如何评估车载以太网的数据传输时延

虽然车载网络的传输速率越来越高，但OTA远程升级、360°环视影音、ADAS驾驶辅助，甚至共享租赁所需的CyberSecurity网络信息安全等层出不穷的新功能无不呼唤着更高带宽的车载网络。随着BroadR-Reach解决了传统以太网的电磁兼容性问题，DoIP、AVB/TSN、SOME/IP等协议开始在车载以太网上大展拳脚，以太网以其高带宽、低成本、轻量化的优势逐步在中高端车上普及，其渗入到汽车电子各领域阶层已是大势所趋。

就像再宽的高速公路也拯救不了关卡林立的收费站一样，任何功能在车载以太网上的移植或实现，不得不考虑网络拓扑的变化。与传统以CAN为主干的Bus总线型拓扑不同的是，车载以太网大多采用以交换机为枢纽的星型拓扑。无论多炫酷的功能，汽车功能及信息安全所必须的通讯实时性，都是必须守住的底线。接下来本文将重点探讨如何评估车载以太网数据传输的时延。

车载以太网数据传输的时延可分为固定时延和随机时延，固定时延有上层协议数据处理时延、链路数据传输时延等，而随机时延与EthernetAVB协议紧密相关。因此，本文在分析EthernetAVB协议的基础之上，将配合使用RAD_Galaxy设备监测链路传输的报文，根据实测报文的头部信息，尝试分析出各部分的时延信息。

协议相关时延

EthernetAVB核心协议有SRP（流预留协议）、FQTSS（时间敏感性流的转发与排队协议）、gPTP（时间同步协议）和AVTP（AVB传输与控制协议）。其中，车载以太网中为了降低时延，一般不会动态预留带宽，所以暂且不用考虑SRP所产生的时延；而其余三个协议主要是流量调度产生的时延（即干扰迟滞）和时钟同步产生的时延。

1.数据流量调度时延

主要包括排队迟滞、扇入迟滞和永久迟滞这三方面，本质上，与FQTSS时间敏感性流的转发和排队协议有关。FQTSS是一个对缓冲区的数据进行调度的机制，其体现在令牌整形算法（CBS）方面。CBS是基于信用值的累积和消耗，特定AVB流类别的帧的信用值大于等于0时才可以传输，这实现了一个相对公平的传输环境，低优先级的数据能够在网络中传输。如图1所示，低优先级B类数据流以及非AVB的C类数据流可以得到传输数据的机会。



图1 基于信用机制的令牌整形算法

排队迟滞即不同优先级的数据流在缓冲区排队所产生的迟滞，主要与令牌整形算法相关，如图1所示，是A、B、C三类数据流的整形过程。

扇入迟滞是相同优先级的数据流输入，如图2所示，有7个端口输入相同优先级的数据流，1个端口输出这些数据流。最大数据量的端口要适应输出端FIFO最大分帧长度，即在输出端口的FIFO必须发送的字节数为最大的分帧长度容量+6*最大的帧容量FIFO。相应地，这也会导致一定的迟滞。



图2 扇入迟滞多进一出

永久迟滞作为扇入迟滞的一部分纳入迟滞分析之中。在网络中应尽量避免迟滞的出现，但一个交换机在接收具有相同带宽的一定优先权的信息时就有可能产生迟滞，在输出端口借助于迟滞令牌整形后允许发送信息，这种情况下，就会阻碍其他信息的发送，就会占用一定程度的缓冲区，并且在满载状态下不总会被消除。



图3 永久迟滞产生原理图

如3图所示，FIFO2的信息零星的阻碍了FIFO1信息的发送，在FIFO3中，我们发现信息3往后都迟滞了一段时间，这就是永久迟滞。

2.时钟同步时延

这主要与gPTP协议有关，同时也涉及到AVTP协议。
任何给定的gPTP域中可以只有一个主时钟，这个主时钟为整个gPTP域设定时标。多种混合技术的LAN都可以使用单一的gPTP主时钟作为计时基准，一个gPTP网络中的所有节点都将共享一个公共网络时间，该公共时间与gPTP域中的所有其他设备之间的相差不超过500ns。gPTP系统交换多种类型的报文以在整个网络上传播主时钟同步基准，使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_ Follow_Up报文，用于补偿设备之间的网络时滞。



图4 时钟同步链路时滞测量

如4图所示，是报文交互的过程，如果链路时滞固定且对称，则link_DELAY就是所述的链路时滞，gPTP域内的AVB设备很据这个链路时滞来同步输出，此时的输出就存在时延（这个时延取决于gPTP域中最大的时间偏移量），因为它们要确保同时输出，比如说，车内音响和视频，它们的图像和语音要同步，为了同步输出，必定有一方要等待另一方，即时延规范化（其中AVTP Listener的缓存区必须足够大以容纳时延，这个缓存量足以规范由网络跳数不同所产生的时延差）如5图所示，音响的数据传输要经过七跳，而视频的数据传输只需经过两跳，假设其他条件一样，很明显，视频数据流需等待音频数据流，两者同步输出。



图5 同步输出

网络时延测量
测量工具选择英特佩斯RAD_Galaxy，如图6所示，作为支持标准8 线千兆以太网网关工具，RAD_Galaxy可以使标准以太网设备、电脑、或者数据记录仪兼容BroadR-Reach。它包含12个BroadR-Reach收发器芯片（PHYs），最高可监控6路网络，可插入到6对BroadR-Reach节点或6个BroadR-Reach节点和交换机之间，监控链路上报文的传输情况。



图6 英特佩斯RAD_Galaxy

如图7所示，Galaxy有三种路由旁通方式：1）PHY层路由：低时延；2）MAC层路由：错误帧过滤；3）软路由：灵活配置。只通过PHY层时，相当于一个简单的转发过程，所有的报文，包括错误帧都会发出来，而通过MAC层路由时，会简单分析一下它的报头，过滤掉大部分错误帧，当软路由时，经过的OSI上层，报文会被完整的“分析”一遍，相应的，时延也就增大了。



图7 RAD_Galaxy路由旁通方式

我们搭建了一个360°环视系统试验台，如图8所示，将Galaxy加到360°环视系统中，相当于原先的每条完整的线路被分成两段，接到Galaxy的成对的博通以太网接口中，而电脑中上位机软件通过RJ45千兆以太网连到Galaxy的控制端口。



图8 360°环视系统试验台

在VehicleSpy软件中，设置设备的TAP测量模式，然后运行在监控模式下，如图9所示，可以分析各报文的头部信息，尤其是时间戳的信息。



图9 报文信息

综上，通过Galaxy设备的测量记录，按照AVB协议对报文进行分析，便可以知道搭建的网络中各数据流时延的分布，能够准确的评估被测系统的各网段时延，帮助网络测试工程师定位以太网控制器时延相关的问题。