原创 TSN 时间敏感网络:缘起

2022-9-26 11:05 166 1 1 分类: 汽车电子

前言

随着工业物联网(IIoT)的兴起和工业4.0的提出,越来越多的设计师、工程师和最终用户关注时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,下简称为TSN)。TSN为以太网提供确定性性能,本质上是一个传统以太网的扩展集。


TSN历史

TSN是一项从音视频领域延伸至工业、汽车、移动通信领域的技术,最初来源于音视频领域的应用需求,当时该技术被称为AVB,由于针对音视频网络需要较高的带宽和最大限度的实时,借助AVB能较好地传输高质量音视频数据。


2005年,IEEE802.1工作组成立AVB音视频桥任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年,AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的TSN任务组。


不论是AVBTSN,都主要定位于数据链路层(如图1所示);物理层方面,IEEE也做了新标准:IEEE 802.3bpIEEE 802.3bw

1 传统以太网7层模型结构


传统以太网

以太网的概念是1973年提出的,使用CSMA/CD(载波监听多路访问和冲突检测)技术,通常使用双绞线(UTP线缆)进行组网。包含标准以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆网(1Gbit/s)和10G以太网(10Gbit/s)。它们符合IEEE802.3

2 传统以太网数据帧传输随时间分布图


以太网采用串行方式传输数据,但是带宽由多个设备共享,这也是以太网的优势所在。但是所有的发送端没有基于时间的流量控制,采用尽力而为(BestEffort)的转发机制,即这些发送端永远只是尽最大可能发送数据帧(如图2所示)。如果来自不同设备的数据流在时间上产生重叠,就会发生冲突。由于所有数据流重叠/冲突的部分会遵循QoS优先机制进行转发,这就会造成在网络负载提升以后部分数据包被延迟很久转发甚至被丢弃。在IT行业里有个不成文的规定:当某个交换机的带宽占用率超过40%后就必须要扩容,目的是通过提高带宽来避免拥堵产生。


以太网在发明之时并未考虑实时信息的传输问题。尽管我们可能熟知的广泛应用于视频会议系统、IP电话产业的实时流媒体协议(RTP)能够在一定程度上保证实时数据的传输,但由于网络传输路径的不确定性和设备处理的并发机制导致不能按顺序传送数据包来提供可靠的传输机制。如若需要排序,就需要设置缓冲区来处理数据。但是一旦采用缓冲机制就会引入新的问题延迟。即当数据包在以太网中传输的时候从不考虑延时、排序和可靠交付。其最大的缺点是不确定性或称之为非实时性。这种不确定性导致传统以太网并不能满足准确定时通信的实时性要求,一直被视为非确定性的网络。


尽管传统二层网络已经引入了优先级(Priority)机制,三层网络也已内置了服务质量(QoS)机制,仍然无法满足实时性数据的传输。此外,在传统以太网中,只有当现有的包都处理完后才会处理新到的包,即使是在Gbit/s的速率下也需要几百微秒甚至更多的延迟,满足不了车内应用的需求。更何况目前是Mbit/s的速率,延迟最多可能达上百毫秒,这肯定是无法接受的。传统以太网采用的是事件触发传输模式,在该模式下端系统可以随时访问网络,对于端系统的服务也是先到先服务。事件触发模式的一个明显的缺点是当几个端系统需要在同一传输媒介上同时进行数据通讯时,所产生的传输时延和时间抖动会累积。


AVB起因和发展

传统的音视频(AV)设备配置曾是单用途的点对点单向连接。这种专用的连接模式使得使用者在应用中需要大量的布线,导致难以管理和操作。解决这一问题有多种经认可的机制,但是所有这些机制都会存在以下一项或多项问题:不标准、难以操作和配置、不灵活、价格昂贵,迁移到以太网是公认的解决专业AV设备需求的方法。


AVB的出现源于市场上包括DanteCobraNetEtherSound在内的通信协议,这些协议都是各个厂家独立建立的协议标准,并不是真正的国际通用标准,这对通用性和兼容性存在一定障碍。在此情况下,电气与电子工程师学会(IEEE802.1委员会组建了专门的工作组提出并出台了AVB技术标准。


AVB的目标是在传统以太网的基础上,通过保障带宽、限制延迟和精确时间同步三个方面来提供服务质量,统一整合实时音视频媒体流和常规异步以太网数据流,以支持各种基于音视频的网络多媒体应用。凭借AVB,管理人员能够采用混合数据网络来管理整个网络,相较于并行独立系统更省时、成本更低、效率更高。


AVB既是IEEE标准,在音频上又有着Dante般的强大优势,同时还能传输视频和控制信号,此外还有AVnu Alliance的强力推进(AVnu Alliance是思科、英特尔、三星、博通、Harman International、赛灵思联手在2009年创立了一个行业联盟,其使命是推广 AVB 标准的使用和认证,并确保AVB 设备之间的兼容性。近些年不少的音响制造商们也纷纷加入这个行列,以确保他们的研发工作都能够严格地遵循这些标准),还没有专利费用,这使得业内想不关注AVB都难。一时间人们纷纷对此给予厚望,认为AVB 的出现必将创造音视频行业的新时代,各公司的私家协议如昨日黄花不日将被淘汰,这些年各大专业展会论坛,AVB总是热门话题,相关产品和方案也是层出不穷。不过只要稍加注意就会发现,在热热闹闹的背后,AVB的实际工程案例确是少之又少,而Dante虽然相对低调,但案例确实越来越多,这是为何呢?


有专家认为: 在AVB发展前期,能够确定和使用的只有音频标准,视频标准迟迟未能确定,音视频同步本是AVB的最大特色,少了视频的AVB就如缺了一条腿,优势大减。此外AVB交换机的端口固定,不如Dante方便,Dante端口可以任意设定、即插即用零配置;同时AVB还需要硬件方面的投资,AVB技术的最重要的核心就在于AVB交换机,但它与现有的以太网交换机不同且不能兼容,这对于用户来说是一笔不小的开销。


AVB的优势就在于大型多通路项目的应用,此类项目涉及金额较大,项目方设备选择谨慎,多会选择成熟产品方案。而AVB相对较新,且支持项目不够灵活,不能兼容现有设备,加之视频标准迟迟未定,投资比市场其他协议设备也要高出不少,因此很少被采用。


TSN诱因

2011年,美国汽车工程师学会(SAE)以TTEthernet【下简称为TTE】为核心跨界推出了AS6802标准,为了和TTE有所区别,称之为Deterministic Ethernet Time-Triggered Ethernet。它是飞机航天领域内的以太网应用标准,也可在汽车上使用。它将时间触发传输的实时性、确定性、容错能力与传统以太网“尽最大努力”传输的灵活性、动态性等特点相结合,可支持不同类型的应用业务。



AS6802是一个非强制性标准,其支持者包括洛克希德马丁、庞巴迪、巴西航空工业、通用动力、西科斯基飞机、霍尼韦尔、BAEUltra电子、GE FanucTTTech


TSN发展


IEEE受到了在2011AS6802标准的推出的刺激,之后于2012年将AVB任务组改名为TSN,其目标不仅在车载领域,还包括专业音视频领域、工业自动化领域、移动通信领域。TSN的主要支持者包括思科、英特尔、瑞萨、德国工业机器人巨头KUKA、三星哈曼、宝马、通用汽车、现代汽车、博世、博通、德州仪器、恩智浦、三菱电机、LGMarvell、通用电气等。


TSN是一系列标准,非常庞大,也非常灵活,可以按需求选择,不过对技术的要求较高,不易抉择。它从四个方面(时间同步、延迟、可靠性、资源管理)考虑扩展传统以太网标准,以满足不同系统在时效性方面的需求。


后记

TSN已不再只是一个理想化项目,而是已成为被行业组织认证的广泛使用的标准。从2019年年初的汉诺威工博会可略见TSN对于工业领域的重要性。其主题为“融合的工业——工业智能”,作为“工业智能”的基石,智能化技术和网络化技术自然成为本届工业展的重中之重,涉及的内容包含工业人工智能、协作机器人、数字孪生、工业互联网平台、数字物流等范畴。


在这个通信领域大军浩浩已临5G元年城下的年度,工业4.05G + TSN的融合是近几年的重点。TSN时间敏感网络作为在工业领域融合信息技术(Information Technology,简称为IT)和运营技术(OperationTechnology,简称为OT)的重要桥梁,由其掀起的改造工业互联网IIoT底层架构的浪潮持续演进,相关进展尤为值得关注。

 

车载网络架构演变和TSN


随着汽车自动驾驶的发展,软件功能虚拟化和硬件简化的重要意义将进一步提升,而这可能以几种形式成为现实。一是将硬件整合到针对不同时延性和可靠性要求的堆栈中;二是一个冗余的“超级计算机”将取代ECU的地位;三是彻底放弃控制单元的概念,转而采用智能节点计算网络。


另一方面从安全的角度出发,在今后的23代汽车产品上,整车企业将会安装多个具备相似功能的传感器来确保车辆具备充足的安全冗余。长期看来,行业将开发更完善的传感器解决方案来减少传感器数量和成本。而且可能传感器会变得更加智能,传感器融合和3D定位等高级功能将在中心化运算平台上进行,预处理、筛选和快速反应则很可能直接在传感器内完成。对于对可靠性要求较高的安全类关键应用,将利用冗余来完成所有对安全行驶至关重要的工作,如数据传输和电力供应等。


从长远的发展来看车载网络架构将在不同阶段呈现出不同的模式来满足需求。


传统车载网络架构



这是过去及现在车载网络的主流架构,车内ECU透过内联网及中央网关连接来在不同子网间传输数据。其中中央网关的角色至关重要,但功能较单一,主要作为信息传送、数据转换的通道,很少做数据处理。


在研架构(Domain Architecture



随着汽车在智能驾驶领域的发展,功能越来越复杂, OEM更倾向于将车辆按照不同的功能划分不同的域,整合域中部分功能相近ECU的功能在域控制器下来管理。例如:ADAS、车载娱乐、车身控制、动力传动等域。


未来架构(Zone Architecture



未来迈向高度自动驾驶时代,车用计算机设计将朝向集中式、具备更强大功能等方向发展,或有人称之为AI超级计算机。超级计算机负责车辆所有管理和决策工作,即前述提及的域控制器的功能弱化,并强化车用主计算机的功能;另外所有数据不需要预先处理,直接汇集至超级计算机做大数据分析、判断和决策。

在此结构下,中央计算机需要处理的数据相较域的架构更多,时效性要求会更高。


车载以太网中的TSN


在早期的传统车载网络架构中,最典型的应用是后座娱乐系统,这种系统无需考虑延迟,而且有相对更低成本的方式来传输音视频媒体流数据,所以当时的AVB一直很少应用。


随着车载网络架构的演变,各种需求的不断变化,都将带来更多的以下问题:


数据量的提升

据估算,一辆自动驾驶汽车每小时产生的数据量将达到4TB


数据时效性

在类似自动驾驶的需求中要对传感器数据快速处理,且执行机构要快速响应处理后的指令。


高度自动驾驶的冗余要求

在自动驾驶在安全等级达到一定程度后,从可靠性角度出发必须考虑的问题。


互联环境下的安全保障

网络攻击和单点功能失效造成的流量过载等威胁整车正常功能。


TSN标准的推出,为人们解决上述问题,对已期许良久的先进性未来汽车(Domain架构 和 Zone 架构)提供了有力保障,设想其将具备高速IP网络连接、智能自动驾驶员辅助/制动系统、信息娱乐门户、简化的内部线束及更轻的总重量。


根据汽车网络架构中各节点的网络特性、传输的数据类型以及应用数据对网络的要求,在电子电器架构设计之初就已经基本确定,具有静态特性。


TSN现状

2012TSN工作组创立后到现在,TSN中各部分协议日渐完善,根据IETF 106会议(201911月)的内容和官方给出的协议从四个方面(时间同步、延迟、可靠性、资源管理)分类汇总如下所示:



由于TSN的灵活性,出现了各种针对不同行业的Profile来规范使用:


Status

Name

Remark

Published

802.1BA

Audio-Video Bridging (AVB) networks

802.1CM

Fronthaul (for cellular networks)

Ongoing

60802

Industrial Automation

802.1DG

Automotive In-Vehicle Ethernet Communications

On the horizon

802.1DF

Service Provider Networks


参考文献

[1] http://www.ieee802.org/1/files/public/docs2019/dg-zinner-automotive-architecture-evolution-0319-v02.pdf

[2] https://datatracker.ietf.org/meeting/106/materials/slides-106-detnet-sessb-tsn-update-01


 

作者: 北汇信息, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3998886.html

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