【導讀】跨橋接網(wǎng)絡實現(xiàn)面向數(shù)據(jù)分組的通信已成為一項全球標準。如今,它廣泛應用于各種不同規(guī)模和復雜性各異的系統(tǒng)中,例如服務器和飛機、小型遙控設備、遠程傳感器以及許多物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用。
由于以太網(wǎng)與物理層分離,所以可通過不同的物理介質對以太網(wǎng)幀或IP數(shù)據(jù)包進行透明傳輸。因此,通過不同網(wǎng)絡類型進行連接的設備彼此之間可以無縫通信。例如,使用蜂窩連接的手機和使用INICnet?(ISO21806)網(wǎng)絡的車載控制單元(通過汽車遠程信息處理單元或網(wǎng)關)進行通信。IP數(shù)據(jù)包可從發(fā)送方路由到接收方。
如此看來暫且還好,但是在傳輸時間、延遲時間、抖動和丟包方面,情況如何呢?遺憾的是,原始以太網(wǎng)存在不確定性,也就是說,它無法控制允許設備發(fā)送數(shù)據(jù)的時間和數(shù)據(jù)量,也無法控制數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。兩個設備之間的傳輸時間總是變化,并且在網(wǎng)絡擁塞時可能會發(fā)生丟包情況。對于必須確保低延遲和信息傳遞的關鍵型應用,這樣的特性是不匹配的。
專有的總線和網(wǎng)絡技術具有低延遲和確定性,但只能成為一種有限的解決方案。所有市場都趨向于不依賴任何特定制造商的標準化開放技術。此外,標準技術既不需要特殊的專業(yè)知識,也無需復雜且昂貴的網(wǎng)關。
因此,業(yè)界社區(qū)多年來一直在研究以太網(wǎng)的弱點。隨著時間的推移,市場上出現(xiàn)了各種用來改善以太網(wǎng)實時特性的解決方案,其中包括AVB/TSN。
IEEE工作組于2008年開始制定音視頻橋接(AVB)技術。當時的目標是為了改善通過以太網(wǎng)進行時間關鍵型音頻和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。術語AVB不僅包含IEEE 802.1BA標準,還包含以下標準:
IEEE 802.1AS:時間同步
IEEE 802.1Qav:調節(jié)交換機中幀的傳輸和中間緩沖
IEEE 802.1Qat:音頻流和視頻流的動態(tài)帶寬分配
IEEE 1722:傳輸協(xié)議
IEEE 1722.1:支持AVB的網(wǎng)絡和設備的動態(tài)配置
該標準于2011年完成定稿并發(fā)布,最初用于各種多媒體應用,后來用于工業(yè)領域,專門用來傳輸時間關鍵型命令或傳感器數(shù)據(jù)。隨著AVB技術在非多媒體領域的應用逐漸引起更多關注,IEEE成立了一個名為“時間敏感網(wǎng)絡”(TSN)的新工作組。TSN工作組采用了AVB工作組的標準,并在專業(yè)音頻視頻、工業(yè)、汽車和航空航天等領域解決了更廣泛的應用問題。
在汽車領域,至今仍在沿用最初的AVB標準,但在某些情況下已開始使用TSN工作組的修訂版。本文主要討論AVB標準,此標準可視為等同于TSN標準。
圖1:AVB系統(tǒng)通??蓪崿F(xiàn)這些要素的不同子集
使用gPTP進行時間同步
通用精密時間協(xié)議(gPTP-IEEE 802.1AS)是所有支持AVB的系統(tǒng)的共同基礎。其用途類似于計算機領域中廣為人知的網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)。NTP確保計算機時鐘在本地網(wǎng)絡中與參考時間同步,在最佳應用條件下可達到毫秒級精度。該精度可以完全滿足計算機和服務器的需求,但對于同步或時間關鍵型應用來說則太不精確。
圖2:gPTP基準與gPTP客戶端之間的交互
gPTP可確保以太網(wǎng)設備中具有更加精確的時基,通??蛇_微秒級甚至納秒級。實質上,gPTP包括兩種機制:基準時間分發(fā)和傳輸時間計算。
時間從一個或多個時間基準節(jié)點(根據(jù)IEEE標準為“gPTP主機”)分發(fā)到一個或多個客戶端(根據(jù)IEEE標準為“gPTP從機”)。類似于IEEE 1588的兩步過程,gPTP總是連續(xù)發(fā)送兩個幀:“Sync”和“Sync Follow-Up”。客戶端使用其中包含的時間戳將其本地時鐘重置為基準時間,從而確保網(wǎng)絡中的所有設備都使用完全相同的時基。
但是,只有將整個網(wǎng)絡所需的傳輸時間也考慮在內,才能確保很準確的時基。要實現(xiàn)這一點,應在直接相鄰的節(jié)點之間始終成對執(zhí)行對等延遲測量。這樣,每個節(jié)點所測傳輸時間的總和會產生對等延遲值,繼而可根據(jù)該值校正gPTP時間。
傳輸協(xié)議
IEEE 1722-AVTP
音視頻傳輸協(xié)議是通過以太網(wǎng)AVB技術傳輸音頻/視頻數(shù)據(jù)以及時間關鍵型數(shù)據(jù)的標準傳輸協(xié)議。它是一種用于通過MAC地址訪問設備的輕量級ISO/OSI Layer2協(xié)議。因此,這種方式無需集成全部的IP協(xié)議棧,有助于最大限度地減小項目和設計的規(guī)模、成本和復雜性。
IEEE 1733-RTP/RTCP
RTP和RTCP(IETF RFC 3550)均為基于IP的網(wǎng)絡協(xié)議,適用于通過以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。這些協(xié)議多年來已廣泛用于各種工業(yè)級和消費類設備,包括視頻監(jiān)控攝像頭和對講設備。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本,適用于通過AVB進行同步傳輸,因此可作為基于IP的解決方案替代IEEE 1722。
流量整形
以太網(wǎng)網(wǎng)絡通常由大量端點(計算機和電子設備)和網(wǎng)橋(交換機和網(wǎng)關等)組成。無論選擇哪種傳輸協(xié)議,數(shù)據(jù)都會封裝成以太網(wǎng)幀,然后從發(fā)送方通過多個網(wǎng)橋(躍點)路由到接收方。幀的傳輸方式和傳輸時間存在不確定性。傳輸路徑上的網(wǎng)橋將以較快或較慢的速度進行幀轉發(fā)(存儲轉發(fā)和直通轉發(fā))。在網(wǎng)絡擁塞的情況下,這些幀有時需要緩沖一段時間,在最糟情況下甚至可能會丟失。
工業(yè)和汽車系統(tǒng)應具有較低的確定性延遲,并且最重要的一點,必須確保無丟幀風險的可靠傳輸。流量整形(“IEEE 802.1Q-服務質量”部分)可解決此需求。流量整形定義了網(wǎng)橋根據(jù)幀的優(yōu)先級對幀進行處理的策略。流量整形有幾種標準,例如:
● IEEE 802.1Qav:時間敏感流的轉發(fā)和排隊增強功能(FQTSS),有時稱為“基于信用值的整形器”(CBS)。
● IEEE 802.1Qbv:調度流量的增強功能,通常稱為“時間感知整形器”(TAS)
● IEEE 802.1Qch:循環(huán)排隊和轉發(fā)
● IEEE 802.1Qcr:異步流量整形
汽車行業(yè)主要使用CBS和TAS。
CBS-基于信用值的整形器(802.1Qav)
使用基于信用值的整形器時,每個以太網(wǎng)設備都會獲得一個用于發(fā)送幀的信用值。只要信用值仍為正數(shù),設備就可以繼續(xù)發(fā)送幀。當信用值用完后,設備將無法再發(fā)送幀。必須等到補充信用值后才能再次開始發(fā)送。
該策略可確保帶寬的有效利用。其中沒有預定義的時隙。如果端點需要間歇性地發(fā)送數(shù)據(jù),則可以累積其信用值,然后一次全部用完。使用CBS配置AVB網(wǎng)絡比較簡單。
TAS-時間感知整形器(802.1Qbv)
與Qav不同,IEEE 802.1Qbv策略依賴于時隙模型。該策略并非基于要發(fā)送的數(shù)據(jù)量,而是側重于傳輸?shù)念l率。節(jié)點不能再進行任意時長的發(fā)送,但允許進行很規(guī)律地傳輸。這意味著可以實現(xiàn)更低且更具確定性的延遲。
而Qbv的缺點是,無法確保網(wǎng)絡帶寬始終得到有效利用。如果端點不使用其時隙,將會丟失這些時隙以及帶寬。但這種影響可通過使用幀搶占模式進行抵銷(IEEE 802.1Qbu)。
與AVNU的互操作性
系統(tǒng)架構師可以通過各種可用的組件來實現(xiàn)AVB??梢愿鶕?jù)系統(tǒng)要求實現(xiàn)不同的AVB子集。雖然這有助于最大限度地減少硬件組件(僅實現(xiàn)實際所需的組件),但也可能會導致一些互操作性問題,因為不同供應商提供的設備不一定支持完全相同的AVB功能。而且,工程師有時會以不同的方式來解釋IEEE標準,從而使情況變得更加復雜。
為了確保供應商之間實現(xiàn)互操作性,AVNU聯(lián)盟為汽車領域制定了“以太網(wǎng)AVB功能和互操作性規(guī)范”,其中定義了每個設備中應實現(xiàn)的AVB子集和相關參數(shù)的基準。對于支持AVB的設備,可以經由外部測試機構或使用內部專用測試設備測試其AVNU兼容性。
實際實現(xiàn)
圖3:典型的以太網(wǎng)AVB評估系統(tǒng)
在實際應用中,支持AVB的網(wǎng)絡包括多個組件:交換機、PHY和端點。所有交換機和端點都必須支持AVB才能實現(xiàn)所需的性能。
得益于IEEE標準、AVNU和OpenAlliance(注:檢查R/TM標記)規(guī)范,不同供應商提供的組件(如PHY和交換機)如今可實現(xiàn)高水平的互操作性。
但是,在端點中實現(xiàn)AVB仍然是一項復雜而繁瑣的任務。這些系統(tǒng)通?;赟oC或高端單片機而開發(fā),其中需要集成許多軟件:實時操作系統(tǒng)、Autosar架構以及AVB協(xié)議棧,這些軟件通常需要從第三方獲得相應的授權。AVB端點(比如Microchip的LAN9360)是一個令人關注的替代方案。這些端點由一種集成AVB協(xié)議的智能以太網(wǎng)控制器組成。因此,AVB可以直接部署為基于硬件的解決方案,而無需進行軟件開發(fā)。
結論
自IEEE的AVB工作組成立以來,AVB/TSN技術現(xiàn)在已達到很高的成熟度水平?!癆VB汽車”已經上路,越來越多的原始設備制造商開始參與其中。得益于其開放式的標準化技術,許多具有互操作性的硬件和軟件已作為優(yōu)化的COTS產品供人們使用。在過去,“全以太網(wǎng)汽車”愿景曾備受質疑,而如今它不再是遙不可及的空想。
來源:Microchip
作者:Francis Ielsch,AIS產品營銷經理
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