)對點(diǎn)延遲機制從時(shí)間戳中計算出，鏈路傳播延遲(Mean Link delay)和與鏈路伙伴的頻率偏移量(neighborRateRatio)。

圖3 Link delay和neighbor Rate Ratio計算原理

在同步信息的分發(fā)方面，分配機制基于sync報文和follow up報文的傳輸，每個(gè)時(shí)間都讓系統能與主時(shí)鐘同步。如下圖所示最后的接收端收到follow up報文，其中包括一個(gè)時(shí)間戳t0，校正字段，這些都會(huì )用于計算。

1. 累計相鄰頻率偏移量，獲得相對于主控器的頻率偏移量。

2. 累計路徑上的所有延遲，計算相對于主控器的時(shí)鐘偏移量。

圖4 時(shí)間同步分發(fā)的基本流程

3.2 IEEE 802.1Qav：Credit Based Shaper

IEEE 802.1Qav是一種流量調整機制，可減少接收網(wǎng)橋和終端的緩沖。它使用CBS(Credit Based Shaper)來(lái)避免相同流量?jì)?yōu)先級的報文突發(fā)。它可以調整流量、防止擁塞、和確保所有用戶(hù)都能獲得最佳性能。

那么什么是基于"信用值"的調整機制呢? 這是可以把每個(gè)隊列想象成一個(gè)信用卡用戶(hù)，這個(gè)信用卡用戶(hù)和我們生活中使用的信用卡有一個(gè)不同之處是: 這個(gè)信用卡在把錢(qián)還清之后，還可以向里面存入一定數額的錢(qián)，也就是說(shuō)，這個(gè)信用卡其實(shí)不僅有信用卡的功能，還有儲蓄的功能。

當一個(gè)隊列的在傳輸的時(shí)候，需要這樣使用這個(gè)信用卡:

1. 當隊列開(kāi)始準備傳輸一個(gè) Ethernet Frame 時(shí)，需要首先判斷，信用卡里的錢(qián)是否大于0，如果大于0，才會(huì )被允許傳輸。

2. 在傳輸的這段時(shí)間里，會(huì )以某一速度，不斷地消耗信用卡里的錢(qián)。

3. 在傳輸這個(gè) Ethernet Frame 的過(guò)程中，如果信用值變?yōu)?，當前傳輸的 Ethernet Frame 并不會(huì )停止傳輸，此時(shí)信用卡的值變?yōu)樨?，開(kāi)始欠信用卡的錢(qián)。

4. 信用卡有下限的額度，規定最多可以欠多少錢(qián)。

當一個(gè)隊列在空閑的時(shí)候，需要這樣使用這個(gè)信用卡:

1. 當隊列停止傳輸任何 Ethernet Frame 時(shí)，會(huì )以某一速度，不斷向信用卡里還款/存錢(qián)。信用卡的欠款會(huì )被逐漸還請，當還清后，如果隊列仍是空閑狀態(tài)，會(huì )繼續在里面存錢(qián)。

2. 信用卡有上限額度，規定最多能存多少錢(qián)。

通過(guò)這樣的機制，就可以控制每個(gè)隊列的傳輸，如果想讓某一個(gè)隊列多傳輸一些，那么就可以調整它在傳輸時(shí)消耗信用卡里錢(qián)的速度，并提高它在空閑時(shí)向信用卡還錢(qián)/存錢(qián)的速度。

在MCU中：這個(gè)信用卡被稱(chēng)為 credit counter。信用卡里的錢(qián) (其值可以為正也可以為負，值為負時(shí)表示處于欠錢(qián)狀態(tài)) 稱(chēng)為 credit。傳輸時(shí)消耗信用卡里的錢(qián)的速度，被稱(chēng)為 sendSlope?？臻e時(shí)向信用卡里存錢(qián)的速度，被稱(chēng)為 idleSlope。信用卡的存錢(qián)上限，被稱(chēng)為 hiCredit。信用卡里的允許欠錢(qián)的下限，被稱(chēng)為 loCredit。這些都需要在寄存器中配置。

圖5 CBS調整機制原理

圖片來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking

3.3 IEEE 802.1Qbv: Time Aware Shaper

除了基于信用的調整外，IEEE 802.1Qbv時(shí)間感知調整(Time Aware Shapter TAS)允許在時(shí)間觸發(fā)窗口中調度時(shí)間關(guān)鍵幀和優(yōu)先級較低幀的傳輸，這有助于保證時(shí)間關(guān)鍵幀的有限延遲的確定性。

在TAS中、時(shí)間被分為周期(Cycle)，周期被分為時(shí)段(Time Slot)。每個(gè)時(shí)隙可分配八個(gè)以太網(wǎng)優(yōu)先級中的一個(gè)或多個(gè)，時(shí)間感知調整根據時(shí)間計劃，通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉屬于不同隊列的閘門(mén)來(lái)傳輸不同的數據流。為了保證低延遲，網(wǎng)絡(luò )橋接器之間需要協(xié)調時(shí)間，這也意味著(zhù)，時(shí)間感知調整要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步。

每個(gè)隊列的閘門(mén)可由閘門(mén)控制列表控制(GCL)，GCL可配置每個(gè)時(shí)段的時(shí)間間隔和每個(gè)隊列的門(mén)控制器。如下圖所示：在T00時(shí)到達TC（7,5-0）的幀將延遲，直到其閘門(mén)在其他時(shí)段打開(kāi)；在T01時(shí)TC 6幀將延遲，直到其下一次閘門(mén)開(kāi)放。

圖6 時(shí)間感知調整的實(shí)例

在汽車(chē)應用中，使用信用的調整機制相對于時(shí)間感知整形更為普及。

3.4 IEEE 802.1Qbu：Frame Preemption

以太網(wǎng)幀搶占是IEEE 802.1Qbu標準中規定的一項功能，它為出口端口定義了兩種MAC，即可搶占MAC(pMAC)和快速MAC(eMAC)，快速幀可中斷可搶占幀的傳輸，避免低優(yōu)先級幀阻塞高優(yōu)先級幀的傳輸。

幀搶占的作用如下，可搶占式幀(Preemptable frame)可被分成兩個(gè)或多個(gè)片段。在接收端，這些片段會(huì )再次組裝，以重新創(chuàng )建原始網(wǎng)絡(luò )信息。當快速幀(Express frame)到達，而可搶占幀已在傳輸過(guò)程中時(shí)，并開(kāi)始傳輸特快幀。一旦快速幀傳輸完畢，可搶先幀傳輸即恢復并直到完成。

圖7 搶占幀(Frame Preemption)協(xié)議原理圖

圖片來(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking#Enhancements_to_AVB_scheduling

3.5 IEEE 802.1Qci：Per-Stream Filtering and Policing

為了防止網(wǎng)絡(luò )故障影響或惡意攻擊對網(wǎng)絡(luò )造成的干擾，802.1Qci將故障隔離到網(wǎng)絡(luò )中的特定區域。802.1Qci又稱(chēng)之為Ingress Policing，工作于交換機的入口，它對每個(gè)流量都進(jìn)行過(guò)濾和管理，簡(jiǎn)稱(chēng)PSFR。

數據流濾波器包括數據ID、優(yōu)先權、濾波值、Meter(計量)ID、計數器。Qci通過(guò)各種約束來(lái)監管每個(gè)流的輸入，以防止出站隊列被非法幀淹沒(méi)。Qci專(zhuān)門(mén)對付DDoS這樣的網(wǎng)絡(luò )攻擊，假如一個(gè)數據流流量突然增大，有可能擠壓另一個(gè)數據流的帶寬時(shí)，入口管理政策會(huì )將數據流整形，強制回到數據流爆發(fā)前的狀態(tài)。

PSFP由三個(gè)組成:

1. 流過(guò)濾器：通過(guò)AURIX? TC4x GETH MAC中的FFP(Flexible Frame Parser)實(shí)現，標識數據流ID并映射到8個(gè)網(wǎng)關(guān)ID之一；僅支持8個(gè)網(wǎng)關(guān)ID。

2. 流閘門(mén)：在A(yíng)URIX? TC4x GETH MAC的GCL(Gate Control List)中定義，閘門(mén)控制清單中定義的流閘門(mén)控制條目。

3. 流量計：通過(guò)AURIX? TC4x GETH MAC中的PC(Police Counter)實(shí)現，通過(guò)幀解析指令中的PCV/PCN文件選擇PC，保護TSN不受攻擊等流量異?；蚪K端站或其他網(wǎng)橋故障的影響。

圖8 PSFP協(xié)議結構框圖

3.6 IEEE 802.1CB：Frame Replication and Elimination

IEEE 802.1CB可靠性幀復制和消除(FRER)通過(guò)多個(gè)不相連的路徑發(fā)送每個(gè)幀的副本，它可為不能容忍數據包丟失的控制應用程序提供主動(dòng)無(wú)縫冗余。復制幀在2個(gè)（或更多）不相交的路徑上發(fā)送幀，然后在相交點(diǎn)合并并刪除多余的幀。每個(gè)復制幀都有一個(gè)序列標識號，用于重新排序和合并幀，并丟棄重復的幀。這樣可以避免因設備原因造成幀丟失，它可以是每幀1+1（或1+n）冗余。

圖9 FRER的基本原理圖

AURIX? TC4x GETH通過(guò)硬件網(wǎng)橋支持MAC到MAC的幀轉發(fā)，可用于將幀轉發(fā)到目標接收器上, 支援FR的應用需求。

4.TSN的開(kāi)發(fā)

TSN網(wǎng)絡(luò )設計。包括：

1. 基于標準、需求規范、應用場(chǎng)景分析，依據數據流分析的結果和車(chē)型網(wǎng)絡(luò )拓撲，選擇網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，設計各TSN協(xié)議配置參數，輸出TSN系統配置文檔。

2. 結合車(chē)載網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)場(chǎng)景，設計TSN參數并進(jìn)行仿真測試，主要參數包括：MAC/VLAN、靜態(tài)流預留配置參數、時(shí)鐘同步參數、CBS整形參數、TAS整形參數、流量監管參數、數據流傳輸協(xié)議參數，等等。

TSN開(kāi)發(fā)包括TSN協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)、配置和部署，TSN原型驗證平臺搭建。TSN零部件和系統測試。對網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行仿真分析，定量評估網(wǎng)絡(luò )設計參數。

5.總結

汽車(chē)功能的智能化、網(wǎng)聯(lián)化、數字化催生了新時(shí)代車(chē)載電子電氣架構的變革，大量的具有創(chuàng )造力的技術(shù)理念和個(gè)性化的應用場(chǎng)景出現。新一代AURIX? TC4x控制器就是在這樣的背景下的產(chǎn)物，它能夠幫助這些應用場(chǎng)景快速落地，幫助客戶(hù)實(shí)現其優(yōu)質(zhì)的解決方案。車(chē)載以太網(wǎng)在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )是現今車(chē)輛通信的主干網(wǎng)絡(luò )，基于TSN的電子電氣架構的汽車(chē)架構也會(huì )成為主流，主控芯片能否支持時(shí)間敏感型應用的特定需求是十分重要，新一代AURIX? TC4x控制器所具備的功能恰好能助力汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、數字化的發(fā)展進(jìn)程。