【導讀】跨橋接網(wǎng)絡(luò )實(shí)現面向數據分組的通信已成為一項全球標準。如今，它廣泛應用于各種不同規模和復雜性各異的系統中，例如服務(wù)器和飛機、小型遙控設備、遠程傳感器以及許多物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用。
由于以太網(wǎng)與物理層分離，所以可通過(guò)不同的物理介質(zhì)對以太網(wǎng)幀或IP數據包進(jìn)行透明傳輸。因此，通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型進(jìn)行連接的設備彼此之間可以無(wú)縫通信。例如，使用蜂窩連接的手機和使用INICnet?（ISO21806）網(wǎng)絡(luò )的車(chē)載控制單元（通過(guò)汽車(chē)遠程信息處理單元或網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行通信。IP數據包可從發(fā)送方路由到接收方。
如此看來(lái)暫且還好，但是在傳輸時(shí)間、延遲時(shí)間、抖動(dòng)和丟包方面，情況如何呢？遺憾的是，原始以太網(wǎng)存在不確定性，也就是說(shuō)，它無(wú)法控制允許設備發(fā)送數據的時(shí)間和數據量，也無(wú)法控制數據包的傳輸路徑。兩個(gè)設備之間的傳輸時(shí)間總是變化，并且在網(wǎng)絡(luò )擁塞時(shí)可能會(huì )發(fā)生丟包情況。對于必須確保低延遲和信息傳遞的關(guān)鍵型應用，這樣的特性是不匹配的。
專(zhuān)有的總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有低延遲和確定性，但只能成為一種有限的解決方案。所有市場(chǎng)都趨向于不依賴(lài)任何特定制造商的標準化開(kāi)放技術(shù)。此外，標準技術(shù)既不需要特殊的專(zhuān)業(yè)知識，也無(wú)需復雜且昂貴的網(wǎng)關(guān)。
因此，業(yè)界社區多年來(lái)一直在研究以太網(wǎng)的弱點(diǎn)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，市場(chǎng)上出現了各種用來(lái)改善以太網(wǎng)實(shí)時(shí)特性的解決方案，其中包括AVB/TSN。
IEEE工作組于2008年開(kāi)始制定音視頻橋接（AVB）技術(shù)。當時(shí)的目標是為了改善通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間關(guān)鍵型音頻和視頻數據傳輸的特性。術(shù)語(yǔ)AVB不僅包含IEEE 802.1BA標準，還包含以下標準：
IEEE 802.1AS：時(shí)間同步
IEEE 802.1Qav：調節交換機中幀的傳輸和中間緩沖
IEEE 802.1Qat：音頻流和視頻流的動(dòng)態(tài)帶寬分配
IEEE 1722：傳輸協(xié)議
IEEE 1722.1：支持AVB的網(wǎng)絡(luò )和設備的動(dòng)態(tài)配置
該標準于2011年完成定稿并發(fā)布，最初用于各種多媒體應用，后來(lái)用于工業(yè)領(lǐng)域，專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳輸時(shí)間關(guān)鍵型命令或傳感器數據。隨著(zhù)AVB技術(shù)在非多媒體領(lǐng)域的應用逐漸引起更多關(guān)注，IEEE成立了一個(gè)名為“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )”（TSN）的新工作組。TSN工作組采用了AVB工作組的標準，并在專(zhuān)業(yè)音頻視頻、工業(yè)、汽車(chē)和航空航天等領(lǐng)域解決了更廣泛的應用問(wèn)題。
在汽車(chē)領(lǐng)域，至今仍在沿用最初的AVB標準，但在某些情況下已開(kāi)始使用TSN工作組的修訂版。本文主要討論AVB標準，此標準可視為等同于TSN標準。
圖1：AVB系統通?？蓪?shí)現這些要素的不同子集
使用gPTP進(jìn)行時(shí)間同步
通用精密時(shí)間協(xié)議（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統的共同基礎。其用途類(lèi)似于計算機領(lǐng)域中廣為人知的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議（NTP）。NTP確保計算機時(shí)鐘在本地網(wǎng)絡(luò )中與參考時(shí)間同步，在最佳應用條件下可達到毫秒級精度。該精度可以完全滿(mǎn)足計算機和服務(wù)器的需求，但對于同步或時(shí)間關(guān)鍵型應用來(lái)說(shuō)則太不精確。
圖2：gPTP基準與gPTP客戶(hù)端之間的交互
gPTP可確保以太網(wǎng)設備中具有更加精確的時(shí)基，通?？蛇_微秒級甚至納秒級。實(shí)質(zhì)上，gPTP包括兩種機制：基準時(shí)間分發(fā)和傳輸時(shí)間計算。
時(shí)間從一個(gè)或多個(gè)時(shí)間基準節點(diǎn)（根據IEEE標準為“gPTP主機”）分發(fā)到一個(gè)或多個(gè)客戶(hù)端（根據IEEE標準為“gPTP從機”）。類(lèi)似于IEEE 1588的兩步過(guò)程，gPTP總是連續發(fā)送兩個(gè)幀：“Sync”和“Sync Follow-Up”?？蛻?hù)端使用其中包含的時(shí)間戳將其本地時(shí)鐘重置為基準時(shí)間，從而確保網(wǎng)絡(luò )中的所有設備都使用完全相同的時(shí)基。
但是，只有將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )所需的傳輸時(shí)間也考慮在內，才能確保很準確的時(shí)基。要實(shí)現這一點(diǎn)，應在直接相鄰的節點(diǎn)之間始終成對執行對等延遲測量。這樣，每個(gè)節點(diǎn)所測傳輸時(shí)間的總和會(huì )產(chǎn)生對等延遲值，繼而可根據該值校正gPTP時(shí)間。
傳輸協(xié)議
IEEE 1722－AVTP
音視頻傳輸協(xié)議是通過(guò)以太網(wǎng)AVB技術(shù)傳輸音頻/視頻數據以及時(shí)間關(guān)鍵型數據的標準傳輸協(xié)議。它是一種用于通過(guò)MAC地址訪(fǎng)問(wèn)設備的輕量級ISO/OSI Layer2協(xié)議。因此，這種方式無(wú)需集成全部的IP協(xié)議棧，有助于最大限度地減小項目和設計的規模、成本和復雜性。
IEEE 1733－RTP/RTCP
RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均為基于IP的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，適用于通過(guò)以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數據。這些協(xié)議多年來(lái)已廣泛用于各種工業(yè)級和消費類(lèi)設備，包括視頻監控攝像頭和對講設備。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本，適用于通過(guò)AVB進(jìn)行同步傳輸，因此可作為基于IP的解決方案替代IEEE 1722。
流量整形
以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )通常由大量端點(diǎn)（計算機和電子設備）和網(wǎng)橋（交換機和網(wǎng)關(guān)等）組成。無(wú)論選擇哪種傳輸協(xié)議，數據都會(huì )封裝成以太網(wǎng)幀，然后從發(fā)送方通過(guò)多個(gè)網(wǎng)橋（躍點(diǎn)）路由到接收方。幀的傳輸方式和傳輸時(shí)間存在不確定性。傳輸路徑上的網(wǎng)橋將以較快或較慢的速度進(jìn)行幀轉發(fā)（存儲轉發(fā)和直通轉發(fā)）。在網(wǎng)絡(luò )擁塞的情況下，這些幀有時(shí)需要緩沖一段時(shí)間，在最糟情況下甚至可能會(huì )丟失。
工業(yè)和汽車(chē)系統應具有較低的確定性延遲，并且最重要的一點(diǎn)，必須確保無(wú)丟幀風(fēng)險的可靠傳輸。流量整形（“IEEE 802.1Q－服務(wù)質(zhì)量”部分）可解決此需求。流量整形定義了網(wǎng)橋根據幀的優(yōu)先級對幀進(jìn)行處理的策略。流量整形有幾種標準，例如：
● IEEE 802.1Qav：時(shí)間敏感流的轉發(fā)和排隊增強功能（FQTSS），有時(shí)稱(chēng)為“基于信用值的整形器”（CBS）。
● IEEE 802.1Qbv：調度流量的增強功能，通常稱(chēng)為“時(shí)間感知整形器”（TAS）
● IEEE 802.1Qch：循環(huán)排隊和轉發(fā)
● IEEE 802.1Qcr：異步流量整形
汽車(chē)行業(yè)主要使用CBS和TAS。
CBS－基于信用值的整形器（802.1Qav）
使用基于信用值的整形器時(shí)，每個(gè)以太網(wǎng)設備都會(huì )獲得一個(gè)用于發(fā)送幀的信用值。只要信用值仍為正數，設備就可以繼續發(fā)送幀。當信用值用完后，設備將無(wú)法再發(fā)送幀。必須等到補充信用值后才能再次開(kāi)始發(fā)送。
該策略可確保帶寬的有效利用。其中沒(méi)有預定義的時(shí)隙。如果端點(diǎn)需要間歇性地發(fā)送數據，則可以累積其信用值，然后一次全部用完。使用CBS配置AVB網(wǎng)絡(luò )比較簡(jiǎn)單。
TAS－時(shí)間感知整形器（802.1Qbv）
與Qav不同，IEEE 802.1Qbv策略依賴(lài)于時(shí)隙模型。該策略并非基于要發(fā)送的數據量，而是側重于傳輸的頻率。節點(diǎn)不能再進(jìn)行任意時(shí)長(cháng)的發(fā)送，但允許進(jìn)行很規律地傳輸。這意味著(zhù)可以實(shí)現更低且更具確定性的延遲。
而Qbv的缺點(diǎn)是，無(wú)法確保網(wǎng)絡(luò )帶寬始終得到有效利用。如果端點(diǎn)不使用其時(shí)隙，將會(huì )丟失這些時(shí)隙以及帶寬。但這種影響可通過(guò)使用幀搶占模式進(jìn)行抵銷(xiāo)（IEEE 802.1Qbu）。
與AVNU的互操作性
系統架構師可以通過(guò)各種可用的組件來(lái)實(shí)現AVB?？梢愿鶕到y要求實(shí)現不同的AVB子集。雖然這有助于最大限度地減少硬件組件（僅實(shí)現實(shí)際所需的組件），但也可能會(huì )導致一些互操作性問(wèn)題，因為不同供應商提供的設備不一定支持完全相同的AVB功能。而且，工程師有時(shí)會(huì )以不同的方式來(lái)解釋IEEE標準，從而使情況變得更加復雜。
為了確保供應商之間實(shí)現互操作性，AVNU聯(lián)盟為汽車(chē)領(lǐng)域制定了“以太網(wǎng)AVB功能和互操作性規范”，其中定義了每個(gè)設備中應實(shí)現的AVB子集和相關(guān)參數的基準。對于支持AVB的設備，可以經(jīng)由外部測試機構或使用內部專(zhuān)用測試設備測試其AVNU兼容性。
實(shí)際實(shí)現
圖3：典型的以太網(wǎng)AVB評估系統
在實(shí)際應用中，支持AVB的網(wǎng)絡(luò )包括多個(gè)組件：交換機、PHY和端點(diǎn)。所有交換機和端點(diǎn)都必須支持AVB才能實(shí)現所需的性能。
得益于IEEE標準、AVNU和OpenAlliance（注：檢查R/TM標記）規范，不同供應商提供的組件（如PHY和交換機）如今可實(shí)現高水平的互操作性。
但是，在端點(diǎn)中實(shí)現AVB仍然是一項復雜而繁瑣的任務(wù)。這些系統通?；赟oC或高端單片機而開(kāi)發(fā)，其中需要集成許多軟件：實(shí)時(shí)操作系統、Autosar架構以及AVB協(xié)議棧，這些軟件通常需要從第三方獲得相應的授權。AVB端點(diǎn)（比如Microchip的LAN9360）是一個(gè)令人關(guān)注的替代方案。這些端點(diǎn)由一種集成AVB協(xié)議的智能以太網(wǎng)控制器組成。因此，AVB可以直接部署為基于硬件的解決方案，而無(wú)需進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。
結論
自IEEE的AVB工作組成立以來(lái)，AVB/TSN技術(shù)現在已達到很高的成熟度水平?！癆VB汽車(chē)”已經(jīng)上路，越來(lái)越多的原始設備制造商開(kāi)始參與其中。得益于其開(kāi)放式的標準化技術(shù)，許多具有互操作性的硬件和軟件已作為優(yōu)化的COTS產(chǎn)品供人們使用。在過(guò)去，“全以太網(wǎng)汽車(chē)”愿景曾備受質(zhì)疑，而如今它不再是遙不可及的空想。
來(lái)源：Microchip
作者：Francis Ielsch，AIS產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
無(wú)需附加傳感器的升壓PFC變換器輸入功率估算可行性與準確性分析
