改善以太网实时性的AVB/TSN解决方案

通过桥接网络进行的面向数据包的通信已经确立起了的世界性标准。然而，原来的以太网不是确定性的，不适合实时应用。改善以太网实时性的一个解决方案是AVB/TSN。

以太网帧或IP包可以在不同的物理介质上透明地传输，因为以太网是与物理层解耦的。这意味着，通过不同网络类型连接的设备可以毫无问题地相互通信，例如，在汽车中使用无线连接的移动电话和使用INICnet网络（ISO21806）的控制单元（通过车辆的Telematic处理单元或网关）。IP数据包从发送方路由到接收方。

但传输时间、延迟、抖动和丢失的数据包怎么办？最初的以太网不是确定性的，也就是说，无法控制设备何时和多少数据被允许发送，也无法控制数据包的传输路线。两个设备之间的传输时间不断变化，如果网络过载，数据包就会丢失。这种行为与必须保证低延迟的关键应用是不相容的。

提供低延迟和确定性的专有总线和网络技术只是一个有限的解决方案。所有市场的趋势是走向标准化和开放的技术，不与特定的制造商相联系。此外，标准技术既不需要特殊的专业知识，也不需要复杂和昂贵的网关。

图1. AVB系统通常基于不同标准和协议的组合

 AVB解决方案 

各界对以太网的弱点已经研究了很多年。随着时间的推移，已经开发了各种解决方案来改善以太网的实时性，其中之一是AVB/TSN。AVB（音视频桥接）的话题是在2008年的一个IEEE工作组中开始的。当时，目标是改善以太网上时间关键的音频和视频数据的传输，通过以太网提供时间关键的音频和视频数据。AVB不仅包括IEEE 802.1BA标准，还包括以下标准（图1）：

- 用于时间同步的IEEE 802.1AS

- 用于交换机中传输控制和帧的中间缓冲的IEEE 802.1Qav

- 用于音频和视频流的动态带宽分配的IEEE 802.1Qat - IEEE 1722传输协议

- 用于动态配置支持AVB的网络和设备的IEEE 1722.1

该标准已于2011年完成并发布。

它首先被用于各种多媒体应用，后来也被用于工业部门，特别是用于传输时间紧迫的命令或传感器数据。随着人们对非多媒体应用的AVB兴趣的增加，在IEEE成立了时间敏感网络（TSN）工作组。TSN继承了AVB的标准，并在专业音视频、工业、汽车和航空航天等领域涉及更广泛的应用。

在汽车领域，最初的AVB标准至今仍在使用，但在某些情况下，TSN的修订版本已经在使用。本文主要涉及AVB标准，它相当于TSN。  

用gPTP进行时间同步 

通用精确时间协议（gPTP - IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系统的共同基础。其目的类似于计算机行业的网络时间协议（NTP）。NTP确保计算机时钟与一个参考时钟同步，精度为毫秒。这样的精度对于计算机和服务器来说是绝对够用的，但对于同步或时间紧迫的应用来说就太不准确了。gPTP在以太网设备中提供了更精确的时间基础，通常在微秒范围内，最好甚至是纳秒。



图2. 在时间同步过程中，gPTP基准和gPTP客户端之间的流程

gPTP基本上由两个机制组成：参考时间的分配和传输时间的计算（图2）。时间从一个或多个时间参考节点（根据IEEE标准的gPTP主节点）分配给一个或多个客户（根据IEEE标准的gPTP从节点）。

与IEEE 1588的两阶段程序类似，gPTP总是连续发送两个帧："SYNC "和 "Follow Up"。根据所包含的时间戳，客户机将其本地时钟重置为参考时间，这样网络中的所有设备就能以完全相同的时间为基础工作。

然而，只有同时考虑到网络上所需的传输时间，才能实现非常准确的时间基础。

为此，所谓的对等延迟测量总是在直接相邻节点之间成对进行的。然后，每个节点测量的传输时间的总和导致对等延迟值，通过该值修正gPTP时间。  

传输协议 

IEEE 1722-AVTP：音频视频传输协议是通过以太网AVB传输音频/视频数据以及时间关键型数据的标准传输协议。它是一个精简的ISO/OSI第二层协议，通过MAC地址对设备进行寻址。因此，没有必要集成一个完整的IP协议栈。这有助于最大限度地减少项目和设计的规模、成本和复杂性。

IEEE 1733-RTP/RTCP：RTP和RTCP（IETF RFC 3550）是基于IP的网络协议，用于通过以太网传输音频和视频数据。它们已经在所有工业和消费设备中使用了多年，如视频监控摄像机或InterCom设备。IEEE 1733是对RTP/RTCP的改进，用于与AVB同步传输，因此是基于IP的IEEE 1722的替代品。  

流量整形 

一个以太网网络通常由大量的终端（计算机、电子设备）和桥接器（交换机、网关等）组成。与所选择的传输协议无关，数据被封装在以太网帧中，从发送方通过几个桥接（hop）到接收方。帧的传输方式是不确定的。路由内的网桥以更快或更慢的速度转发帧（存储转发、直通）。在网络拥堵的情况下，帧有时会被缓冲一定的时间。在最坏的情况下，它们甚至可能丢失。

工业以及汽车系统需要低的、确定的延迟，最重要的是需要可靠的传输，没有帧丢失的风险。流量整形（IEEE 802.1Q--服务质量的一部分）被用于此目的。流量整形定义了网桥应如何根据优先级处理帧的策略。例如，有几个关于流量整形的标准，例如：

- IEEE 802.1Qav, 时间敏感流的转发和排队增强（FQTSS），也常被称为基于信用的整形（CBS）

- IEEE 802.1Qbv, 增强预定流量，通常也被称为时间感知整形（TAS）

- IEEE 802.1Qch, 循环排队和转发

- IEEE 802.1Qcr, 异步流量整形

其中CBS和TAS主要应用于汽车领域。 通过基于信用的整形，每个以太网设备收到一个信用，用于发送帧。只要信用仍然是正数，设备就可以继续传输。

之后，它必须等待，直到信用被补充。这种策略能够有效地利用带宽。没有预先定义的时间槽。需要不定期发送数据的节点可以收集他们的信用并一次性用完。

用CBS配置AVB网络是相对简单的。相比之下，时间感知整形TAS策略是基于时隙模型的。它不再基于要发送的数据量，而是基于传输的频率。节点不再被允许在任何长度的时间内发送，但它们被保证允许非常有规律地发送。因此，可以实现一个明显更低和更确定的延迟。

然而，Qbv的缺点是网络带宽并不总是被有效利用。如果节点不使用他们的时间槽，这些槽以及带宽就会丢失。  

与AVNU的互操作性 

对于AVB的实施，系统架构师可以利用各种可用的组件。根据系统要求，可以实现AVB的不同子集。一方面，这对硬件组件是有帮助的，但另一方面，它可能会导致互操作性问题，因为不同供应商的设备不支持完全相同的AVB功能。由于IEEE标准有时会被工程师们做出不同的解释，这使得情况更加复杂。

AVNU联盟，即所谓的以太网AVB功能和互操作性规范定义了汽车领域的AVB子集和相关参数的参考，这些参数应在每个设备中实现，以确保供应商之间的互操作性。具备AVB功能的设备可以由测试公司进行外部测试，或在内部用特殊的测试设备进行AVNU兼容性测试。  

AVB实践应用 

在实践中，支持AVB的网络由几个部分组成：交换机、PHY和节点。为了达到预期的性能，所有的交换机和节点都必须支持AVB。通过IEEE标准、AVNU和OpenAlliance规范，来自不同制造商的PHY和交换机等组件现在可以高度互操作。

然而，在终端节点实现音视频桥接仍然是一项复杂而漫长的开发任务。系统通常是在SoC或高端微控制器的基础上开发的，其中必须集成大量的软件：实时操作系统、Autosar和AVB协议栈，这往往还需要许可。

一种替代方案是使用特殊芯片的AVB节点。这是一种集成了AVB协议的智能以太网控制器。因此，AVB作为一个基于硬件的解决方案立即变得简便，不再需要软件开发。    

审核编辑：刘清