1.前言
如今以太網已成為所有車內通信的主幹網，標準以太網作為一種基於Best Effort的通信協議，無法應對新一代汽車發展的一些需求，比如：
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時間敏感型流量和應用；
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在共享網絡上的不同服務質量要求(Qualities of Service QoS)；
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可靠性和延遲要求。
時間敏感網絡(TSN)是標準以太網在汽車等特定應用環境下的增強功能實現。時間敏感網絡(TSN)有可能通過建立通用標準打開實時以太網市場，把以太網發展成為一個強大可靠的通信框架，從而滿足時間敏感型應用的特定需求。
本文將對AURIX™ TC4x GETH對時間敏感網絡標準的概述，讓讀者了解AURIX™ TC4x控制器是如何能滿足對時間敏感網絡(TSN)的各方面需求。
2.時間敏感網絡概覽
2.1 什麼是時間敏感網絡？
時間敏感網絡是IEEE 802.1定義的標準技術，用於在
標準以太網上提供確定性信息傳送。它增加了在以太網網絡中保證確定性和吞吐量的定義，以提供有界延遲和零擁塞損失。
2.2 從音視頻橋接(AVB)變到時間敏感網絡(TSN)
IEEE 802.1音視頻橋接(AVB)工作組始於2005年，它們定義了一套技術標準來改進同步和提供低延遲功能。
IEEE 802.1時敏網絡(TSN)工作組於2012年由原來的音視頻橋接(AVB)工作更名而來，並繼續開展工作，同時也是AVB的擴展。它解決了極低傳輸延遲和高可用性的傳輸問題，應用範圍廣泛如汽車、工業控制設施、5G、航空航天、服務提供商等。
圖1 AVB與TSN支持的標準協議比較圖
3.AURIX™ TC4x 支持的時間敏感網絡功能
英飛凌的AURIX™ TC4x支持定時同步和CBS這些時間敏感網絡最重要的功能，因此AURIX™ TC4x能成為車廠對TSN需求的完美選擇。詳細的AURIX™ TC4D 以太網模塊所支持的標準如下表格：
圖2 AURIX™ TC4Dx以太網模塊所支持的協議
以下會簡要概述這些標準。
3.1 IEEE 802.1AS/AS-2020：Timing and Synchronization
當網絡使用是用於實時通信，對端到端傳輸延遲和應用延遲有嚴格的要求時，時間同步是必須的要求。該網絡中所有的設備都需要有一個共同的時間基準，並同步時鐘。
Grandmaster (GM)是網絡的時鐘源，定期發送當前時間。GM可採用BMCA(Best Master Clock Algorithm)來動態選擇最佳主時鐘，它是IEEE 1588精準時間同步協議(PTP)的核心技術之一。通過運行BMCA算法，系統能夠選擇網絡中的主時鐘，其他時鐘則以這個主時鐘作為參考進行同步，從而確保整個網絡的時鐘同步。在TSN(Time-Sensitive Networking)網絡中，BMCA算法用於選擇網絡中唯一的主時鐘(Grandmaster)節點，作為時鐘同步生成樹的根節點。其他節點擁有一個或多個主埠用於發送時鐘同步信息，同時具有一個從埠用於接收時鐘同步信息。在汽車行業中，大多數採用靜態方式選擇時鐘。
時間同步基於兩個核心機制：
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利用點對點延遲機制測量鏈路傳播延遲；
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同步信息的分發。
要計算鏈路傳播延遲MAC/PHY，需要準確的本地出口和入口時間戳(Timestamps)，如下圖所示中利用點對點延遲機制從時間戳中計算出，鏈路傳播延遲(Mean Link delay)和與鏈路夥伴的頻率偏移量(neighborRateRatio)。
圖3 Link delay和neighbor Rate Ratio計算原理
在同步信息的分發方面，分配機制基於sync報文和follow up報文的傳輸，每個時間都讓系統能與主時鐘同步。如下圖所示最後的接收端收到follow up報文，其中包括一個時間戳t0，校正欄位，這些都會用於計算。
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累計相鄰頻率偏移量，獲得相對於主控器的頻率偏移量。
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累計路徑上的所有延遲，計算相對於主控器的時鐘偏移量。
圖4 時間同步分發的基本流程
3.2 IEEE 802.1Qav：Credit Based Shaper
IEEE 802.1Qav是一種流量調整機制，可減少接收網橋和終端的緩衝。它使用CBS(Credit Based Shaper)來避免相同流量優先級的報文突發。它可以調整流量、防止擁塞、和確保所有用戶都能獲得最佳性能。
那麼什麼是基於"信用值"的調整機制呢? 這是可以把每個隊列想像成一個信用卡用戶，這個信用卡用戶和我們生活中使用的信用卡有一個不同之處是: 這個信用卡在把錢還清之後，還可以向裡面存入一定數額的錢，也就是說，這個信用卡其實不僅有信用卡的功能，還有儲蓄的功能。
當一個隊列的在傳輸的時候，需要這樣使用這個信用卡:
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當隊列開始準備傳輸一個 Ethernet Frame 時，需要首先判斷，信用卡里的錢是否大於0，如果大於0，才會被允許傳輸。
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在傳輸的這段時間裡，會以某一速度，不斷地消耗信用卡里的錢。
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在傳輸這個 Ethernet Frame 的過程中，如果信用值變為0，當前傳輸的 Ethernet Frame 並不會停止傳輸，此時信用卡的值變為負，開始欠信用卡的錢。
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信用卡有下限的額度，規定最多可以欠多少錢。
當一個隊列在空閒的時候，需要這樣使用這個信用卡:
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當隊列停止傳輸任何 Ethernet Frame 時，會以某一速度，不斷向信用卡里還款/存錢。信用卡的欠款會被逐漸還請，當還清後，如果隊列仍是空閒狀態，會繼續在裡面存錢。
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信用卡有上限額度，規定最多能存多少錢。
通過這樣的機制，就可以控制每個隊列的傳輸，如果想讓某一個隊列多傳輸一些，那麼就可以調整它在傳輸時消耗信用卡里錢的速度，並提高它在空閒時向信用卡還錢/存錢的速度。
在MCU中：這個信用卡被稱為 credit counter。信用卡里的錢 (其值可以為正也可以為負，值為負時表示處於欠錢狀態) 稱為 credit。傳輸時消耗信用卡里的錢的速度，被稱為 sendSlope。空閒時向信用卡里存錢的速度，被稱為 idleSlope。信用卡的存錢上限，被稱為 hiCredit。信用卡里的允許欠錢的下限，被稱為 loCredit。這些都需要在寄存器中配置。
圖5 CBS調整機制原理
圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking
3.3 IEEE 802.1Qbv: Time Aware Shaper
除了基於信用的調整外，IEEE 802.1Qbv時間感知調整(Time Aware Shapter TAS)允許在時間觸發窗口中調度時間關鍵幀和優先級較低幀的傳輸，這有助於保證時間關鍵幀的有限延遲的確定性。
在TAS中、時間被分為周期(Cycle)，周期被分為時段(Time Slot)。每個時隙可分配八個以太網優先級中的一個或多個，時間感知調整根據時間計劃，通過打開和關閉屬於不同隊列的閘門來傳輸不同的數據流。為了保證低延遲，網絡橋接器之間需要協調時間，這也意味著，時間感知調整要求整個網絡的時鐘同步。
每個隊列的閘門可由閘門控制列表控制(GCL)，GCL可配置每個時段的時間間隔和每個隊列的門控制器。如下圖所示：在T00時到達TC（7,5-0）的幀將延遲，直到其閘門在其他時段打開；在T01時TC 6幀將延遲，直到其下一次閘門開放。
圖6 時間感知調整的實例
在汽車應用中，使用信用的調整機制相對於時間感知整形更為普及。
3.4 IEEE 802.1Qbu：Frame Preemption
以太網幀搶占是IEEE 802.1Qbu標準中規定的一項功能，它為出口埠定義了兩種MAC，即可搶占MAC(pMAC)和快速MAC(eMAC)，快速幀可中斷可搶占幀的傳輸，避免低優先級幀阻塞高優先級幀的傳輸。
幀搶占的作用如下，可搶占式幀(Preemptable frame)可被分成兩個或多個片段。在接收端，這些片段會再次組裝，以重新創建原始網絡信息。當快速幀(Express frame)到達，而可搶占幀已在傳輸過程中時，並開始傳輸特快幀。一旦快速幀傳輸完畢，可搶先幀傳輸即恢復並直到完成。
圖7 搶占幀(Frame Preemption)協議原理圖
圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-Sensitive_Networking#Enhancements_to_AVB_scheduling
3.5 IEEE 802.1Qci：Per-Stream Filtering and Policing
為了防止網絡故障影響或惡意攻擊對網絡造成的干擾，802.1Qci將故障隔離到網絡中的特定區域。802.1Qci又稱之為Ingress Policing，工作於交換機的入口，它對每個流量都進行過濾和管理，簡稱PSFR。
數據流濾波器包括數據ID、優先權、濾波值、Meter(計量)ID、計數器。Qci通過各種約束來監管每個流的輸入，以防止出站隊列被非法幀淹沒。Qci專門對付DDoS這樣的網絡攻擊，假如一個數據流流量突然增大，有可能擠壓另一個數據流的帶寬時，入口管理政策會將數據流整形，強制回到數據流爆發前的狀態。
PSFP由三個組成:
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流過濾器：通過AURIX™ TC4x GETH MAC中的FFP(Flexible Frame Parser)實現，標識數據流ID並映射到8個網關ID之一；僅支持8個網關ID。
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流閘門：在AURIX™ TC4x GETH MAC的GCL(Gate Control List)中定義，閘門控制清單中定義的流閘門控制條目。
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流量計：通過AURIX™ TC4x GETH MAC中的PC(Police Counter)實現，通過幀解析指令中的PCV/PCN文件選擇PC，保護TSN不受攻擊等流量異常或終端站或其他網橋故障的影響。
圖8 PSFP協議結構框圖
3.6 IEEE 802.1CB：Frame Replication and Elimination
IEEE 802.1CB可靠性幀複製和消除(FRER)通過多個不相連的路徑發送每個幀的副本，它可為不能容忍數據包丟失的控制應用程序提供主動無縫冗餘。複製幀在2個（或更多）不相交的路徑上發送幀，然後在相交點合併並刪除多餘的幀。每個複製幀都有一個序列標識號，用於重新排序和合併幀，並丟棄重複的幀。這樣可以避免因設備原因造成幀丟失，它可以是每幀1+1（或1+n）冗餘。
圖9 FRER的基本原理圖
AURIX™ TC4x GETH通過硬體網橋支持MAC到MAC的幀轉發，可用於將幀轉發到目標接收器上, 支援FR的應用需求。
4.TSN的開發
TSN網絡設計。包括：
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基於標準、需求規範、應用場景分析，依據數據流分析的結果和車型網絡拓撲，選擇網絡協議，設計各TSN協議配置參數，輸出TSN系統配置文檔。
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結合車載網絡業務場景，設計TSN參數並進行仿真測試，主要參數包括：MAC/VLAN、靜態流預留配置參數、時鐘同步參數、CBS整形參數、TAS整形參數、流量監管參數、數據流傳輸協議參數，等等。
TSN開發包括TSN協議棧的開發、配置和部署，TSN原型驗證平台搭建。TSN零部件和系統測試。對網絡性能進行仿真分析，定量評估網絡設計參數。
5.總結
汽車功能的智能化、網聯化、數字化催生了新時代車載電子電氣架構的變革，大量的具有創造力的技術理念和個性化的應用場景出現。新一代AURIX™ TC4x控制器就是在這樣的背景下的產物，它能夠幫助這些應用場景快速落地，幫助客戶實現其優質的解決方案。車載以太網在車載網絡是現今車輛通信的主幹網絡，基於TSN的電子電氣架構的汽車架構也會成為主流，主控晶片能否支持時間敏感型應用的特定需求是十分重要，新一代AURIX™ TC4x控制器所具備的功能恰好能助力汽車智能化、網聯化、數字化的發展進程。
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