以太网AVB/TSN车内收集技能总结_以太网_节点

通过桥接管集进行的面向数据包的通信已经确立起了的天下性标准。
然而，原来的以太网不是确定性的，不适宜实时运用。
改进以太网实时性的一个办理方案是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，由于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，在汽车中利用无线连接的移动电话和利用INICnet网络（ISO21806）的掌握单元（通过车辆的Telematic处理单元或网关）。
IP数据包从发送方路由到吸收方。

但传输韶光、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，也便是说，无法掌握设备何时和多少数据被许可发送，也无法掌握数据包的传输路线。
两个设备之间的传输韶光不断变革，如果网络过载，数据包就会丢失。
这种行为与必须担保低延迟的关键运用是不相容的。

供应低延迟和确定性的专有总线和网络技能只是一个有限的办理方案。
所有市场的趋势是走向标准化和开放的技能，不与特定的制造商相联系。
此外，标准技能既不须要分外的专业知识，也不须要繁芜和昂贵的网关。

图1 AVB系统常日基于不同标准和协议的组合

AVB办理方案

各界对以太网的弱点已经研究了很多年。
随着韶光的推移，已经开拓了各种办理方案来改进以太网的实时性，个中之一是AVB/TSN。
AVB（音视频桥接）的话题是在2008年的一个IEEE事情组中开始的。
当时，目标是改进以太网上韶光关键的音频和视频数据的传输，通过以太网供应韶光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）。

该标准已于2011年完成并发布。
它首先被用于各种多媒体运用，后来也被用于工业部门，特殊是用于传输韶光紧迫的命令或传感器数据。
随着人们对非多媒体运用的AVB兴趣的增加，在IEEE成立了韶光敏感网络（TSN）事情组。
TSN继续了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运用。

在汽车领域，最初的AVB标准至今仍在利用，但在某些情形下，TSN的修订版本已经在利用。
本文紧张涉及AVB标准，它相称于TSN。

用gPTP进行韶光同步

通用精确韶光协议（gPTP - IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系统的共同根本。
其目的类似于打算机行业的网络韶光协议（NTP）。
NTP确保打算机时钟与一个参考时钟同步，精度为毫秒。
这样的精度对付打算机和做事器来说是绝对够用的，但对付同步或韶光紧迫的运用来说就太不准确了。
gPTP在以太网设备中供应了更精确的韶光根本，常日在微秒范围内，最好乃至是纳秒。

图2 在韶光同步过程中，gPTP基准和gPTP客户端之间的流程

gPTP基本上由两个机制组成：参考韶光的分配和传输韶光的打算（图2）。
韶光从一个或多个韶光参考节点（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"。
根据所包含的韶光戳，客户机将其本地时钟重置为参考韶光，这样网络中的所有设备就能以完备相同的韶光为根本事情。
然而，只有同时考虑到网络上所需的传输韶光，才能实现非常准确的韶光根本。
为此，所谓的对等延迟丈量总是在直接相邻节点之间成对进行的。
然后，每个节点丈量的传输韶光的总和导致对等延迟值，通过该值改动gPTP韶光。

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全的IP协议栈。
这有助于最大限度地减少项目和设计的规模、本钱和繁芜性。

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利用了多年，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

一个以太网网络常日由大量的终端（打算机、电子设备）和桥接器（交流机、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）到吸收方。
帧的传输办法是不愿定的。
路由内的网桥以更快或更慢的速率转发帧（存储转发、直通）。
在网络拥堵的情形下，帧有时会被缓冲一定的韶光。
在最坏的情形下，它们乃至可能丢失。

工业以及汽车系统须要低的、确定的延迟，最主要的是须要可靠的传输，没有帧丢失的风险。
流量整形（IEEE 802.1Q--做事质量的一部分）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：

个中CBS和TAS紧张运用于汽车领域。

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。
只要信用仍旧是正数，设备就可以连续传输。
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。
没有预先定义的韶光槽。
须要不定期发送数据的节点可以网络他们的信用并一次性用完。

用CBS配置AVB网络是相对大略的。
比较之下，韶光感知整形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。
节点不再被许可在任何长度的韶光内发送，但它们被担保许可非常有规律地发送。
因此，可以实现一个明显更低和更确定的延迟。
然而，Qbv的缺陷是网络带宽并不总是被有效利用。
如果节点不该用他们的韶光槽，这些槽以及带宽就会丢失。

与AVNU的互操作性

对付AVB的履行，系统架构师可以利用各种可用的组件。
根据系统哀求，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，由于不同供应商的设备不支持完备相同的AVB功能。
由于IEEE标准有时会被工程师们做出不同的阐明，这使得情形更加繁芜。

AVNU同盟，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子集和干系参数的参考，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，或在内部用分外的测试设备进行AVNU兼容性测试。

AVB实践运用

在实践中，支持AVB的网络由几个部分组成：交流机、PHY和节点。
为了达到预期的性能，所有的交流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和交流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旧是一项繁芜而漫长的开拓任务。
系统常日是在SoC或高端微掌握器的根本上开拓的，个中必须集成大量的软件：实时操作系统、Autosar和AVB协议栈，这每每还须要容许。
一种替代方案是利用分外芯片的AVB节点。
这是一种集成了AVB协议的智能以太网掌握器。
因此，AVB作为一个基于硬件的办理方案立即变得简便，不再须要软件开拓。