車載TSN協議測試的研究與分析

【摘" 要】汽車技術的發展日新月異，智能駕駛、移動互聯、云計算、大數據等技術的逐步應用，促進汽車行業不斷向著數字化、自動化、網聯化發展，隨之帶來車載電子應用產品數量的激增和信息交互的日益復雜，產生大量需要傳輸處理的數據，必然會對網絡延遲、可靠性方面造成影響。因此，時間敏感網絡（TSN）的應用將會變得不可或缺。文章介紹TSN協議特性及發展，闡述主要協議標準、幀結構，并著重分析TSN協議的主要測試內容、測試環境等。

【關鍵詞】TSN協議；標準；數據幀；測試；車載以太網

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0074-05

Research and Analysis of On-board TSN Protocol Test

LI Zhitao，GENG Weifeng

（Technology Center of Great Wall Motor Company Limited，Baoding 071000，China）

【Abstract】With the rapid development of automobile technology and the gradual application of intelligent driving，mobile Internet，cloud computing，big data and other technologies，the automobile industry is constantly developing towards digitalization，automation，and networking. As a result，the number of on-board electronic applications surges and information interaction becomes increasingly complex，and a large amount of data needs to be transmitted and processed. Inevitably，network delay and reliability will be affected. Therefore，the application of time sensitive network（TSN）will become indispensable. This paper introduces the characteristics and development of TSN protocol，expounds the main protocol standards，frame structure，and focuses on the analysis of the main test content and test environment of TSN protocol.

【Key words】TSN protocol；standard；data frame；test；vehicle ethernet

隨著智能汽車的發展和車輛智能化的快速推進，車載以太網在車載通信中發揮了越來越重要的作用。車載控制系統對車載以太網通信的確定性、可預期性、可靠性提出了更高的設計要求，例如在車輛ADAS、自動駕駛、智能網聯等應用領域，采用傳統的車載總線網絡已經遠遠不能滿足其對通信的要求，而基于車載以太網的TSN通信技術逐步在汽車行業得到了廣泛關注，目前國內外OEM已積極展開TSN技術研發應用，同時伴隨TSN車規級通信芯片成熟度的提升，TSN必將在車載以太網通信中得到普及應用。

1" TSN概述

當下汽車行業正面臨著轉型革命[1]，新理念、新技術快速引入至汽車行業。TSN時間敏感網絡，是一項從音視頻領域延伸至工業、汽車、移動通信領域的技術。2002年，IEEE發布了IEEE1588精確時鐘同步協議。2005年，IEEE802.1工作組成立了AVB音視頻橋任務組，主要致力于解決音視頻數據在以太網介質傳輸中的時延、抖動、不確定性等問題，當時該技術稱為音視頻橋接技術，簡稱AVB（Audio Video Bridging）。采用AVB技術能較好地傳輸高質量音視頻數據，滿足較高的帶寬和最大限度的實時性。2012年，AVB任務組更名為TSN任務組，同步擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍。TSN本身并非是一項全新的技術，其擴展了AVB技術，用于低延遲、低抖動，并具有傳輸時間確定性的通信網絡，其時間同步、延時保證、可靠性傳輸等實時性功能，是在汽車領域特定應用環境下的增強功能實現。在汽車領域，無論是AVB還是TSN，從ISO/OSI參考模型角度看，網絡協議標準主要分布在數據鏈路層，而物理層的協議標準為IEEE 802.3bp或IEEE 802.3bw。TSN協議層次見圖1。

在汽車領域，基于車內網絡通信方式的變革訴求，期望能夠有更高的數據傳輸速率并保證實時性的通信。TSN通過配置關鍵型和非關鍵型數據流量的傳輸，可以避免損壞數據的實時性和性能安全，滿足車內關鍵型數據的傳輸場景需求。此外，TSN擁有豐富的協議標準和服務策略，在車載以太網上應用TSN機制，可以明顯降低數據傳輸的延遲、抖動，提高數據傳輸的可靠性，TSN應用于汽車控制領域，逐漸成為基于以太網的新一代網絡標準。

2" TSN協議標準

TSN是一套協議標準，主要包含了5類協議：時間同步、延時控制、可靠性、資源管理和安全。TSN協議本身具有很高的靈活性，車輛中對具體組件協議的選取與應用同車輛功能要求和場景需求緊密相關。TSN協議組件概覽見圖2。

TSN協議在非確定性的以太網中實現確定性的最小時間延時，車輛開發時，需考慮車輛功能與場景需求等，選擇相應的組件協議組合應用，為標準以太網增加了確定性和可靠性，實現確定性信息在標準以太網中實時、確定和可靠的傳輸。TSN定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，具備高數據傳輸量與優先級設定功能，且其協議透明，系統架構簡單等。

2.1" 時間同步組件

高精度時間同步對各個領域十分重要，決定著超高精度超低時延通信的實現[2]。TSN采用IEEE802.1AS、IEEE 802.1AS-REV協議標準實現時間同步，只有時鐘達到同步后進行實時性的評估和處理才具有意義。

IEEE802.1AS又被稱為廣義時鐘同步協議（GPTP），其工作在鏈路層，需要支持時間同步協議的硬件在MAC層對數據幀插入時間信息，然后傳輸至每個網絡節點，實現在最大7跳的網絡中，時鐘同步誤差在1μs以內。在802.1AS中，時間同步是按照“域”（Domain）劃分的，網絡中包含一個全局主節點（GrandMaster PTP Instance）和多個PTP節點。全局主節點負責提供時鐘信息給所有其他從節點，PTP節點又分為PTP End Instance（PTP端節點）和PTP Relay Instance（PTP交換節點），其中PTP End Instance或者作為GrandMaster，或者接收來自GrandMaster的時間同步信息；PTP Relay Instance從某一接口接收時間同步信息，修正時間同步信息后，轉發到其他接口。時間同步域網絡結構示意圖見圖3。

IEEE802.1AS在IEEE1588的基礎上形成了更具針對性的時間同步機制。作為IEEE802.1AS的更新版本，IEEE 802.1AS-REV添加了一些新特性，如多域冗余、支持“一步法”、支持WIFI連接類型等。IEEE802.1AS-REV是一種多主時鐘體系，增加了多時域時間同步的功能和冗余能力，當域內GM（Grand Master）時鐘發生故障時，能夠快速切換到其它域時鐘，提高了時間測量精度。

2.2" 延遲控制組件

本質上延遲和抖動無法絕對消除，TSN只是盡可能地減少延遲，保證延遲和抖動性能的最大極限。TSN的延遲控制一般通過流量整形機制實現，涉及到的流量整形標準主要包括：IEEE802.1Qav（Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams，FQTSS）、IEEE802.1Qbv（Time-aware Shaper，TAS）、IEEE802.1Qch（Cyclic Queuing and Forwarding，CQF）、IEEE802.1Qcr（Asynchronous Traffic Shaping，ATS）、IEEE802.1Qbu（Frame Preemption，FP），流量整形機制為高優先級流量提供確定的傳輸時隙來確保傳輸時延，以避免突發流量造成的重傳和丟包，相關標準簡述如下。

1）IEEE 802.1Qav定義了時間敏感流轉發與排隊的機制，它采用了基于信用的整形器（Credit-based Shaper，CBS），將隊列分為A類（Tight Delay Bound）和B類（Loose Delay Bound）兩種類型，通常CBS控制每個隊列最大數據流不超過配置帶寬的75%。當沒有數據傳輸時，隊列的CBS信用設置為0，A類隊列的信用非負時可以傳輸，若有數據傳輸，其信用將按照SendSlope下降，而另一個隊列則以Idel Slope速度上升。基于信用指標將傳輸時間分為高優先級流量和普通優先級流量兩類時隙，實現單跳延遲≤250μs，保證在7個跳轉（Hop）中，A類流量最差2ms延遲，B類流量50ms延時。

2）IEEE802.1Qbv提供了更精確的確定性時延保障，基于隊列優先級的流量調度策略保證了業務有序發送且延時可預測[3]，其引入了時間感知調度器的概念，利用門控列表控制不同優先級隊列的傳輸，通過確保高優先級的幀在傳輸中總是被優先處理，有效減小了傳輸時延。它使用服務類別（CoS）信息，如VLAN標識中的優先級標志（PCP），對在CoS隊列中傳輸的幀進行優先級排序。對于每個CoS隊列，都有一個具有時間感知能力的門，它控制是否可以發送CoS隊列中的下一幀。門可以打開或關閉，從而允許調度器控制在下一個時隙中將傳輸哪個CoS優先級的幀。

3）IEEE802.1Qch實現了與網絡拓撲無關的零擁塞和有界延遲，通過同步入口和出口隊列操作來實現，但是對網絡節點的時間同步要求較高。

4）IEEE802.1Qcr標準采用基于緊急度的調度機制，實現緊急度高的數據優先傳輸。

5）IEEE802.1Qbu實現幀搶占機制，允許高優先級的流量搶占低優先級流量的傳輸時隙，較低優先級的以太網幀的傳輸可以被中斷，幀搶占造成的低優先級幀中斷在下一個網橋中被重新整合成完整的幀，通過犧牲時間不敏感的幀的傳輸時隙來保證時間敏感幀的快速傳輸。

2.3" 資源管理組件

TSN使用專用時隙來傳輸幀，這些專用時隙的保留和在網絡上傳輸的協調需要進行端到端的配置。因此，需要引入相應的配置和資源管理機制來實現，TSN的資源管理主要分為兩類：分布式管理和集中式管理。涉及到的標準主要包括IEEE802.1Qat（Stream Reservation Protocol，SRP）、IEEE802.1Qcc（TSN configuration）、IEEE802.1Qcp（Basic YANG）、IEEE802.1Qcx（YANG for CFM）、IEEE802.1ABcu（YANG for LLDP）、IEEE802.1Qcw（YANG for Qbv，Qbu amp; Qci）、IEEE802.1CBcv（YANG amp; MIB for FRER）、IEEE802.1CBdb（Extended Stream Identification）、IEEE802.1CS（Link-local Registration Protocol）、IEEE802.1dd（Resource Allocation Protocol）、IEEE802.1dd（Resource Allocation Protocol）、IEEE802.1Qdj（Configuration Enhancements）、IEEE802.1ABdh（LLDPv2），相關標準協議簡述見表1。

2.4" 傳輸可靠性組件

為支持時間敏感流的應用，需要可靠的傳輸幀而不出現明顯的延遲，一個時間敏感網絡需要對分布式應用有一定的冗余度，因此可靠性協議在TSN傳輸中起到了至關重要的作用。該部分標準主要包括：IEEE802.1CB（FRER，Frame Replication and Elimination for Reliability）、IEEE802.1Qca（PCR，Path Control and Reservation）、IEEE802.1AS-2020（Reliability for Time sync）。相關組件協議簡述如下。

1）IEEE802.1CB中引入了幀復制和可靠性消除（FRER）機制，在不相交的路徑上發送關鍵流量的備份，主動實現無縫數據冗余。FRER允許每個傳輸的以太網節點復制以太網幀，以提供通往目的地的多條路徑，每個復制的幀都有一個序列號。這允許接收節點使用序列號來消除在同一入口端口收到的重復數據。通過使用復制和消除，以太網幀很有可能在不引入任何額外延遲的情況下到達其目的地。

2）IEEE802.1Qca提供顯式轉發路徑控制所需要的協議，如預定義的保護路徑、帶寬預留、數據流冗余、流同步和流控制信息的控制參數的分配。

3）IEEE802.1AS-2020（Reliability for Time sync）在IEEE802.1AS中添加了多域冗余和對“一步法”的支持，保障時間同步。

其次，TSN為了解決通信故障問題，提升傳輸的可靠性，TSN引入了每流過濾和警戒（PSFP）機制，該機制首先在IEEE 802.1Qci中定義，并在IEEE p802.1Qcr中成熟。

2.5" 安全組件

傳統以太網一般是通過設置防火墻進行安全防護，車載以太網使用基于端口的網絡接入控制（IEEE802.1X-2010 Network Access），在局域網接入設備的端口驗證用戶身份并控制訪問權限，此外還可使用密碼方式[IEEE802.1AEcg-2017（E2E）MACSec]，通過密碼技術認證數據起源，保護通信數據的完整性并提供重放保護，確保逐跳的安全性。TSN作為車載以太網數據鏈路層的擴展，可在OSI模型中的第2層進行數據保護，如使用PSFP機制，對轉發前的數據進行篩選和過濾，對特定標識的數據幀加以控制，從而規定、限制數據流可使用的帶寬或時間資源的對象和功能等。

TSN協議車載應用需要基于車載開發需求對以上5種協議組件進行選取和組合，可參照汽車行業中的車載TSN配置標準（802.1DG）匹配，IEEE802.1DG定義了車內以太網通信網絡配置要求，用以保障車內應用對安全性、高可靠性、高可用性、可維護性和限定延時的要求。在IEEE802.1DG中，傳輸協議采用了1722—2016；時鐘同步采用802.1AS—2020（冗余gPTP）；流預留采用802.1Qcc—2018、802.1Qca—2015；流整形采用802.1Qbv—2015、802.1Qbu—2016、802.1Qch—2017；可靠性協議采用802.1CB—2017、802.1AS—2020；安全協議采用802.1Qci—2017、802.1AEcg—2017。

3" TSN幀結構與流類別

TSN幀可以理解為是以太網幀的演進，其數據幀結構符合IEEE802.1Q標準，在標準的以太網幀中插入了4個字節長度的TSN tag，構成TSN幀。TSN幀結構見圖4。

TSN tag中包含TPI、PCP、DEI、VLAN字段。TPI為標簽協議識別，標識TSN網絡，數值為0x8100；PCP為優先級代碼，標識流量優先級；DEI代表丟棄標識位，對于低QoS要求的數據可置位，網絡擁塞時可丟棄，以確保高優先級數據的QoS傳輸；VLAN為網絡的識別號，VID=0用于識別幀優先級，VID=FFF作為預留，其余值用于標識VLAN。

TSN通過TSN tag中的PCP（Priority Code Point）和VID（VLAN ID）定義流的不同優先級。在TSN tag中的3位PCP定義了8個優先級，傳輸類型對應關系見表2。

與傳統以太網相比，TSN最大的目標是確定性服務，從而實現通過傳統以太網傳輸確定性數據流。依據功能需求與場景應用，可對整車上的相關數據流進行分類，數據流類別見表3。

其中關鍵性列為“高”的數據流，是否使用冗余協議需由功能需求決定，通常理應進行冗余機制和安全性的考慮，以實現更高的可靠性與低延遲傳輸。針對各類別的數據流，TSN通過對各類數據流匹配相應的標準協議，強制執行帶寬和時隙，從而增加隔離度，允許關鍵數據通過與其余流量相同的通信鏈路發送，而不會造成延遲或干擾。

4" TSN協議測試

TSN作為一種擴展的標準以太網技術，其可向后兼容標準以太網，從而獲得低延時抖動的高穩健通信鏈路[4]。在新一代車載網絡架構中使用TSN協議，將相應的服務策略、傳輸機制部署到時間敏感節點以及與之相連的控制器等，通過配置關鍵和非關鍵數據流量的傳輸，在復雜高速的通信交互中，避免損壞數據的實時性、性能，更好地滿足對傳輸延遲、帶寬保證、安全等方面的極限要求。因此，TSN協議的車載應用需要通過充分專業的測試驗證，全面評估通信協議的正確性、時間敏感系統功能是否正常、關鍵參數指標能否滿足設計要求等。

4.1" 測試范圍

在汽車電子電器領域，典型的V模型在OEM電子電器產品開發中廣泛應用。車載以太網的開發依據此V模型，左側為需求的開發設計工作，右側對應各階段的測試工作[5]。對于TSN系統的協議測試，OEM應側重于通信協議的一致性、系統行為的正確性、傳輸機制、時鐘同步、性能指標、穩定性等方面的測試。目前行業內尚未發布車規級的TSN協議測試標準，主要結合所應用的協議需求、服務策略、傳輸機制，并圍繞TSN在車載應用中的場景、關注點等，制定相應的測試范圍與測試內容等。因此，TSN協議測試主要從協議標準、時鐘同步、服務質量、幀傳輸干擾等方面進行測試評估。TSN測試內容概述見表4。

4.2" 測試環境

參照總線測試流程，首先依據TSN協議需求規范、功能應用等，完成測試規范的開發，其次結合測試規范、測試場景與測試工具鏈等搭建測試環境，開發測試代碼，測試工程，測試系統構建，實現自動化/半自動化測試。

面向TSN協議測試開發、測試執行工具，可采用Vector工具鏈，如CANoe、VN5650、VH1150等，各被測節點之間，被測節點與測試工具之間使用車載以太網雙絞線連接，且各端點之間雙絞線的長度應小于3m，同時匹配高精度示波器進行相應數據信息的測量，滿足協議、場景測試需求。測試環境示意見圖5。

在汽車工業領域，高級駕駛輔助、自動駕駛、智能網聯的發展，迫切需要高帶寬、低延遲、高可靠性和低抖動的數據傳輸，然而車載TSN協議的出現，滿足了車輛數據傳輸的特性需求。因此，測試工具鏈的選擇不僅要考慮TSN協議測試的要求，還要關注功能應用、場景特征，時間敏感流特性參數等，以構建完整、可靠、精準冗余的測試環境。

5" 結束語

隨著OT與IT的融合，汽車智能化、網聯化的發展，車載以太網時間敏感網絡應用于汽車骨干網絡已經成為了一個重要趨勢，TSN實現了網絡的確定性，能夠兼容有線、無線的物理接入方式，在汽車控制領域有著廣闊的應用場景。在智能網聯汽車發展的大環境下，TSN成為了車載網絡研究熱點。TSN在為諸如工業控制、自動駕駛等領域帶來福音的同時，自身也面臨著一些挑戰[6]，對于TSN協議的車載應用、測試驗證，仍存在著許多值得深入研究的問題。

參考文獻：

[1] 周芹. 5G-TSN系統下的高精度時間同步[J]. 汽車電器，2023（1）：43-45.

[2] 李曉輝，王先文，樊韜，等. 5G-TSN系統下的高精度時間同步[J]. 系統工程與電子技術，2023（2）：559-565.

[3] 楊明亮，吳春明，沈叢麒，等. 基于IEEE 802.1的TSN交換機隊列調度技術研究[J]. 電子學報，2022（9）：2090-2095.

[4] 尹長川，李妍玨，朱海龍，等. HSTC：TSN中的混合流量調度機制[J]. 通信學報，2022（6）：119-132.

[5] 李志濤. 車載以太網系統測試的研究與分析[J]. 汽車電器，2019（10）：9-12.

[6] 許方敏，伍麗嬌，楊帆，等. 時間敏感網絡（TSN）及無線TSN技術[J]. 電信科學，2020（8）：81-91.

（編輯" 楊凱麟）

作者簡介

李志濤（1983—），男，高級測試工程師，主要從事汽車車載總線測試與電器功能測試工作。