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        快速了解時間敏感網絡(TSN)_Part1

                在過去的幾年間,以太網憑借開放的協議、良好的擴展性以及較高的帶寬等優勢為自己在車載領域贏得了一席之地。隨著車載應用范圍的擴大,也有越來越多的以太網技術涌現出來。
         
                今天我們就來聊一聊時間敏感網絡(TSN),讓大家快速了解這一技術。話不多說,大家坐穩扶好,我們這就開始啦~
         

        TSN是什么?它能給我們提供什么?

                TSN的全稱是Time Sensitive Network即:時間敏感網絡(TSN)。大家通過這個名字就大致可以看出其和網絡上的時間,更準確的說是傳輸的延時有關。的確,服務時間敏感應用及系統,保證數據在準確的時間內以最小的時間抖動進行傳輸,是TSN的重要目的之一。
         
                隨著EE架構的升級,未來架構會向著Domain和Zonal型架構發展,除了影音娛樂域之外,以太網也會被應用到諸如車身域,底盤域,ADAS以及主干網上。更為復雜的應用場景,更多的數據類型將給我們的車載網絡提出了更高的要求。
         
        圖1 Zonal架構舉例
         
                以圖1的Zonal架構示意為例,系統在處理傳感器數據,發布控制指令等過程中,對于網絡提出了很多需求,諸如:
         
        •  低延遲需求:
        系統中涉及的一些安全相關類數據,有低延遲和高確定性的需求。
         
        •  高魯棒性需求:
        安全相關類數據對于丟幀或者誤傳的容忍度很低。系統中對此類數據,通過復制發送和多通路發送來實現冗余處理,以提高系統的安全等級。
         
        •  時間同步需求:
        流媒體的同步播放,傳感器的數據融合,精準控制指令的發布都需要車內節點的時鐘同步來保證。
         
        •  監控及安全需求:
        TBOX的外來數據監控過濾,及車內關鍵節點數據監控過濾。
         
        表1車載通信數據分類
         
                同時,根據IEEE 的數據,未來車載數據可大致按照表1分類。我們在表中除了可以發現圖1提出的需求之外,還可以看到安全相關類數據的延遲需求為小于1ms,而第一代時間敏感網絡AVB無法滿足這樣的延遲需求(目前AVB僅能實現2ms的延時保證,而且AVB并不關注數據的確定性)。
         
                因此為了滿足日益增加的網絡需求,TSN協議提供了對應的解決辦法:
        •  高等級的時鐘同步 (Time-Sync)
        •  更低的端對端延遲及確定性(Quality of Service)
        •  高容錯性及高系統魯棒性(Redundancy)
        •  安全機制(Security)
         
                圖2列舉了不同功能下的各個TSN協議。其中,綠色勾選出來的協議是目前在車載方向應用意義較大的協議。我們會在后面的文章中詳細地介紹各個協議的機制。
         
        圖2 車載TSN協議族
         
                以上用一句話總結:TSN是以太網在車載領域獲得更廣泛應用的關鍵。
         

        車載TSN的應用情況

                TSN本身的技術成熟度不低,雖然TSN協議在車載領域是一個新的技術,但在工業自動化領域中TSN已經被廣泛的應用。目前歐洲的一些大型OEM已經開始應用TSN技術,其中以自動駕駛和輔助駕駛及域間通信等功能為主。預計2022-2023年,將會有整車應用TSN的車型量產。
         
                芯片廠商目前也對TSN協議族有著良好的支持情況,特別是今明兩年量產的下一代產品,例如NXP的SJA1110和Marvell的88Q6113等,都將普遍支持TSN協議。
         

        TSN協議介紹

                通過上面的介紹,我們已經對TSN是什么有了一個初步的認識。下面我們更進一步,通過協議的機制介紹來了解一下TSN是如何運作的。
         
                總體來看,TSN協議族主體是一個二層的協議,屬于IEEE 802.1 協議體系(這里除了幀搶占的部分協議802.3bu以外)。因此其Payload形式可以更加靈活,不僅僅局限于IP數據幀,還可傳輸自定義的數據幀。同時其機制大部分通過硬件來實現,處理的延遲基本可以忽略不計。
         

        IEEE 802.1AS-Rev 時鐘同步機制

                時鐘同步機制通過節點間同步報文的發送,鏈路延遲的計算,時滯延遲的疊加最終實現各個節點與主時鐘(Grandmaster)的時鐘同步。主時鐘會通過報文將自己的原始基準時間(now)告知系統中的其它節點。從主時鐘發布時間基準到被其他節點收到,會經歷一段時間(t)。以圖3為例,主時鐘與左下角的終端節點進行同步,主時鐘從發布基準時間到被終端節點收到所經歷的時間t包含:2段鏈路延遲(d1, d2)以及一個switch的時滯延遲(r1)。當終端節點收到基準時間的時候其實已經是T=now+d1+d2+r1,那么只要終端節點能夠清晰的知道d1, d2和r1(通過同步報文交互實現的,這里就不做詳細介紹了,大家有興趣可以閱讀IEEE 802.1AS相關章節)并在收到時間基準的時候把自己的時鐘設置成T,就完成了與主時鐘的同步。同理,其余被同步節點的時鐘計算也是一樣的,只是同步鏈路上的時間t會有所不同。
         
        圖3 時鐘同步應用示意
         
                整個同步的過程基本沿用了IEEE 802.1AS中的機制。但是IEEE 802.1AS-Rev 在原有的同步機制上擴充了冗余機制。以圖4為例冗余包括:
         
        •  主時鐘冗余:
                現行主時鐘(左上角)和熱備份主時鐘(右下角)實時同步,實時運行。一旦主時鐘發生問題,控制器可切換到與備份主時鐘同步。
         
        •  時鐘通路冗余:
                每個主時鐘維護兩條時鐘通路(深淺顏色區分),一條發生故障后,可切換至另一條通路。
         
                因此圖4中的同步網絡總共維護了4個時鐘域,相比IEEE 802.1AS車載中中僅維護一個時鐘域的設計,Rev極大的提高了系統的可靠性。
         
                除此之外,相較IEEE802.1AS,Rev還引入了1588中的one-step的同步機制。相較two-step的機制在一定程度上較小了軟件的壓力。但目前來看,車載中的必要性不是很強,Rev也可繼續沿用two-step的同步機制。
         
        圖4 IEEE 802.1AS –Rev 冗余時鐘機制 (圖片來自IEEE 802.1AS-Rev)
         
                進度條已然撐不住了,關于TSN的介紹今天就先告一段落吧,希望今天的內容能對大家有所幫助。下一期我們將會介紹上面提到的其余TSN協議。欲知TSN如何降低延遲,如何完成冗余處理,我們下回分解~
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