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2010年后，IEEE著手將以太網(wǎng)全面升級(jí)為TSN網(wǎng)，這個(gè)過程可能要用20年時(shí)間。TSN即Time-Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用范圍很廣，涵蓋6個(gè)領(lǐng)域，分別是：
1)、以太網(wǎng)音視頻橋即EAVB，802.1BA標(biāo)準(zhǔn)；
2)、5G射頻前傳FrontHaul，即802.1CM/de標(biāo)準(zhǔn)；
3)、工業(yè)自動(dòng)化即IEC/IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn)；
4)、車載TSN即802.1DG標(biāo)準(zhǔn)；
5)、服務(wù)供應(yīng)商Service Provider即802.1DF標(biāo)準(zhǔn)；
6)、航天Aerospace Onboard即IEEE P802.1DP/SAE AS6675標(biāo)準(zhǔn)。
其中，后面4個(gè)都是未完成，標(biāo)準(zhǔn)前會(huì)加“P”，比如車載TSN標(biāo)準(zhǔn)目前是P802.1DG，預(yù)計(jì)2024年全部完成。與TSN關(guān)系最密切的是車載以太網(wǎng)交換機(jī)芯片，無一例外，全球任何一家車載以太網(wǎng)交換機(jī)芯片都支持TSN，也必須支持。以太網(wǎng)交換機(jī)芯片也是智能駕駛和智能座艙必用芯片，以奔馳S級(jí)為例，每輛車至少有5片以太網(wǎng)交換機(jī)芯片。
車載以太網(wǎng)OSI模型
圖片來源：Marvell
車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分物理層PHY和鏈路層兩大類，TSN標(biāo)準(zhǔn)主要在第二層的鏈路層。車載以太網(wǎng)PHY標(biāo)準(zhǔn)主要是制定單對雙絞線標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)最大不同是傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要2-4對線，車載以太網(wǎng)只需要一對，且是非屏蔽的，僅僅此一項(xiàng)，就可減少70%-80%的連接器成本，可減少30%的重量。這是車載以太網(wǎng)誕生的最主要原因，同時(shí)也是為了滿足車內(nèi)的EMI電磁干擾。
車載以太網(wǎng)PHY標(biāo)準(zhǔn)分布
圖片來源：Marvell
車載以太網(wǎng)野心勃勃，10Base-T1S是試圖取代傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的。10Base-T1S即IEEE 802.3cg也就是OPEN Alliance的TC14，100Base-T1即IEEE 802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000Base-T1 ECU測試標(biāo)準(zhǔn)即OPEN Alliance的TC8，1000Base-T1即IEEE 802.3bp也就是OPEN Alliance的TC12，2.5/5/10GBase-T1即IEEE 802.3ch也就是OPEN Alliance的TC15標(biāo)準(zhǔn)。超過10G帶寬的802.3cy標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。
TSN工具一覽
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TSN本身并非是一項(xiàng)全新的技術(shù)。IEEE于2002年發(fā)布了IEEE 1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議。2005年，IEEE 802.1成立了IEEE 802.1AVB工作組，開始制定基于以太網(wǎng)架構(gòu)的音頻/視頻傳輸協(xié)議集，用于解決數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的實(shí)時(shí)性、低延時(shí)以及流量整形的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又確保與以太網(wǎng)的兼容性。AVB引起了汽車行業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)組織及企業(yè)的關(guān)注。IEEE成立了TSN工作組，進(jìn)而開發(fā)了時(shí)鐘同步、流量調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置系列標(biāo)準(zhǔn)集。在這個(gè)過程中，由AVnu、IIC、OPC UA基金會(huì)等組織共同積極推進(jìn)TSN技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。
工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)（包括B&R、TTTech、SEW、Schneider等）著手為工業(yè)領(lǐng)域的嚴(yán)格時(shí)間任務(wù)制定整形器，成立了整形器工作組，并于2016年9月在維也納召開了第一次整形器工作組會(huì)議。而后，有更多的企業(yè)與組織（包括德國工業(yè)4.0組織LNI、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC、中國的邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII等）加入TSN技術(shù)的研究，并構(gòu)建了多個(gè)測試床。2019年，IEC與IEEE合作成立IEC 60802工作組，并在日本召開了第一次工作組會(huì)議，以便工業(yè)領(lǐng)域的TSN開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)底層的互操作。同時(shí)，在OPC UA基金會(huì)也成立了(Field Level Communication,FLC)工作組，將TSN技術(shù)與OPC UA規(guī)范融合，以提供適用于智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的高帶寬、低延時(shí)、語義互操作的工業(yè)通信架構(gòu)。
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與傳統(tǒng)以太網(wǎng)比，TSN最大特色即確定性服務(wù)。
TSN信號(hào)傳輸流程
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網(wǎng)絡(luò)存在濾波數(shù)據(jù)庫、傳輸端口狀態(tài)監(jiān)測、隊(duì)列管理。這些都用于解決網(wǎng)絡(luò)資源分配與調(diào)度問題。而IEEE 802.1Qat所采用的流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，SRP）機(jī)制是一個(gè)對TSN進(jìn)行配置的標(biāo)準(zhǔn)。SRP在于讓網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)言者（Talker）用合適的網(wǎng)絡(luò)資源將數(shù)據(jù)發(fā)送給聽者（Listener）,并在網(wǎng)絡(luò)中傳播這些信息。而在終端節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)橋則維護(hù)一個(gè)發(fā)言者對一個(gè)或多個(gè)聽者注冊的相同數(shù)據(jù)流的路徑帶寬等資源的需求記錄。
TSN基本概念
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通過具體產(chǎn)品來了解一下TSN，與TSN關(guān)聯(lián)度最高的是車載以太網(wǎng)交換機(jī)，車載以太網(wǎng)交換機(jī)廠家可分為兩個(gè)梯隊(duì)，第一梯隊(duì)是美滿電子（Marvell）和博通，都有最高支持802.3ch的產(chǎn)品。博通略強(qiáng)，價(jià)格較高，Marvell價(jià)格略低。博通產(chǎn)品線太長，Marvell比較聚焦汽車和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，因此汽車市場Marvell市場占有率更高。第二梯隊(duì)包括Microchip、NXP和瑞昱。最高僅支持802.3cg，NXP提供整體解決方案，比較聚焦汽車領(lǐng)域，市場占有率比較高。瑞昱主打高性價(jià)比，大眾是其最大客戶。這5家基本上壟斷市場。
目前全球最先進(jìn)的車載以太網(wǎng)交換機(jī)芯片是博通的BCM89586M，不僅支持最高10G的802.3ch，也支持最新的802.3cg。TSN方面支持IEEE 802.1AS 2020、IEEE802.1CB、IEEE 802.1Qbv和IEEE 802.1Qci，是目前TSN支持度最高的芯片。IEEE 802.1AS 2020和IEEE 802.1Qbv是TSN必備要素，任何車載以太網(wǎng)交換機(jī)都必須支持。
IEEE 802.1AS 2020
所有通信問題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。它用于實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘同步。對于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時(shí)”，而是“最差狀態(tài)下的延時(shí)”—這如同“木桶理論”，系統(tǒng)的能力取決于最短的那塊板，即，對于確定性網(wǎng)絡(luò)而言，最差的延時(shí)才是系統(tǒng)的延時(shí)定義。
IEEE1588協(xié)議，又稱PTP（Precise Time Protocol，精確時(shí)間協(xié)議），可以達(dá)到亞微秒級(jí)別時(shí)間同步精度，于2002年發(fā)布version 1，2008年發(fā)布version2。其主要原理是通過一個(gè)同步信號(hào)周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，IEEE 1588PTP時(shí)鐘同步技術(shù)也可以應(yīng)用于任何組播網(wǎng)絡(luò)中。
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IEEE1588協(xié)議的同步原理，所提出的Delay Request-Response Mechanism（延時(shí)響應(yīng)機(jī)制）如上圖，IEEE1588把所涉及到的報(bào)文分為事件報(bào)文和通用報(bào)文，分類依據(jù)是：是否在收發(fā)報(bào)文時(shí)需要記錄精確時(shí)間戳，根據(jù)上文中所描述的幾種報(bào)文，可進(jìn)行如下分類：
事件報(bào)文(event message)<收發(fā)時(shí)候需要記錄精確時(shí)間戳>：sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。
通用報(bào)文(general message)<收發(fā)時(shí)候不需要幾率精確時(shí)間戳>：Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Signaling。
Pdelay_Req/Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通過peer延遲機(jī)制測量兩個(gè)時(shí)鐘端口之間的鏈接延時(shí)，鏈接延時(shí)被用來更正Sync和Follow_Up報(bào)文中的時(shí)間信息。
IEEE802.1AS-Rev是為以太網(wǎng)第二層所定義的1588規(guī)范加以擴(kuò)展，它的擴(kuò)展包括了所有域常用peer延遲服務(wù)，支持精細(xì)時(shí)間測量FTM，對鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時(shí)間戳標(biāo)準(zhǔn)化處理以及針對長鏈、環(huán)的支持，更好的響應(yīng)能力，這包括了更快的主站交互、降低BMCA收斂時(shí)間。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息傳輸以及冗余支持能力（可配置冗余路徑和冗余主站）。
IEEE802.1CB
TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標(biāo)準(zhǔn)。這也是無人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到功能安全的最高等級(jí)ASIL D級(jí)。同樣，與自適應(yīng)AUTOSAR的捆綁程度也比較高。
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眾所周知，L4級(jí)無人駕駛需要一個(gè)冗余處理器，但是主處理系統(tǒng)和冗余處理系統(tǒng)之間的通訊機(jī)制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統(tǒng)間的冗余，芯片之間的冗余還是多采用PCIe交換機(jī)的多主機(jī)fail-operational機(jī)制，兩者有相似之處。
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對于非常重要的數(shù)據(jù)，802.1CB會(huì)多發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)備份，這個(gè)備份會(huì)沿著最遠(yuǎn)離主數(shù)據(jù)路徑交集的路徑傳輸。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接收到一幀數(shù)據(jù)，那么就進(jìn)入后備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經(jīng)定義了PRP和HSR兩種冗余，這種屬于全局冗余，成本較高，802.1CB只針對關(guān)鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標(biāo)準(zhǔn)的制定主要依靠思科和博通。
802.1CB也可以縮寫為FRER
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FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。
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802.1CB也有簡單的失效原因分析機(jī)制。
IEEE 802.1Qbv
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通過時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交換機(jī)能夠來控制隊(duì)列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標(biāo)識(shí)并指派給基于優(yōu)先級(jí)的VLAN Tag，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文的在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊(duì)列將被鎖定在規(guī)定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的、可知的，而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)得到保障。TAS介紹了一個(gè)傳輸門概念，這個(gè)門有“開”、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間進(jìn)度表network schedule進(jìn)行定義。對沒有進(jìn)入network schedule的隊(duì)列流量關(guān)閉，這樣就能保障那些對傳輸時(shí)間要求嚴(yán)格的隊(duì)列的帶寬和延遲時(shí)間。TAS保障時(shí)間要求嚴(yán)苛的隊(duì)列免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，但它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當(dāng)優(yōu)先級(jí)非常高時(shí)，搶占機(jī)制可以被使用。
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在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、BestEffort Traffic三種，對于Schedule而言則直接按照原定的時(shí)間規(guī)劃通過，其它則按優(yōu)先級(jí)，Best Effort通常排在最后。Qbv主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。Qbv確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。
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對于特別重要的數(shù)據(jù)，TSN規(guī)定了一個(gè)搶占機(jī)制，它由802.1Qbu/802.3br共同構(gòu)成。對于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷，報(bào)文按等級(jí)可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護(hù)的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。IEEE802.1br定義了，設(shè)計(jì)了快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道，可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進(jìn)行增強(qiáng)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
802.1Qci
IEEE802.1 Qci全稱Per-Stream Filtering and Policing（以下使用簡稱PSFP），即對每個(gè)數(shù)據(jù)流采取過濾和控制策略，以確保輸入流量符合規(guī)范，從而避免由故障或惡意攻擊（如Dos攻擊）引起的異常流量問題。
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PSFP由圖中Stream Filters、Stream Gates和Flow Meters三個(gè)表配合完成：
- Stream Filters，即流過濾器表，每個(gè)表項(xiàng)表示某個(gè)流對應(yīng)的過濾器，與特定門控（Gate）和流量計(jì)（Meter）關(guān)聯(lián)；Stream Gates，即流門控表，每個(gè)表項(xiàng)表示對某個(gè)流采取的門控措施（如，門控狀態(tài)為關(guān)表示禁止對應(yīng)流量流入）；Flow Meters，即流量計(jì)表，每個(gè)表項(xiàng)表示對某個(gè)流的流量統(tǒng)計(jì)，當(dāng)該流量超過了限制帶寬則采取限流或阻斷的控制。對于未知來源的流量，PSFP通過設(shè)置門控關(guān)閉，阻止可疑流量流入；對于已知來源的異常流量，這里的異常表現(xiàn)不限于帶寬（帶寬超出預(yù)留帶寬），還包括如：最大服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）長度超出要求等，PSFP可以選擇阻斷或限流；
TSN標(biāo)準(zhǔn)能夠推廣關(guān)鍵在于上游廠家的鼎力支持，任何人想另起爐灶都絕不可能，五大車載以太網(wǎng)交換機(jī)廠家是無法繞開的，要想推廣標(biāo)準(zhǔn)，芯片廠家是決定性因素。
