從傳統車載網絡到AVB/TSN

說起乙太網，相信大家都很熟悉，畢竟在當下的資訊時代，離開了網絡的日子是無法想像的。但是，與普通的乙太網相比，車載乙太網是個什麼鬼？為什麼要單獨提出來說？這二者之間又有什麼區別呢？EAVB和TSN又是個什麼高大上的東東？別著急，聽我慢慢道來。。。

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傳統車載網絡簡介很明顯的，車載乙太網本質上來說就是一種車載網絡通信技術。所以，在開始介紹車載乙太網之前，我們要先介紹一下傳統的車載網絡通信技術。傳統的車載網絡主要有CAN、LIN、FlexRay 及 MOST：

CAN 總線是一個性能穩健並久經車輛實踐應用的網絡，具備成本低與高可靠性特點，已成為各汽車製造商車載網絡設計應用的首選網絡；

LIN 總線適合用於汽車車窗、天窗、座椅、車內照明等通信速度較低的應用場景，在滿足通信速度需求與無需 CAN 總線性能的同時可進一步降低網絡成本，因此在現代汽車應用中通常作為 CAN 總線的補充網絡；

FlexRay 提供兩個獨立信道，採用雙信道冗餘結構，基於時間發送報文，所有節點共享高準確時基，實現最高級別的可靠性，該總線用於滿足汽車環境下獨特的網絡需求，支持重要的安全線控技術應用，如線控轉向、線控制動等，廣泛用於德系豪華車的底盤系統與輔助駕駛系統；

MOST 用於滿足車載信息娛樂應用的特殊需求，內置流媒體數據信道，高數據帶寬，支持多種光纖電纜布線方式，EMC 性能良好，主要應用於汽車音頻、視頻數據傳輸；2010年之後，汽車電子行業開始爆發，導致ECU的數量和運算能力和傳輸帶寬等方面的需求都呈現爆發式增長，而這個現象在ADAS時代和即將到來的無人駕駛時代將會更加明顯，這就造成汽車電子系統成本大增：一方面是ECU系統數量和質量的增加，由於是分布式計算，大量的運算資源被浪費了，由此產生的成本增加大約300-500美元，如果沿用目前的電子架構體系，產生的成本增加最少也是1000美元。另一方面是線束系統。一輛低端車的線束系統成本只要大約300美元，重量大約30公斤，長度大約1500米，線束大約600根，1200個接點。而目前一輛豪華車的線束系統成本大約550-650美元，重量大約60公斤，線束大約1500根，長度大約5000米，3000個接點。如果沿用目前的電子架構體系，無人車時代的線束成本不會低於1000美元，重量可達100公斤。車載乙太網技術簡介如上所述，隨著汽車科技化、智能化、網絡化的不斷發展，汽車 ADAS 系統、高清車載娛樂系統、車聯網系統、雲服務及大數據等新興技術在車輛上的應用，現有車載總線無法滿足當前需求，亟需一種高帶寬、可開放、可擴展、兼容性強及網絡聚合便捷的車載網絡，同時滿足車載嚴格法規要求、車載電氣環境、高可靠性要求。因此，一種新型車載網絡（車載乙太網）應運而生。車載乙太網是一種連接車內電子單元的新型區域網技術，與普通民用乙太網使用 4 對非屏蔽雙絞線電纜不同，車載乙太網在單對非屏蔽雙絞線上可實現 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的數據傳輸速率，同時滿足汽車行業高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。因此可以理解為，車載乙太網在民用乙太網協議的基礎上，改變了物理接口的電氣特性，並結合車載網絡需求專門定製了一些新標準。針對車載乙太網標準，IEEE組織也對IEEE 802.1和IEEE 802.3標準進行了相應的補充和修訂。車載乙太網被定義為下一代車載區域網路技術，短期內無法全部取代現有車載網絡，其在汽車行業上的應用需要一個循序漸進的過程。依據車載乙太網在汽車網絡上的應用過程，大致可分為 3 個階段：局部網絡階段、子網絡階段、多子網絡階段。車載乙太網協議是一組多個不同層次上的協議簇，但通常被認為是一個4層協議系統：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層，每一層具有不同的功能。4層結構對應於 OSI 參考模型，並且提供了各種協議框架下形成的協議簇及高層應用程式，車載乙太網及其支持的上層協議的技術架構見下圖。
車載乙太網與傳統乙太網有啥區別乙太網是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）於1973年提出的，乙太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及衝突檢測）技術，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進行組網。包括標準的乙太網（10Mbit/s）、快速乙太網（100Mbit/s）、千兆網（1Gbit/s）和10G（10Gbit/s）乙太網。它們都符合IEEE802.3 。乙太網中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說在網卡的物理埠會在每一個單位時間內「寫入」或是「讀取」一個電位值（0或1）。那麼這個單位時間對於1Gbps帶寬來說就是1÷1000,000,000=1ns，每8個位（bit）相當於1個字節（Byte）。多個字節（Byte）可以組成一個數據幀。乙太網傳輸數據是以幀為單位的。乙太網規定每一個數據幀的最小字節是64byte，最大字節是1518byte。實際上每個數據幀之間還會有一個12位元組的間隔。由於帶寬通常是由多個設備共享的，這也是乙太網的優勢所在。但是所有的發送端沒有基於時間的流量控制，並且這些發送端永遠是盡最大可能發送數據幀。這樣來自不同設備的數據流就會在時間上產生重疊，即我們通常所說的衝突。因為所有數據流重疊/衝突的部分會遵循QoS優先機制【QoS，Quality of Service，即服務質量，它提供了針對不同用戶或者不同數據流採用相應不同的優先級，或者是根據應用程式的要求，保證數據流的性能達到一定的水準】進行轉發，一部分的數據包肯定會被丟棄。在IT專業裡有一個不成文的規定。當某個交換機的帶寬佔用率超過40%時就必須得擴容，其目的就是通過提高網絡帶寬來避免擁堵的產生。由於乙太網的發明時間太早，並沒有考慮實時信息的傳輸問題。儘管RTP（Realtime Transport Protocol）能在一定程度上保證實時數據的傳輸，但並不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制。因此，想要對所有的數據包進行排序，就離不開對數據的緩衝（Buffer）。但一旦採用緩衝的機制就又會帶來新的問題—極大的「延時」。換句話說，當數據包在乙太網中傳輸的時候從不考慮延時、排序和可靠交付。傳統乙太網最大的缺點是不確定性或者說非實時性，由於Ethernet採用CSMA/CD方式，網絡負荷較大時，網絡傳輸的不確定性不能滿足工業控制的實時要求，故傳統乙太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通信的實時性要求，一直被視為「非確定性」的網絡。儘管傳統二層網絡已經引入了優先級(Priority)機制，三層網絡也已內置了服務質量（QoS）機制，仍然無法滿足實時性數據的傳輸。此外，在傳統乙太網中，只有當現有的包都處理完後才會處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車內應用的需求。更何況目前是Mbit/s的速率，延遲最多可能達上百毫秒，這肯定是無法接受的。普通乙太網採用的是事件觸發傳輸模式，在該模式下端系統可以隨時訪問網絡，對於端系統的服務也是先到先服務。事件觸發模式的一個明顯的缺點是當幾個端系統需要在同一傳輸媒介上進行數據通訊時，所產生的傳輸時延和時間抖動會累積。EAVB和TSN技術是什麼隨著音視頻娛樂大量進入汽車座艙，IEEE開始著手開發用於音視頻傳輸的乙太網，這就是EAVB。EAVB即Ethernet Audio VideoBridging，翻譯過來就是乙太網音視頻橋接技術。它是IEEE的802.1任務組於2005開始制定的一套基於新的乙太網架構的用於實時音視頻的傳輸協議集。乙太網默認的轉發機制叫做「Best Effort」，即盡力而為。也就是說當數據包抵達埠後，本著先入先出的原則轉發。當網絡的流量稀疏，這本不是一個問題。但在實際環境中，大量的數據包極有可能在一瞬間抵達埠。當然，埠可以在一定程度上緩存並延時轉發，但我們一方面是不能容忍過大的延時轉發，另一方面交換機的物理埠緩存也非常小，不可能有效解決大量數據包瞬間抵達的問題。這種情況下，我們只能對數據中比較重要或是強調實時性的數據包進行優先轉發。這就要依靠QoS來對所有的數據包進行分類和標註，並依據規則來進行較為智能的轉發。目前市場上較大多數的需要低延時的實時傳輸採用QoS這一技術。但QoS能否徹底解決網絡擁堵的問題嗎？由於Best Effort的機制，通常具有一定帶寬的一個數據流會在每秒中不同時間段傳輸，儘管所佔用的帶寬相等，但在每個時間段上的時間節點卻不同。如下圖所示，這樣在多個數據流共存的時候，就會很容易產生帶寬重疊的現象，從而導致丟包。

我們所希望看到的是每一個數據流都儘可能按照時間順序排序從而有效避免不同數據流在同一通道中傳輸時產生重疊，進而提高帶寬的利用率。如下圖所示：

我們發現實時音視頻流恰好是沿等長的時間間隔發布數據的。比如說：一個24比特48K採樣的專業音頻通道，每個採樣的時間間隔是20.83 µs。如果我們按照每6個採樣封裝成一個數據包，那麼每個數據包的固定間隔就是125 µs。每個數據包是由兩個部分組成，數據報頭（74位元組）+音頻通道採樣數據（24位元組X通道數）。

為了避免帶寬重疊，我們所需要做的就是將幾個不同的音頻流進行流量整形（Traffic shaping）。以達到提高可靠交付的目的。這裡大家要注意，我指的是流量整形而不是流量控制（Traffic Control）。比如在一個帶寬裡，有非實時數據和3個實時數據流。未經整形的帶寬，極易產生重疊：

而經過流量整形每個流所佔的帶寬會在同一個時間節點。所有的非實時流可以見縫插針提高對帶寬的佔用率。這就是AVB的基本原理。

AVB不僅可以對發送端比如各種音視頻設備的網絡埠進行流量整形，還可以對交換機中的每個轉發節點進行整形。從而確保每個音視頻流只佔用各自相應的帶寬而不對其他數據產生影響。

必須採用基於MAC地址的傳輸方式即二層傳輸或是基於IP位址UDP的傳輸方式，從而減小數據包的開銷以及降低傳輸延時；

由於二層傳輸和UDP均不屬於可靠交付，因此必須依靠QoS來「儘可能」保障可靠交付；

所有數據包需要有「時間戳」(Time Stamp)，數據抵達後根據數據包頭的「時間戳」進行回放。因此各個網絡終端設備必需進行「時鐘同步」也就是通常所說的時鐘校準；

數據包被轉發時需採用隊列協議按序轉發，從而儘可能做到低延時；

但是EAVB一直沒推廣開，原因在於汽車領域內傳輸音視頻流最典型的應用是後座娛樂系統，這種系統完全不用考慮延遲，那就是哄小孩的。而其他應用大多是純視頻，EAVB需要硬體壓縮然後再解壓，這就大幅度增加成本。純視頻可以採用低成本傳輸方式，比如GMSL、MIPI或FPDLINK。所以EAVB一直沒有什麼應用，在2011年3月，美國SAE跨界推出AS 6802標準，這是一種飛機航天領域內乙太網應用的標準，也可以在汽車上用。IEEE受到刺激，在2012年11月，將EAVB小組改名為TSN（Time Sensitive Networking），翻譯過來就是時間敏感網絡。

TSN主要定位數據鏈路層，在物理層方面，IEEE也做了新標準，這就是IEEE 802.3bp和IEEE 802.3bw，IEEE的目標不僅是車載領域，還包括了工業乙太網。TSN主要支持者包括思科、英特爾、瑞薩、德國工業機器人巨頭KUKA、三星哈曼、寶馬、通用汽車、現代汽車、博世、博通、德州儀器、NXP、三菱電機、LG、Marvell、模擬器件，通用電氣。TSN是一系列標準，非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇，不過對技術實力差的廠家來說就很痛苦，不知如何選擇。

閱讀原文，關注作者CSDN

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