AURIX TC4x GETH对时间敏感网络的支持介绍

1.前言

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如今以太网已成为所有车内通信的主干网，标准以太网作为一种基于Best Effort的通信协议，无法应对新一代汽车发展的一些需求，比如：

时间敏感型流量和应用；

在共享网络上的不同服务质量要求(Qualities of Service QoS)；

可靠性和延迟要求。

时间敏感网络(TSN)是标准以太网在汽车等特定应用环境下的增强功能实现。时间敏感网络(TSN)有可能通过建立通用标准打开实时以太网市场，把以太网发展成为一个强大可靠的通信框架，从而满足时间敏感型应用的特定需求。

本文将对AURIX™ TC4xGETH对时间敏感网络标准的概述，让读者了解AURIX™ TC4x控制器是如何能满足对时间敏感网络(TSN)的各方面需求。

2.时间敏感网络概览

2.1 什么是时间敏感网络？

时间敏感网络是IEEE 802.1定义的标准技术，用于在标准以太网上提供确定性信息传送。它增加了在以太网网络中保证确定性和吞吐量的定义，以提供有界延迟和零拥塞损失。

2.2 从音视频桥接(AVB)变到时间敏感网络(TSN)

IEEE 802.1音视频桥接(AVB)工作组始于2005年，它们定义了一套技术标准来改进同步和提供低延迟功能。

IEEE 802.1时敏网络(TSN)工作组于2012年由原来的音视频桥接(AVB)工作更名而来，并继续开展工作，同时也是AVB的扩展。它解决了极低传输延迟和高可用性的传输问题，应用范围广泛如汽车、工业控制设施、5G、航空航天、服务提供商等。

图1 AVB与TSN支持的标准协议比较图

3.AURIX™ TC4x 支持的时间敏感网络功能

英飞凌的AURIX™ TC4x支持定时同步和CBS这些时间敏感网络最重要的功能，因此AURIX™ TC4x能成为车厂对TSN需求的完美选择。详细的AURIX™ TC4D 以太网模块所支持的标准如下表格：

图2 AURIX™ TC4Dx以太网模块所支持的协议

以下会简要概述这些标准。

3.1 IEEE 802.1AS/AS-2020：Timing and Synchronization

当网络使用是用于实时通信，对端到端传输延迟和应用延迟有严格的要求时，时间同步是必须的要求。该网络中所有的设备都需要有一个共同的时间基准，并同步时钟。

Grandmaster (GM)是网络的时钟源，定期发送当前时间。GM可采用BMCA(Best Master Clock Algorithm)来动态选择最佳主时钟，它是IEEE 1588精准时间同步协议(PTP)的核心技术之一。通过运行BMCA算法，系统能够选择网络中的主时钟，其他时钟则以这个主时钟作为参考进行同步，从而确保整个网络的时钟同步。在TSN(Time-Sensitive Networking)网络中，BMCA算法用于选择网络中唯一的主时钟(Grandmaster)节点，作为时钟同步生成树的根节点。其他节点拥有一个或多个主端口用于发送时钟同步信息，同时具有一个从端口用于接收时钟同步信息‌。在汽车行业中，大多数采用静态方式选择时钟。

时间同步基于两个核心机制：

利用点对点延迟机制测量链路传播延迟；

同步信息的分发。

要计算链路传播延迟MAC/PHY，需要准确的本地出口和入口时间戳(Timestamps)，如下图所示中利用点对点延迟机制从时间戳中计算出，链路传播延迟(Mean Link delay)和与链路伙伴的频率偏移量(neighborRateRatio)。

图3 Link delay和neighbor Rate Ratio计算原理

在同步信息的分发方面，分配机制基于sync报文和follow up报文的传输，每个时间都让系统能与主时钟同步。如下图所示最后的接收端收到follow up报文，其中包括一个时间戳t0，校正字段，这些都会用于计算。

累计相邻频率偏移量，获得相对于主控器的频率偏移量。

累计路径上的所有延迟，计算相对于主控器的时钟偏移量。

图4 时间同步分发的基本流程

3.2 IEEE 802.1Qav：Credit Based Shaper

IEEE 802.1Qav是一种流量调整机制，可减少接收网桥和终端的缓冲。它使用CBS(Credit Based Shaper)来避免相同流量优先级的报文突发。它可以调整流量、防止拥塞、和确保所有用户都能获得最佳性能。

那么什么是基于"信用值"的调整机制呢? 这是可以把每个队列想象成一个信用卡用户，这个信用卡用户和我们生活中使用的信用卡有一个不同之处是: 这个信用卡在把钱还清之后，还可以向里面存入一定数额的钱，也就是说，这个信用卡其实不仅有信用卡的功能，还有储蓄的功能。

当一个队列的在传输的时候，需要这样使用这个信用卡:

当队列开始准备传输一个 Ethernet Frame 时，需要首先判断，信用卡里的钱是否大于0，如果大于0，才会被允许传输。

在传输的这段时间里，会以某一速度，不断地消耗信用卡里的钱。

在传输这个 Ethernet Frame 的过程中，如果信用值变为0，当前传输的 Ethernet Frame 并不会停止传输，此时信用卡的值变为负，开始欠信用卡的钱。

信用卡有下限的额度，规定最多可以欠多少钱。

当一个队列在空闲的时候，需要这样使用这个信用卡:

当队列停止传输任何 Ethernet Frame 时，会以某一速度，不断向信用卡里还款/存钱。信用卡的欠款会被逐渐还请，当还清后，如果队列仍是空闲状态，会继续在里面存钱。

信用卡有上限额度，规定最多能存多少钱。

通过这样的机制，就可以控制每个队列的传输，如果想让某一个队列多传输一些，那么就可以调整它在传输时消耗信用卡里钱的速度，并提高它在空闲时向信用卡还钱/存钱的速度。

在MCU中：这个信用卡被称为 credit counter。信用卡里的钱 (其值可以为正也可以为负，值为负时表示处于欠钱状态) 称为 credit。传输时消耗信用卡里的钱的速度，被称为 sendSlope。空闲时向信用卡里存钱的速度，被称为 idleSlope。信用卡的存钱上限，被称为 hiCredit。信用卡里的允许欠钱的下限，被称为 loCredit。这些都需要在寄存器中配置。

图5 CBS调整机制原理

图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking

3.3 IEEE 802.1Qbv: Time Aware Shaper

除了基于信用的调整外，IEEE 802.1Qbv时间感知调整(Time Aware Shapter TAS)允许在时间触发窗口中调度时间关键帧和优先级较低帧的传输，这有助于保证时间关键帧的有限延迟的确定性。

在TAS中、时间被分为周期(Cycle)，周期被分为时段(Time Slot)。每个时隙可分配八个以太网优先级中的一个或多个，时间感知调整根据时间计划，通过打开和关闭属于不同队列的闸门来传输不同的数据流。为了保证低延迟，网络桥接器之间需要协调时间，这也意味着，时间感知调整要求整个网络的时钟同步。

每个队列的闸门可由闸门控制列表控制(GCL)，GCL可配置每个时段的时间间隔和每个队列的门控制器。如下图所示：在T00时到达TC（7,5-0）的帧将延迟，直到其闸门在其他时段打开；在T01时TC 6帧将延迟，直到其下一次闸门开放。

图6 时间感知调整的实例

在汽车应用中，使用信用的调整机制相对于时间感知整形更为普及。

3.4 IEEE 802.1Qbu：Frame Preemption

以太网帧抢占是IEEE 802.1Qbu标准中规定的一项功能，它为出口端口定义了两种MAC，即可抢占MAC(pMAC)和快速MAC(eMAC)，快速帧可中断可抢占帧的传输，避免低优先级帧阻塞高优先级帧的传输。

帧抢占的作用如下，可抢占式帧(Preemptable frame)可被分成两个或多个片段。在接收端，这些片段会再次组装，以重新创建原始网络信息。当快速帧(Express frame)到达，而可抢占帧已在传输过程中时，并开始传输特快帧。一旦快速帧传输完毕，可抢先帧传输即恢复并直到完成。

图7 抢占帧(Frame Preemption)协议原理图

图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking#Enhancements_to_AVB_scheduling

3.5 IEEE 802.1Qci：Per-Stream Filtering and Policing

为了防止网络故障影响或恶意攻击对网络造成的干扰，802.1Qci将故障隔离到网络中的特定区域。802.1Qci又称之为Ingress Policing，工作于交换机的入口，它对每个流量都进行过滤和管理，简称PSFR。

数据流滤波器包括数据ID、优先权、滤波值、Meter(计量)ID、计数器。Qci通过各种约束来监管每个流的输入，以防止出站队列被非法帧淹没。Qci专门对付DDoS这样的网络攻击，假如一个数据流流量突然增大，有可能挤压另一个数据流的带宽时，入口管理政策会将数据流整形，强制回到数据流爆发前的状态。

PSFP由三个组成:

流过滤器：通过AURIX™ TC4x GETH MAC中的FFP(Flexible Frame Parser)实现，标识数据流ID并映射到8个网关ID之一；仅支持8个网关ID。

流闸门：在AURIX™ TC4x GETH MAC的GCL(Gate Control List)中定义，闸门控制清单中定义的流闸门控制条目。

流量计：通过AURIX™ TC4x GETH MAC中的PC(Police Counter)实现，通过帧解析指令中的PCV/PCN文件选择PC，保护TSN不受攻击等流量异常或终端站或其他网桥故障的影响。

图8 PSFP协议结构框图

3.6 IEEE 802.1CB：Frame Replication and Elimination

IEEE 802.1CB可靠性帧复制和消除(FRER)通过多个不相连的路径发送每个帧的副本，它可为不能容忍数据包丢失的控制应用程序提供主动无缝冗余。复制帧在2个（或更多）不相交的路径上发送帧，然后在相交点合并并删除多余的帧。每个复制帧都有一个序列标识号，用于重新排序和合并帧，并丢弃重复的帧。这样可以避免因设备原因造成帧丢失，它可以是每帧1+1（或1+n）冗余。

图9 FRER的基本原理图

AURIX™ TC4x GETH通过硬件网桥支持MAC到MAC的帧转发，可用于将帧转发到目标接收器上, 支援FR的应用需求。

4.TSN的开发

TSN网络设计。包括：

基于标准、需求规范、应用场景分析，依据数据流分析的结果和车型网络拓扑，选择网络协议，设计各TSN协议配置参数，输出TSN系统配置文档。

结合车载网络业务场景，设计TSN参数并进行仿真测试，主要参数包括：MAC/VLAN、静态流预留配置参数、时钟同步参数、CBS整形参数、TAS整形参数、流量监管参数、数据流传输协议参数，等等。

TSN开发包括TSN协议栈的开发、配置和部署，TSN原型验证平台搭建。TSN零部件和系统测试。对网络性能进行仿真分析，定量评估网络设计参数。

5.总结

汽车功能的智能化、网联化、数字化催生了新时代车载电子电气架构的变革，大量的具有创造力的技术理念和个性化的应用场景出现。新一代AURIX™ TC4x控制器就是在这样的背景下的产物，它能够帮助这些应用场景快速落地，帮助客户实现其优质的解决方案。车载以太网在车载网络是现今车辆通信的主干网络，基于TSN的电子电气架构的汽车架构也会成为主流，主控芯片能否支持时间敏感型应用的特定需求是十分重要，新一代AURIX™ TC4x控制器所具备的功能恰好能助力汽车智能化、网联化、数字化的发展进程。