TSN協(xié)議、延遲、流量監(jiān)控和冗余的介紹

IEEE 802.1Qbv Time Aware Shaper

        時間感知整形（TAS）可以說是TSN里的一個核心協(xié)議，正是它的應(yīng)用為車內(nèi)時間敏感數(shù)據(jù)提供了超低的延時及抖動的保證。我們知道，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)是在總線上串行傳輸?shù)模鐖D5，當(dāng)有多個數(shù)據(jù)在交換機(jī)出口等待被轉(zhuǎn)出時（不同的數(shù)據(jù)會根據(jù)VLAN Tag中的優(yōu)先級在不同的隊(duì)列中排隊(duì)等待），誰先出誰后出就決定了數(shù)據(jù)的延遲大小。

圖5 以太網(wǎng)出口隊(duì)列示意圖

        TAS通過開關(guān)門的機(jī)制，來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。如圖6，通過右側(cè)的Gate Control list來控制每個隊(duì)列在某一時刻的開關(guān)門狀態(tài)，以右側(cè)黑框圈出的T05舉例，該時刻 隊(duì)列7到隊(duì)列0的開關(guān)門狀態(tài)分別是CoCCoCCC（C表示關(guān)門，o表示開門）。數(shù)據(jù)只有在開門的時候才可以進(jìn)行發(fā)送，也就是說該時刻只有隊(duì)列6和隊(duì)列3可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6 TAS 開關(guān)門控制 (圖片部分引自IEEE 802.1Q)

        一般來講 Gate Control List是周期循環(huán)的，在關(guān)鍵數(shù)據(jù)（圖7中TC1數(shù)據(jù)）發(fā)送前和發(fā)送中，我們會關(guān)閉其他數(shù)據(jù)的發(fā)送，以保證TC1數(shù)據(jù)不會受到影響。從而為TC1提供超低的延時保證。同時周期性開關(guān)門的特性也說明TAS更適合為周期性數(shù)據(jù)提供延時的保障。

圖7 TAS舉例

IEEE 802.1 Qbr & IEEE 802.3bu 幀搶占

        幀搶占是TSN協(xié)議族中另一個提供延遲保障機(jī)制的協(xié)議，該協(xié)議通過修改前導(dǎo)碼將正常的以太網(wǎng)幀分為兩類：Express MAC (EMAC 高優(yōu)先級幀) 和 Preamble MAC（PMAC 低優(yōu)先級幀）。通過高優(yōu)先級幀可以打斷正在發(fā)送的低優(yōu)先級幀這一特性，減小高優(yōu)先級的等待時間。以圖8中的數(shù)據(jù)為例，正常情況下，第一行藍(lán)色的PMAC幀先發(fā)送后，即使后面再來的EMAC幀也必須等待當(dāng)前正在發(fā)送的PMAC幀發(fā)送完成后才能發(fā)送。但是應(yīng)用了幀搶占后，EMAC幀可以打斷PMAC幀進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)EMAC幀發(fā)送完成后，剩余的PMAC幀再進(jìn)行發(fā)送。這樣一來就可以節(jié)約下了EMAC幀的等待時間。

圖8 幀搶占舉例

        除了幀搶占自己單獨(dú)使用可降低延時之外。還可以與上面提到的TAS結(jié)合使用以減小Grandband的大?。ㄈ鐖D9），從而在頻繁開關(guān)門的情況下提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

圖9 幀搶占結(jié)合TAS減小Grandband

        最后在應(yīng)用幀搶占的時候有三點(diǎn)注意：

?  數(shù)據(jù) “被且僅被” 分成兩類：PMAC幀和EMAC幀

?  需要依賴底層支持，將原有的MAC層分為EMAC 和 PMAC

?  PMAC可被打斷的最小幀長度為124Bytes 小于該長度不能被打斷

IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing

        TSN協(xié)議族中的PSFP協(xié)議類似防火墻的機(jī)制，它可以對轉(zhuǎn)發(fā)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和過濾，對特定標(biāo)識的數(shù)據(jù)幀加以控制。以圖10為例，正常情況下ECU1和ECU2各自發(fā)送20Mbps數(shù)據(jù)，但是由于ECU1受到網(wǎng)絡(luò)***或者自身發(fā)生錯誤，導(dǎo)致發(fā)送90Mbps的數(shù)據(jù)。此時由于switch出口處僅支持100M帶寬，那么ECU2最多只能發(fā)送10Mbps的數(shù)據(jù)，因此無法正常工作。

        如果該系統(tǒng)中應(yīng)用了PSFP，那么此機(jī)制可以提前根據(jù)數(shù)據(jù)流的特征（VLAN，MAC地址，IP地址等）識別出ECU1所允許發(fā)送的數(shù)據(jù)流僅能為20Mbps，因此就會對其進(jìn)行錯誤處理，方式分為兩種：

?  PSFP限制：限制數(shù)據(jù)流發(fā)送，降低到預(yù)設(shè)值

?  PSFP阻斷：完全阻斷錯誤數(shù)據(jù)流

        此外PSFP還可以防止網(wǎng)絡(luò)***（例如ARP***），以及通過其中的門控機(jī)制確保被篩選出的數(shù)據(jù)在特定的時機(jī)進(jìn)行發(fā)送等。

圖10：PSFP舉例

IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER)

        802.1CB 協(xié)議主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的冗余備份傳輸，利用冗余機(jī)制解決環(huán)路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，可能由CRC、線路開路，連接器斷開等導(dǎo)致的信息錯誤或丟失。如果應(yīng)用了自動駕駛，并且有一個較高的功能安全等級，那么FRER幾乎成為了一個必然的選擇。

圖11. R-tag 及序列號

        在發(fā)送時，其會為特定數(shù)據(jù)打上標(biāo)簽和序列碼（如圖11），并且在不同通路上復(fù)制傳輸。在鏈路匯聚點(diǎn)處，復(fù)制信息會被識別并消除，以防止接收節(jié)點(diǎn)的上層應(yīng)用處理多個重復(fù)數(shù)據(jù)。其應(yīng)用大致分為兩種形式：終端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)FRER工作（如圖12）或 Switch節(jié)點(diǎn)成端FRER工作（如圖13）。后者相比于前者，實(shí)現(xiàn)起來難度較低，設(shè)計(jì)變更和復(fù)雜程度也會相對較小。

圖12. 終端節(jié)點(diǎn)承擔(dān)FRER功能

圖13. Switch承擔(dān)FRER功能