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        快速了解時間敏感網絡(TSN)_Part2

                大家好,上期我們介紹了TSN是什么,能夠給我們帶來什么好處以及TSN的用途。在文章的最后也給我們的協議介紹起了個頭,講解了TSN中用到的時鐘同步系統IEEE 802.1AS-Rev。如果有小伙伴漏掉了上期的內容,可以點此鏈接查看:快速了解時間敏感網絡(TSN)_Part1
         
                今天我們就開始介紹TSN協議族中的其他成員包括:延遲(TAS和幀搶占)、流量監控(802.1Qci)和冗余(802.1CB)
         

        IEEE 802.1Qbv Time Aware Shaper

                時間感知整形(TAS)可以說是TSN里的一個核心協議,正是它的應用為車內時間敏感數據提供了超低的延時及抖動的保證。我們知道,以太網的數據是在總線上串行傳輸的,如圖5,當有多個數據在交換機出口等待被轉出時(不同的數據會根據VLAN Tag中的優先級在不同的隊列中排隊等待),誰先出誰后出就決定了數據的延遲大小。
         
        圖5 以太網出口隊列示意圖
         
                TAS通過開關門的機制,來控制數據的發送。如圖6,通過右側的Gate Control list來控制每個隊列在某一時刻的開關門狀態,以右側黑框圈出的T05舉例,該時刻 隊列7到隊列0的開關門狀態分別是CoCCoCCC(C表示關門,o表示開門)。數據只有在開門的時候才可以進行發送,也就是說該時刻只有隊列6和隊列3可以發送數據。
         
        圖6 TAS 開關門控制 (圖片部分引自IEEE 802.1Q)
         
                一般來講 Gate Control List是周期循環的,在關鍵數據(圖7中TC1數據)發送前和發送中,我們會關閉其他數據的發送,以保證TC1數據不會受到影響。從而為TC1提供超低的延時保證。同時周期性開關門的特性也說明TAS更適合為周期性數據提供延時的保障。
         
        圖7 TAS舉例
         

        IEEE 802.1 Qbr & IEEE 802.3bu 幀搶占

                幀搶占是TSN協議族中另一個提供延遲保障機制的協議,該協議通過修改前導碼將正常的以太網幀分為兩類:Express MAC (EMAC 高優先級幀) 和 Preamble MAC(PMAC 低優先級幀)。通過高優先級幀可以打斷正在發送的低優先級幀這一特性,減小高優先級的等待時間。以圖8中的數據為例,正常情況下,第一行藍色的PMAC幀先發送后,即使后面再來的EMAC幀也必須等待當前正在發送的PMAC幀發送完成后才能發送。但是應用了幀搶占后,EMAC幀可以打斷PMAC幀進行發送,當EMAC幀發送完成后,剩余的PMAC幀再進行發送。這樣一來就可以節約下了EMAC幀的等待時間。
         
        圖8 幀搶占舉例
         
                除了幀搶占自己單獨使用可降低延時之外。還可以與上面提到的TAS結合使用以減小Grandband的大小(如圖9),從而在頻繁開關門的情況下提高網絡利用率。
         
        圖9 幀搶占結合TAS減小Grandband
         
                最后在應用幀搶占的時候有三點注意:
        •  數據 “被且僅被” 分成兩類:PMAC幀和EMAC幀
        •  需要依賴底層支持,將原有的MAC層分為EMAC 和 PMAC
        •  PMAC可被打斷的最小幀長度為124Bytes 小于該長度不能被打斷
         

        IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing

                TSN協議族中的PSFP協議類似防火墻的機制,它可以對轉發前的數據進行篩選和過濾,對特定標識的數據幀加以控制。以圖10為例,正常情況下ECU1和ECU2各自發送20Mbps數據,但是由于ECU1受到網絡攻擊或者自身發生錯誤,導致發送90Mbps的數據。此時由于switch出口處僅支持100M帶寬,那么ECU2最多只能發送10Mbps的數據,因此無法正常工作。
         
                如果該系統中應用了PSFP,那么此機制可以提前根據數據流的特征(VLAN,MAC地址,IP地址等)識別出ECU1所允許發送的數據流僅能為20Mbps,因此就會對其進行錯誤處理,方式分為兩種:
        •  PSFP限制:限制數據流發送,降低到預設值
        •  PSFP阻斷:完全阻斷錯誤數據流
         
                此外PSFP還可以防止網絡攻擊(例如ARP攻擊),以及通過其中的門控機制確保被篩選出的數據在特定的時機進行發送等。
         
        圖10:PSFP舉例
         

        IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER)

                802.1CB 協議主要負責數據的冗余備份傳輸,利用冗余機制解決環路網絡拓撲中,可能由CRC、線路開路,連接器斷開等導致的信息錯誤或丟失。如果應用了自動駕駛,并且有一個較高的功能安全等級,那么FRER幾乎成為了一個必然的選擇。
         
        圖11. R-tag 及序列號
         
         
         
                在發送時,其會為特定數據打上標簽和序列碼(如圖11),并且在不同通路上復制傳輸。在鏈路匯聚點處,復制信息會被識別并消除,以防止接收節點的上層應用處理多個重復數據。其應用大致分為兩種形式:終端節點承擔FRER工作(如圖12)或 Switch節點成端FRER工作(如圖13)。后者相比于前者,實現起來難度較低,設計變更和復雜程度也會相對較小。
         
        圖12. 終端節點承擔FRER功能
         
        圖13. Switch承擔FRER功能
         
                以上就是我們快速了解時間敏感網絡(TSN)的全部內容了。之后小編還會為大家帶來更多TSN的進階介紹,期待與大家的下次相遇~ 再見!
         
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