車載以太網AVB協議測試的研究與分析

李志濤，耿偉峰

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000）

隨著汽車工業的發展，汽車電子技術發展迅速，人們對汽車的安全性、舒適性、智能化的要求也越來越高?，F行車載通信網絡在帶寬和擴展性等方面逐漸受到制約，為滿足人們對車輛數據傳輸的需求，探究高帶寬數據傳輸的車載網絡已經成為汽車發展的必然，基于車載以太網的網絡通信已經被明確為下一代網絡核心架構。車載以太網AVB協議通過時鐘同步、帶寬預留與流隊列轉發機制，支持并滿足相應音視頻功能的應用需求，在汽車領域的使用越來越廣泛。

1 車載以太網AVB概述

人民日益增長的美好生活需要和汽車技術的突飛猛進，促進了汽車智能化和網聯化的迅速發展，如數字化儀表、中控大屏、流媒體后視鏡、語音&視覺交換、自動駕駛及智能座艙等功能更加豐富及多元化。這些功能的增加帶來了車輛數據傳輸帶寬和實時性的更高要求，尤其在汽車音視頻等多媒體功能方面，高清的數據需要較高的帶寬、最大限度的實時性和良好的服務品質，來滿足語音、多媒體等實時數據的傳輸需求。因此，車載以太網AVB技術在汽車中得到快速推廣應用。

基于車載以太網技術的AVB（Audio Video Bridging）技術，是處理音頻和視頻流比較常用的一種方式，又稱音頻視頻橋接技術，簡稱AVB，可用于汽車多媒體數據流的傳輸。AVB協議源于IEEE802.3研究小組，該研究小組在2005年成立了IEEE 802.1AVB工作組，開始著手研究制定一系列的協議，使得基于以太網的實時音視頻傳輸技術走向市場。IEEE802.1音頻/視頻橋接工作組與IEEE1722二層傳輸協議工作組，針對時間敏感數據開發了一系列的標準協議，用于促進時間敏感類的音頻與視頻的應用，而另外一個行業聯盟組織，AVnu聯盟基于這些標準協議，結合車載功能場景及需求給出了車載應用的建議，同時AVnu聯盟內部的汽車驗證測試小組（Certification Test Subgroup，CDS）也開發了對應的認證測試規范，用于提供車載應用的互操作性與認證測試來驗證標準協議的實現。

2 AVB標準協議

為了能夠使盡可能多的設備進行通信而忽略不同硬件供應商的差異化，國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）在1979發布了開放系統互聯（Open System Interconnection，OSI）模型。AVB協議并非一個標準，AVB是一系列IEEE 802.1標準集合，AVB相關標準協議在OSI模型中的分布及位置，見圖1。

圖1 AVB協議架構

以太網AVB協議不僅擴展到傳統以太網功能上，并且與現有以太網的協議體系完全兼容，通過保障帶寬，限制延遲和精確時鐘同步，提供穩定的實時音視頻傳輸。從圖1中可以看出，AVB主要是鏈路層的協議，它和傳統的TCP/IP協議棧是并列共存的關系。AVB協議架構中包含IEEE Std 802.1AS、IEEE Std 802.1Qat、IEEE Std 802.1Qav、IEEE Std1722與IEEE Std1733協議。

相對于傳統以太網，AVB最主要的特性就是確定性延時，通過時間同步、帶寬預留及數據流的隊列轉發策略，確保每個音頻和視頻流在確切的時間內到達對端，此特性對時間敏感通信極其重要，AVB將3個協議（IEEE Std 802.1AS、IEEE Std 802.1Qat、IEEE Std 802.1Qav）整合到一起，給在局域網中傳送實時多媒體數據流提供了可能。同時在車輛多媒體數據流傳輸時，需要上層的音視頻橋接傳輸協議（IEEE Std1722）、實時傳輸協議（IEEE Std1733）的配合，使得AVB網絡更加便捷，各種音視頻流數據的封裝更加靈活，而不必對其進行繁瑣的操作。

AVB技術在車載以太網中的應用，重點是解決時間敏感數據流的傳輸時延及同步問題，因此協議架構中的3個關鍵協議IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qat和IEEE 802.1Qav為解決數據傳輸問題和實現應用需求提供了相應的通信機制。

2.1 精確時鐘同步協議

IEEE Std 802.1AS，精確時鐘同步協議（Generalized Precision Time Protocol，簡稱gPTP），在車載應用中，一般采用靜態確定主時鐘節點，主時鐘節點確定后，所有時間敏感系統中的節點以此主時鐘節點的時鐘為參考值，通過路徑延遲測算與補償、時鐘頻率匹配，將時間敏感系統網絡中各個節點的時間都同步到主時鐘節點的時間基準上，實現時鐘同步。gPTP的核心在于時鐘同步機制，主時鐘節點周期性地發送gPTP消息，通過gPTP消息衍生至系統中的各個從時鐘節點，進行相關時間參數的交換，從而精確地實現時鐘調整和時鐘頻率匹配。在AVB系統中，時間同步信息從主時鐘節點發送給從時鐘節點，達到共享主時鐘節點的時鐘信息。若主時鐘（Master time）節點和AVB系統中一個從時鐘（Slave time）節點二者時間不同步，基于gPTP協議時鐘同步機制，把從時鐘節點的時間同步到主時鐘節點的時間基準上，采用gPTP報文的收發（Sync同步報文、Follow-up跟隨報文、Pdelay_req延遲請求報文、Pdelay_resp延遲請求響應報文、Pdelay_Resp_Follow_Up延遲請求響應跟隨報文），記錄相關gPTP報文發送、接收時的時間戳信息，通過時鐘同步機制進行相應時間的測算，完成時鐘同步。其中，Sync、Follow-up為一組報文，主時鐘節點通過此組報文發送主時鐘信息，使主時鐘節點的時鐘信息傳遍整個AVB系統。Sync報文定期發送，觸發主時鐘與從時鐘節點分別記錄Sync報文發送與接收時的時間戳信息，Follow-up負責將主時鐘節點記錄的Sync報文發送時的時間信息發出，用來通知系統中的從時鐘節點，見圖2。

圖2 主時鐘信息報文發送

Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up報文為一組報文，周期發送，用于測量報文沿路徑傳輸產生的延時和兩端之間的時鐘頻率偏差，gPTP協議延遲響應機制示意圖，見圖3。其中、為時鐘同步請求節點發送和接收gPTP報文時的時間，、為時鐘同步響應節點接收和發送gPTP報文時的時間。

圖3 gPTP協議延遲響應機制示意圖

請求方節點在時刻發送Pdelay_req命令，應答方節點在時刻收到Pdelay_req請求指令后，應答方節點在時刻發送一個Pdelay_resp命令，該命令中攜帶的值。請求方節點在時刻收到該Pdelay_resp命令后，獲取到時刻，此時請求方節點獲取到、、時刻的數值。應答方節點在發送完Pdelay_resp命令后，接著發送一個Pdelay_Resp_Follow_Up命令，該指令中攜帶的值，請求方節點收到Pdelay_Resp_Follow_Up命令后，此時請求方節點便獲取到、、、時刻的4個值。

假設路徑延遲對稱，時鐘同步請求方節點可計算路徑傳輸延時（path_delay）以及自己與應答方時鐘的偏差（clock_offset）。

路徑傳輸延時為：path_delay=（-+-）/2

請求方節點根據clock_offset，path_delay實現與應答方節點的時鐘同步，交換機節點依據路徑傳輸延時的計算數值，將該值放在補償信息中，用于實現端到端的路徑延時計算。

2.2 流預留協議

IEEE Std 802.1Qat，流預留協議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP），SRP協議管理系統對帶寬的預留，確保了音視頻流節點間端到端的帶寬可用性。音視頻流發送節點在發送數據流之前進行帶寬注冊發布，對AVB系統中的路徑節點進行管理評估。在SRP中，流服務的提供者叫做Talker，流服務的接收者叫做Listener，SRP利用多注冊協議（Multiple Registration Protocol，簡稱MRP）來傳遞消息，詳細描述流的狀況，在Talker發送流服務之前保障發送效果，從而達到確定性傳輸，如果所需的路徑帶寬可用，整個路徑上的所有節點將會對此資源進行鎖定。同一個Talker提供的流服務可同時被多個Listener接收，SRP允許只保障從Talker到Listener的單向數據流流動，只要從Talker到多個Listener中的任意一條路徑上的帶寬資源經協商并鎖定，Talker就可以開始提供實時的音視頻流服務。通常符合SRP標準的交換機節點能夠將整個網絡可用帶寬資源的75%用于AVB鏈路，剩下25%的帶寬留給傳統的以太網流量。

2.3 隊列及轉發協議

IEEE Std 802.1Qav，隊列及轉發協議（Forwarding and Queuing for time-sensitive streams，簡稱FQTSS），為了避免普通的以太網數據流量與AVB流量之間對網絡資源的競爭，確保傳統的以太網數據流量不會干擾AVB實時音視頻流。AVB交換機節點對時間敏感的音視頻流和普通以太網數據流進行了差異化處理，交換機節點將收到的數據幀分別進行排隊，并且賦予時間敏感幀高優先級。在保證高優先級的時間敏感幀傳輸發送的條件下，再提供普通的非時間敏感數據幀的傳輸發送。隊列及轉發協議，在AVB交換機節點內完成，從而用于避免數據包堆積和不超出鏈路的最大允許傳輸延時，并且可保障75%的帶寬資源用于AVB數據流的傳輸。

2.4 AVB數據包格式

AVB以太網傳輸協議，只是從傳輸層面上提出了一個新的規范，但是在AVB內部傳輸的流媒體數據則是按照IEC61883規定的格式進行的。數據流發送端將音視頻多媒體數據流壓縮后，按照AVTP協議實時地在網絡上傳輸，保證了音視頻傳輸的實時性。AVB數據包格式見圖4。

圖4 AVB數據包

AVB數據中的IEC61883數據包可包含的數據格式有：61883-2 SD-DVCR標清視頻記錄數據流格式；61883-4 MPEG2-TS壓縮視頻數據流格式；61883-6非壓縮音頻數據格式，即IEEE1394傳輸格式；61883-7衛星電視MPEG壓縮格式；61883-8 Bt.601/656視頻流格式；IIDC非壓縮工業級攝像頭視頻流傳輸格式。針對不同的音視頻格式，AVTP數據包有不同的Header和Payload格式。

3 AVB協議測試

AVB協議測試主要分為部件級測試和系統級測試，部件級進行協議一致性的測試，目的是驗證各層協議實現的正確性。系統級測試側重于協議配置及自定義需求的正確性。

AVB協議部件級測試主要依據AVnu聯盟制定的測試計劃。AVnu聯盟是致力于在不同應用中使用開放標準，實現精準時間和低延時需求的互操作性生態系統的國際聯盟組織。為確保AVB設備之間的互操作性，AVnu聯盟為車載AVB部件級協議一致性測試制定了6項測試計劃，用于驗證AVB協議一致性以及車載AVB互操作性等，見表1。

表1 AVB協議一致性測試計劃

Automotive Generalized Precision Time Protocol用于驗證IEEE 802.1AS標準實現于車載AVB設備的gPTP協議一致性測試，主要包括gPTP參數和配置測試，基于IEEE 802.1AS標準定義的gPTP協議狀態機測試，gPTP-Bridge特定測試3部分；Endstation Test Plan for AutomotiveMedia Formats and SR Classes用于驗證IEEE P1722標準實現于車載AVB設備的AVTP協議一致性測試，主要包括AVTP通用需求測試，MPEG-TS和61883-4視頻格式測試，AVTP音頻格式測試，MJPEG和H.264壓縮視頻格式測試，音頻時鐘參考格式測試，流預留類測試等；Bridge Test Plan for Automotive SR Classes and Forwarding and Queuing用于驗證IEEE 802.1Qav標準實現于車載AVB Bridge的FQTSS協議一致性測試，主要包括端口數據轉發測試，基于信用的整形算法驗證測試，Bridge端口優先級重映射測試等。由于車內采用靜態網絡拓撲，AVB流預留采用靜態配置，因此AVnu并未針對汽車AVB設備發布SRP協議一致性測試規范，故需對AVB協議配置、協議參數進行測試驗證。

車載以太網AVB部件級協議一致性測試的詳細測試項目和測試過程以及測試判據可查閱對應的測試計劃，其部件級測試環境的連接方式見圖5。

圖5 部件級測試連接示意圖

AVB技術的應用是為了滿足車輛上的功能需求，為實現對應的功能需求及車輛使用場景，針對主機廠自定義的應用需求、協議配置及系統的特殊要求進行系統級測試至關重要，具體詳細的測試內容與判定標準需依據主機廠設計的系統級測試規范，其系統級測試環境連接方式見圖6。

圖6 系統級測試連接示意圖

對于系統級測試，AVB節點的相關時間參數和同步特性同樣是測試的重點，包括系統的啟動時間、時間同步、時間抖動和延遲等測試場景，驗證是否滿足系統配置需求及參數的定義、功能場景應用需求等。

4 測試示例

本示例為AVB協議配置參數的驗證，測試AVB系統中各節點發送的gPTP報文的以太網報文類型，目的MAC地址和VLANID是否滿足設計需求。測試前，參照圖6搭建測試環境，連接測試設備CANoe，完成CANoe軟硬件配置。

系統上電，使AVB系統處于正常運行模式中。采用CANoe工具，進行被測節點的數據采集，依次捕獲至少10幀主時鐘節點主端口發送的Sync報文、Follow_up報文，捕獲至少10幀從節點從端口發送的Pdelay_req報文，捕獲至少10幀主時鐘節點主端口發送的Pdelay_resp和Pdelay_Resp_Follow_Up報文，在CANoe軟件中查看捕獲的gPTP報文（Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up報文）的以太網幀類型是否為0x88F7，目的地址是否為01-80-C2-00-00-0E，VLANID數值是否無。如圖7所示。

圖7 gPTP報文數據信息

采用CANoe采集車載以太網AVB系統中被測節點的gPTP報文數據信息，查看并分析所采集的gPTP報文類型為0x88F7，目的地址為01-80-C2-00-00-0E，無VLANID數據信息，被測節點的該項測試通過。同樣，按以上所述測試要求及步驟，完成車載以太網AVB系統上各被測節點的Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up報文的采集、數據分析與測試結果的判定。

5 結束語

車載以太網AVB技術的出現將推動車載安全、多媒體網絡的發展，也為車內和車間網絡通信提供新的思路，并且隨著基于域控（Domain）、區控（Zone）的網絡架構和自動駕駛對通信的實時性、魯棒性和安全性的更高需求，AVB的升級版TSN將逐漸成為趨勢，車載以太網的測試也會更加偏重于應用方面的測試。對于AVB測試方法也需要結合標準協議的更新及應用需求，不斷地改進和完善。