车载以太网TSN标准IEEE802.1DG分析

2010年后，IEEE着手将以太网全面升级为TSN网，这个过程可能要用20年时间。TSN即Time-Sensitive Networking，时间敏感网络，其应用范围很广，涵盖6个领域，分别是：

1)、以太网音视频桥即EAVB，802.1BA标准；

2)、5G射频前传FrontHaul，即802.1CM/de标准；3)、工业自动化即IEC/IEEE 60802标准；4)、车载TSN即802.1DG标准；5)、服务供应商Service Provider即802.1DF标准；

6)、航天Aerospace Onboard即IEEE P802.1DP/SAE AS6675标准。

其中，后面4个都是未完成，标准前会加“P”，比如车载TSN标准目前是P802.1DG，预计2024年全部完成。与TSN关系最密切的是车载以太网交换机芯片，无一例外，全球任何一家车载以太网交换机芯片都支持TSN，也必须支持。以太网交换机芯片也是智能驾驶和智能座舱必用芯片，以奔驰S级为例，每辆车至少有5片以太网交换机芯片。

车载以太网OSI模型

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车载以太网标准分物理层PHY和链路层两大类，TSN标准主要在第二层的链路层。车载以太网PHY标准主要是制定单对双绞线标准，传统以太网与车载以太网最大不同是传统以太网需要2-4对线，车载以太网只需要一对，且是非屏蔽的，仅仅此一项，就可减少70%-80%的连接器成本，可减少30%的重量。这是车载以太网诞生的最主要原因，同时也是为了满足车内的EMI电磁干扰。

车载以太网PHY标准分布

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车载以太网野心勃勃，10base-T1S是试图取代传统CAN网络的。10base-T1S即IEEE 802.3cg也就是OPEN Alliance的TC14，100base-T1即IEEE 802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000base-T1 ECU测试标准即OPEN Alliance的TC8，1000base-T1即IEEE 802.3bp也就是OPEN Alliance的TC12，2.5/5/10Gbase-T1即IEEE 802.3ch也就是OPEN Alliance的TC15标准。超过10G带宽的802.3cy标准也在制定中。

TSN工具一览

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TSN本身并非是一项全新的技术。IEEE于2002年发布了IEEE 1588精确时钟同步协议。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作组，开始制定基于以太网架构的音频/视频传输协议集，用于解决数据在以太网中的实时性、低延时以及流量整形的标准，同时又确保与以太网的兼容性。AVB引起了汽车行业、工业领域的技术组织及企业的关注。IEEE成立了TSN工作组，进而开发了时钟同步、流量调度、网络配置系列标准集。在这个过程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金会等组织共同积极推进TSN技术的标准。工业领域的企业（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）着手为工业领域的严格时间任务制定整形器，成立了整形器工作组，并于2016年9月在维也纳召开了第一次整形器工作组会议。而后，有更多的企业与组织（包括德国工业4.0组织LNI、美国工业互联网组织IIC、中国的边缘计算产业联盟ECC、工业互联网产业联盟AII等）加入TSN技术的研究，并构建了多个测试床。2019年，IEC与IEEE合作成立IEC 60802工作组，并在日本召开了第一次工作组会议，以便工业领域的TSN开发可以实现底层的互操作。同时，在OPC UA基金会也成立了(Field Level Communication,FLC)工作组，将TSN技术与OPC UA规范融合，以提供适用于智能制造、工业互联网领域的高带宽、低延时、语义互操作的工业通信架构。

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与传统以太网比，TSN最大特色即确定性服务。

TSN信号传输流程

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网络存在滤波数据库、传输端口状态监测、队列管理。这些都用于解决网络资源分配与调度问题。而IEEE 802.1Qat所采用的流预留协议（Stream Reservation Protocol，SRP）机制是一个对TSN进行配置的标准。SRP在于让网络中的发言者（Talker）用合适的网络资源将数据发送给听者（Listener）,并在网络中传播这些信息。而在终端节点之间的网桥则维护一个发言者对一个或多个听者注册的相同数据流的路径带宽等资源的需求记录。

TSN基本概念

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通过具体产品来了解一下TSN，与TSN关联度最高的是车载以太网交换机，车载以太网交换机厂家可分为两个梯队，第一梯队是美满电子（Marvell）和博通，都有最高支持802.3ch的产品。博通略强，价格较高，Marvell价格略低。博通产品线太长，Marvell比较聚焦汽车和企业网络领域，因此汽车市场Marvell市场占有率更高。第二梯队包括Microchip、NXP和瑞昱。最高仅支持802.3cg，NXP提供整体解决方案，比较聚焦汽车领域，市场占有率比较高。瑞昱主打高性价比，大众是其最大客户。这5家基本上垄断市场。

目前全球最先进的车载以太网交换机芯片是博通的BCM89586M，不仅支持最高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IEEE 802.1Qci，是目前TSN支持度最高的芯片。IEEE 802.1AS 2020和IEEE 802.1Qbv是TSN必备要素，任何车载以太网交换机都必须支持。

IEEE 802.1AS 2020

所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟，并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言，其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”，而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”，系统的能力取决于最短的那块板，即，对于确定性网络而言，最差的延时才是系统的延时定义。

IEEE1588协议，又称PTP（Precise Time Protocol，精确时间协议），可以达到亚微秒级别时间同步精度，于2002年发布version 1，2008年发布version2。其主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。

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IEEE1588协议的同步原理，所提出的Delay Request-Response Mechanism（延时响应机制）如上图，IEEE1588把所涉及到的报文分为事件报文和通用报文，分类依据是：是否在收发报文时需要记录精确时间戳，根据上文中所描述的几种报文，可进行如下分类：

事件报文(event message)<收发时候需要记录精确时间戳>：sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用报文(general message)<收发时候不需要几率精确时间戳>：Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Signaling。Pdelay_Req/Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通过peer延迟机制测量两个时钟端口之间的链接延时，链接延时被用来更正Sync和Follow_Up报文中的时间信息。

IEEE802.1AS-Rev是为以太网第二层所定义的1588规范加以扩展，它的扩展包括了所有域常用peer延迟服务，支持精细时间测量FTM，对链路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范围-包括1步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持，更好的响应能力，这包括了更快的主站交互、降低BMCA收敛时间。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息传输以及冗余支持能力（可配置冗余路径和冗余主站）。

IEEE802.1CB

TSN中保证高可靠性主要依靠802.1CB标准。这也是无人驾驶必须用TSN的主要原因，也只有TSN能让整个系统达到功能安全的最高等级ASIL D级。同样，与自适应AUTOSAR的捆绑程度也比较高。

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众所周知，L4级无人驾驶需要一个冗余处理器，但是主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制如何建立？这就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是两套系统间的冗余，芯片之间的冗余还是多采用PCIe交换机的多主机fail-operational机制，两者有相似之处。

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对于非常重要的数据，802.1CB会多发送一个数据备份，这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到，在接收端把冗余帧消除，如果只接收到一帧数据，那么就进入后备模式。在ISO/IEC 62439-3中已经定义了PRP和HSR两种冗余，这种属于全局冗余，成本较高，802.1CB只针对关键帧做冗余，降低了成本。802.1CB标准的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以缩写为FRER

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FRER不仅能提供双失效冗余，也可以提供多失效冗余。

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802.1CB也有简单的失效原因分析机制。

IEEE 802.1Qbv

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通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交换机能够来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的、可知的，而在TSN网络的数据报文延时得到保障。TAS介绍了一个传输门概念，这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间进度表network schedule进行定义。对没有进入network schedule的队列流量关闭，这样就能保障那些对传输时间要求严格的队列的带宽和延迟时间。TAS保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰，但它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当优先级非常高时，抢占机制可以被使用。

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在网络进行配置时队列分为Scheduled Traffic、Reserved Traffic、BestEffort Traffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的时间规划通过，其它则按优先级，Best Effort通常排在最后。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输，以及其它非实时数据的交换。

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对于特别重要的数据，TSN规定了一个抢占机制，它由802.1Qbu/802.3br共同构成。对于IEEE802.1Qbu的抢占而言，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。IEEE802.1br定义了，设计了快速帧的MAC数据通道，可以抢占Preemptable MAC的数据传输。IEEE802.3br也同样可以与IEEE802.1Qbv配合进行增强型的数据转发。

802.1Qci

IEEE802.1 Qci全称Per-Stream Filtering and Policing（以下使用简称PSFP），即对每个数据流采取过滤和控制策略，以确保输入流量符合规范，从而避免由故障或恶意攻击（如Dos攻击）引起的异常流量问题。

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PSFP由图中Stream Filters、Stream Gates和Flow Meters三个表配合完成：

• Stream Filters，即流过滤器表，每个表项表示某个流对应的过滤器，与特定门控（Gate）和流量计（Meter）关联；

• Stream Gates，即流门控表，每个表项表示对某个流采取的门控措施（如，门控状态为关表示禁止对应流量流入）；

• Flow Meters，即流量计表，每个表项表示对某个流的流量统计，当该流量超过了限制带宽则采取限流或阻断的控制。对于未知来源的流量，PSFP通过设置门控关闭，阻止可疑流量流入；对于已知来源的异常流量，这里的异常表现不限于带宽（带宽超出预留带宽），还包括如：最大服务数据单元（SDU）长度超出要求等，PSFP可以选择阻断或限流；

TSN标准能够推广关键在于上游厂家的鼎力支持，任何人想另起炉灶都绝不可能，五大车载以太网交换机厂家是无法绕开的，要想推广标准，芯片厂家是决定性因素。