時間敏感以太網技術應用研究

孔祥明 李長龍 梁貴友 周時瑩 高長勝

【摘要】隨著車內網絡對實時性和大容量數據傳輸的雙重需求逐步增加，時間敏感以太網（TSN）成為以車載以太網為骨干網的電子電氣架構中必不可少的技術。為了驗證TSN協議對車載以太網的延時影響，通過對TSN主要協議族的技術特點和應用場景進行分析，使用RTaW軟件建模，通過Zonal架構網絡對4種不同情況的車載以太網流量進行仿真。結果表明，采用TSN協議的車載以太網在干擾流量占主要鏈路為80%帶寬時，最差端到端時延約增加0.1 us，接近無干擾情況延時。仿真表明TSN對車載以太網傳輸隊列延遲有可靠保證，TSN將在音視頻傳輸、高等級自動駕駛、安全備份等方面發揮更大的作用。

關鍵詞：智能網聯汽車；時間敏感以太網；車載以太網

中圖分類號：TP393.11?? 文獻標志碼：A? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20220281

Research on Application of Time Sensitive Ethernet Technologies

Kong Xiangming1，2， Li Changlong1，2， Liang Guiyou1，2， Zhou Shiying1，2， Gao Changsheng1，2

（China FAW Group Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 With the increasing demand for real-time and large capacity data transmission in the in-vehicle network， Time Sensitive Networking （TSN） has become an essential technology in the electronic and electrical architecture with vehicle ethernet as the backbone network. In order to verify the delay effect of TSN protocol on vehicle ethernet， this paper analyzes the technical characteristics and application scenarios of the main TSN protocol family， uses RTaW software modeling， and simulates the traffic of vehicle ethernet under 4 different conditions through the Zonal architecture network. The results show that when the interference traffic accounts for 80% of the main link bandwidth， the worst end-to-end delay of vehicle ethernet using TSN protocol increases by about 0.1 us， which is close to no-interference case delay. Simulation results show that TSN can guarantee the delay of vehicle ethernet transmission queue reliably. TSN will play a greater role in audio and video transmission， high-level automatic driving， security backup and other aspects.

Key words： Intelligent and Connected Vehicle（ICV）， Time Sensitive Networking（TSN）， Vehicular ethernet

【歡迎引用】 孔祥明， 李長龍， 梁貴友， 等. 時間敏感以太網技術應用研究[J]. 汽車文摘，2024（7）： 37-43.

【Cite this paper】 KONG X M， LI C L， LIANG G Y， et al. Research on Application of Time Sensitive Ethernet Technologies[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（7）： 37-43.

0 引言

當前車內網絡對于通信帶寬、速率要求逐步增加，傳統的分布式架構難以同時滿足汽車對實時性、可靠性的需求。傳統以太網雖技術成熟但最初并非用于車載網絡，只解決了帶寬和速率的需求，沒有過多涉及時序且沒有充分考慮時延，導致傳統以太網在車載網絡應用中出現延時增加和抖動情況。時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking， TSN）是電氣和電子工程師學會（IEEE）802.1工作小組中的TSN工作小組制定的系列標準，即在非確定性的以太網中實現確定性的最小時延的協議族，其定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，為傳統標準以太網增加了確定性和可靠性，以確保數據實時、準確、可靠地傳輸。北京理工大學鄒淵[1]提出了以端口數均勻、負載均衡和信息流端到端延時最低為優化目標的網絡架構多目標優化框架。國汽（北京）智能網聯汽車研究院李群[2]提出了一種新型車載以太網TSN時間敏感網絡測試原理。吉林大學楊浩[3]對TSN網絡運行過程中的技術特點和性能進行歸納總結。當前國內外學者圍繞TSN的研究主要集中在協議綜述、優化分析、算法設計、測試原理等方面。

針對缺少實際應用研究和真實仿真的問題，本文提出了時間敏感以太網技術應用研究。首先介紹TSN主要協議，對車載典型應用場景進行說明；然后使用RTaW軟件建立實車仿真拓撲，對部分TSN協議不同場景分別進行仿真；對目標流量經過的主要鏈路添加干擾流量，按照鏈路總帶寬的20%、40%、60%、80%添加干擾；在 Qbv 整型下，對比制動踏板傳感器流量和制動踏板執行器流量的最差端到端時延，旨在驗證TSN協議對車載以太網延時的影響。

1 主要協議介紹

TSN是一系列標準，TSN協議族（見圖1）非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇。它從時間同步、延遲、可靠性、資源管理4個方面考慮擴展傳統以太網標準，以滿足不同系統在時效性方面的需求，本章介紹主要的TSN協議內容。

1.1 IEEE 802.1AS

時間敏感應用的定時和同步（IEEE 802.1AS）通常被稱為廣義的精確時間協議（generalized Precision Time Protocol， gPTP）。最新版IEEE 802.1AS-2020取代了2011年發布的IEEE801.AS-2011。該協議的主要作用是實現高精度時鐘同步和主時鐘備份，確保連接在網絡中的各個設備節點時鐘同步，并達到μs級甚至ns級精度。汽車領域典型的應用場景為：雷達、激光雷達、超聲波、攝像頭等環境感知傳感器數據融合；不同執行部件間的步調協調；前后排主機音視頻同步。

IEEE 801.1 AS-2011的主要規范如下：

（1）只支持一個時間域；

（2）傳輸：gPTP假設通信是在2層完成；

（3）單一鏈路延遲（Propagation delay， Pdelay）機制旨在對等連接（Peer-to-Peer， P2P）；

（4）不允許使用精確時間協議中繼（Precision Time Protocol relays， PTP relays）：網絡中主端口（Master）和 從端口（Slave）之間所有的節點都必須具備精確時間同步協議（Precision Time Protocol， PTP）；

（5）同步是硬性要求；

（6）時間戳分辨率必須≥40 ns。

IEEE 801.1 AS 中的可選配置項和規范旨在實現網絡中規定的性能，當傳輸過程被分成6個或更少的時間感知系統時，網絡中各節點的同步精度能達到1 μs之內。

IEEE 802.1AS-2020相比于IEEE 802.1AS-2011有很多增強的規范，其中最重要的新規范如下：

（1）支持多個時間域；

（2）不需要最佳主時鐘算法（Best Master Clock Algorithm， BMCA），可以選擇靜態配置Master、Slave。

只要不使用這些新的增強規范，IEEE 802.1AS-2020就可以兼容IEEE 801.1 AS-2011。

1.2 IEEE 802.1Qav

IEEE 802.1Qav 為時間敏感流的轉發和排隊增強協議，其定義了一個利用優先級、基于“漏桶”信用公平排隊的流量整形器。IEEE 802.1Qav第一次發布在2009年，隨后被合并到IEEE 802.1Q-2014中。之后在IEEE 802.1Qbv中關于流量調度的增強（Enhancements for Scheduled Traffic， EST）的相關內容中，對IEEE802.1Qav做了進一步修訂，并將其合并在IEEE 802.1Q-2018中。

由于流量突發經常發生在出現擁塞的網橋端口和終端網絡端口上，所以需要使用IEEE 802.1Qav協議。終端網絡端口利用流量突發的方式達到可能的最高數據吞吐量。這賦予了終端網絡較好的性能，但是流量突發可能是一個網絡中（對網橋而言）發生的最壞流量情況。單一來源的流量突發不一定造成問題，但是同一時間多個來源的流量突發造成的擁塞將成為問題。如果網橋設備中出現擁塞，就會出現數據包丟失的情況。近年來，網橋通過數據重傳的方式來解決數據包丟失的問題。然而，數據重傳不能滿足低時延和保證傳輸到達的需求。通過增加一個網橋的存儲空間來提高其緩存能力也并不可取，因為其只能解決特定網絡的配置問題，無法解決根本問題。如圖2所示，在通過以上方法解決網絡配置問題的網絡中增加一條額外的數據流，緩存容量可能不再滿足要求，同時額外的存儲空間也會增加時延。IEEE 802.1Qav隊列傳輸見圖3。

基于信用的整形器（Credit Based Shaper， CBS）通過抑制硬件上的流量突發，解決了在網絡擁塞點和網卡處的丟包問題。它可以在劃分流量等級的基礎上進行配置，對于不支持CBS的隊列上的數據流，會按它們原來的方式正常發送；對于支持CBS的隊列上的數據流，會自動消除流量突發，而不需要對優化的網卡驅動器或者網橋的排隊在硬件上做出任何改變。這使突發性的流量得以平滑，并且使“盡力而為（Best-Effort）”流量的傳輸不會產生明顯中斷，即高優先級的流量不完全扼制那些低優先級的Best-Effort流量。簡單來說，CBS用于平滑流量并在時間上均勻分發數據包。否則，大量的數據包或者突發的流量會造成緩沖區溢出。可使用CBS的場景如下：

（1）音視頻或其他類似的應用；

（2）AVB網橋的流量整形器：音視頻流量優先于Best-Effort流量進行轉發，使用服務質量（Quality of Service， QoS）參數的AVB流量傳輸；

（3）常規流量突發的平滑處理；

（4）提供良好的QoS保證，配置復雜度低的網絡。

1.3 IEEE 802.1Qbv

IEEE 802.1Qbv為計劃流量的增強協議，第一次發布于2015年，隨后被合并到橋接網絡整形器標準IEEE 802.1Q-2018中。嚴格優先級整形器（IEEE 802.1p）和基于信用的整形器（IEEE 802.1Qav）的共同缺點是它們不能嚴格保證在所有應用中具有確定性的低時延。為了解決該問題并完成理論上可能的最低時延，時間感知整形器（IEEE 802.1Qbv）被開發出來。IEEE 802.1Qbv整形器最好在有周期性數據發送的應用中工作，其中關鍵的傳感器數據應該在固定周期的固定時間隔內發送和處理，以達到非常低和確定性的時延，IEEE 802.1Qbv門控調度見圖4。

IEEE 802.1Qbv通過在關鍵流計劃出去端口期間，確保端口處于空閑狀態，從而將時延最小化，保證時間關鍵流的最小時延。因為關鍵流可以在計劃時間精確地發送數據，且確保端口在這個時間點不會發送其他任何數據（比如一個最大干擾幀）。數據包發送時間是通過定義一個對每個流量等級（Traffic Class， TC）門的開/關時間表來確定。流量被引導到合適的流量等級上，以確保其在要求的時間發送。如果一個隊列上的門是關閉的，其對應的TC就不能發送任何數據，當門是開放狀態時TC才能發送數據。

為了確保IEEE 802.1Qbv正常工作，網絡中的傳輸設備需要具備“時間感知”能力，也就是說，傳輸設備需要運行某種形式的精確時間協議（IEEE 802.1AS）來同步時間。除此之外，在支持計劃流量的網絡中，每個結點的門開/關時間表都必須配置在網絡中的傳輸設備上。

IEEE 802.1Qbv使用一個門驅動器機制（圖5），根據一個網橋上每個端口已知的、商定的時間表來進行開和關的操作。門控列表（Gate Control List， GCL）包含門控條目（Gate Control Entrys， GCEs），這些門控條目指明哪個隊列現在是開門狀態并且有資格發送數據。

根據GCL中的GCEs和每個隊列的傳輸選擇算法來發送幀。每個單獨的隊列都有自己的傳輸選擇算法，比如，嚴格優先級或者基于信用的整形器。

1.4 IEEE 802.1Qci

IEEE 802.1Qci協議包含單流過濾和控制策略（Per-Stream Filtering and Policing，PSFP），第一次發布時間為2017年，隨后被合并到用于網橋和橋接網絡的協議IEEE 802.1Q-2018中。

如圖6所示，IEEE 802.1Qci通過對單一通信流量進行過濾和控制，以提升網絡健壯性。防止出現由于故障或拒絕服務（Denial of Service， DoS）攻擊造成的流量過載，對網橋和接收終端的正常工作帶來的影響。PSFP主要包含3部分：流過濾器、門控機制和流量計。流過濾器對于符合規則且具有特定流標識和優先級的報文準予通過，對于不符合規則的流量采取控制策略，比如帶寬限制規則會限制超出帶寬的流量。而流量計根據預定義的帶寬信息計量每個流量。

為了解決“胡言傻瓜（Babbling Idiot）”的問題，需要使用IEEE 802.Qci協議中的PSFP策略。解決這一問題不僅可以有效地降低故障率，同時能解決一些安全問題。一個故障的發送端或交換機發送流量太多，或在錯誤時間發送，會占用其他流的帶寬，導致這些流量帶寬和時延無法得到保證，引發故障。因此一個具有Babbling Idiot問題的節點，會影響整個網絡中的多個流，進而影響整個網絡。如圖7所示，網絡設備Talker 1（紅色路徑）為發送了過多數據的故障流。這造成網絡設備Talker 2（綠色路徑）超出帶寬要求和時延保證。綠色路徑的節點都沒有故障，但其傳輸的數據流卻發生了故障。

為了解決Babbling Idiot的問題，流入控制策略引入了能夠關斷或限制超出帶寬數據量的過濾器。如圖8a所示，Talker 1的帶寬被限制，使得綠色路徑下傳輸的數據流能遵循其帶寬要求和時延保證。

如圖8b所示，沒有采用限制Talker 1傳輸速率的方式，而是完全關閉Talker 1，同樣的綠色路徑下傳輸的數據流能遵循其帶寬要求和時延保證。

PSFP不適合Best Effort流量，因為Best Effort流量沒有確定性，所以如何界定發送Best Effort流量節點是否故障是未知的。超出帶寬限制的Best Effort流量會在流出端口時被丟棄，因此不會對其他流量類造成影響。PSFP適用于以下流量：

（1）AVB預留的流量（Class A&B， Qav）；

（2）靈活控制的流量類（如：蠕動整型器，基于緊急性的調度器，發送速率限制整型器）；

（3）調度性流量類（Qbv）。

1.5 IEEE 802.1CB

IEEE 802.1CB是汽車以太網冗余協議，其主要目標是通過確保數據完整性來提供功能安全。此項必須保持在TSN網絡的嚴格延遲和抖動容限內。

一些典型的失效情況如下：

（1）設備失效：傳感器因老化或環境原因（如熱或水污染）而損壞或出現故障；

（2）鏈路失效：線纜破損或短路；

（3）接插件失效：因機械應力或接觸腐蝕而脫節。

在有嚴格時序和功能安全需求的TSN網絡中，以下目標必須通過冗余機制來滿足：零丟包、保證端對端時延、低抖動。

IEEE 802.1CB的基本工作原理是在源頭對每個數據包進行編序和復制。多個副本通過多條路線發送到目的地。然后在目的地或中繼站消除重復，以減少網絡過載，也就是將一個流劃分為多個鏈接的成員流，因此原始流被稱為復合流。最后重新加入成員流并消除重復，以提供重構的原始流，見圖9。

如圖10所示的網絡，有7種可能的單鏈路故障和21種可能的雙鏈路故障。如果7條鏈路中的任何一條出現故障，并且在21條可能的雙鏈路故障路徑中的16條中出現故障，網絡仍能夠傳輸數據。

IEEE 802.1CB 針對傳輸錯誤提供了保護。通過預防性復制幀并通過不同路徑將冗余副本傳輸到目的地來解決這些問題。

2 車載以太網仿真驗證

使用RTaW軟件，針對部分TSN協議進行仿真，建立3個命名為HPC1、HPC2、HPC3的控制器，這3個控制器與各交換機之間鏈路為千兆以太網，各電子控制單元（Elecmal Control Unit， ECU）與交換機之間鏈路為百兆以太網。

為了綜合考慮不同整型方式、干擾流量對目標流量的影響，分4種情況分析。

（1）僅有目標流量，分析目標流量最差情況下的端到端時延，以及目標流量之間是否存在影響。

（2）干擾流量與目標流量無優先級區別，分析目標流量與干擾流量具有相同優先級時，最差情況下的端到端時延。

（3）目標流量具有較高優先級，分析采用嚴格優先級整型時，目標流量及干擾流量最差情況下的端到端時延變化。

（4）目標流量采用TSN整型，分析對目標流量采用適合的TSN整型時，目標流量最差情況下的端到端時延變化。

在上述情況中，干擾流量將按照鏈路總帶寬的 20%、40%、60%、80%的比例逐步增加。

2.1 僅有目標流量

使用RTaW軟件進行仿真時，所有目標流量均在同一優先級時，最差端到端時延分析見圖11。

（1）從仿真結果可以看出當目標流量均處于同一優先級時，目標流量之間會出現干擾。

（2）以音、視頻流為例，由于音、視頻流均由ECU2發送，因此最差情況下音、視頻流同時發送數據，此時對于音頻而言將引入視頻流一個周期內最大總長度的時延，即133×842×8/100=8 958.88 μs，所以應當對不同類型的目標流量設置不同優先級。

2.2 干擾流量與目標流量無優先級區別

在同一優先級下，對目標流量經過的主要鏈路添加干擾流量，按照鏈路總帶寬的20%、40%、60%、80%添加干擾。

以干擾流量占主要鏈路帶寬80%為例，軟件仿真結果分析見圖12。

（1）從仿真結果可以看出，干擾流量與目標流量處于同一優先級時，會極大地影響目標流量的端到端時延，特別是對于帶寬需求高的流量。

（2）以視頻流為例，由于在鏈路 Bridge3->Bridge2以及Bridge4->Bridge5，各添加了80%帶寬的干擾流量，在此最差情況下，視頻流將引入干擾流量一個周期內最大總長度的時延，即649×1542×8/1 000=8 006.064 us。

2.3 目標流量具有較高優先級

使用嚴格優先級區分目標流量和干擾流量，干擾流量仍以鏈路總帶寬的20%、40%、60%、80%添加以干擾流量占主要鏈路80%帶寬為例軟件仿真結果分析見圖13。

（1）從仿真結果可以看出，設置目標流量擁有更高優先級后，繼續增加干擾流量的帶寬至總帶寬 60%，最差情況下目標流量的端到端時延不會發生改變。

（2）分析最差情況下干擾流量的端到端時延，以Bridge3和Bridge2之間的Interrupt_BE32為例，可以計算出基本的傳輸時延為649×1 542×8/1 000=8 006.064 μs，再考慮音、視頻流對干擾流量的影響，基本與軟件仿真結果8 977 μs一致，可以看出這一影響隨著干擾流量的帶寬增加而被放大。設置了嚴格優先級后，較低優先級的干擾流量不會影響到高優先級的目標流量，但是隨著使用帶寬的增加，Best-Effort 流量的端到端延時成比例增加。

2.4 目標流量采用TSN整型

對高級駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System，ADAS）控制流量設置時間意識整型器（Time Awareness Shaper，TAS）整型器（IEEE 802.1Qbv），對音、視頻流及攝像頭數據流設置CBS整型器（IEEE 802.1Qav），同時采用多時鐘域的時間同步機制（IEEE 802.1AS），由于ADAS控制流量存在冗余路徑，因此原設計文檔中TAS整型器根據冗余路徑進行設計，同時設置主路徑和冗余路徑的門控列表。

以干擾流量占主要鏈路80%帶寬為例，軟件仿真結果分析見圖14所示。

從仿真結果可以看出，在 IEEE 802.1Qbv整型器下，制動踏板傳感器流量和制動踏板執行器流量的最差端到端時延分別為71 μs 和87 μs，均接近無干擾情況下的軟件仿真值70 μs 和86 μs，不會受到干擾流量增加的影響，可見 IEEE 802.1Qbv 門控列表設計有效保護了目標流量的傳輸。此外，IEEE 802.1Qav整型為攝像頭數據流量預留足夠的帶寬，也保證其傳輸不受干擾流量增加的影響。

3 結束語

時間敏感以太網是解決智能網聯汽車以以太網為骨干網時，傳輸時間敏感類數據的一項有效的技術，也是未來汽車發展中一種必然趨勢，這將對傳統汽車的整車網絡架構設計和實現產生顛覆性的影響。本文描述了時間敏感網絡的主要協議族的技術特點及典型應用場景的考量。通過一個基于Zonal架構的網絡，進行仿真驗證，證明了時間敏感以太網對傳輸隊列延時的保證。時間敏感以太網將在音視頻傳輸、高等級自動駕駛、安全備份等方面發揮更大的作用。

參 考 文 獻

[1] 鄒淵， 孫文景， 張旭東， 等. 面向時間敏感網絡的車載以太網網絡架構多目標優化[J]. 汽車工程， 2023， 45（5）： 746-758.

[2] 楊浩， 秦貴和， 于赫， 等. 車載時間敏感網絡技術綜述[J]. 計算機應用與軟件， 2015， 32（8）： 1-5+10.

[3] 李群， 唐風敏， 楊光， 等. 一種車載以太網TSN時間敏感網絡測試方法[C]// 2022中國汽車工程學會年會論文集（4）， 2022： 7.

[4] IEEE. 802.1AS-2011-IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications in Bridged Local Area Networks[S/OL]. （2011-03-30）[2023-11-15]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/5741898.

[5] Avnu Automotive Technical Working Group. Automotive Ethernet AVB Functional and Interoperability Specification [EB/OL]. （2019-11-07）[2023-11-15]. https：//avnu.org/wp-content/uploads/2014/05/Auto-Ethernet-AVB-Func-Interop-Spec_v1.6.pdf.

[6] AVNU. 802.1AS Recovered Clock Quality Testing[S/OL]. （2016-10-18）[2023-11-10]. https：//avnu.org/wp-content/uploads/2014/05/Avnu-Testability-802.1AS-Recovered-Clock-Quality - Measurement-1.0 _ Approved - for - Public - Release.pdf.

[7] AVNU ALLIANCE. Best Practice Stream Registration Protocol[S/OL]. （2014-11-03）[2023-11-10]. https：//avnu.org/wp-content/uploads/2014/05/AVnu _ Stream - Reservation-Protocol-v1.pdf#：～：text=Stream%20Reservation%20Protocol%20%28SRP%29%20is%20an%20amendment%20to，of%20Service%20%28QoS%29%20in%20Local%20Area%20Networks%20%28LANs%29.

[8] IEEE. 802.1BA-2021-IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Audio Video Bridging （AVB） Systems [S/OL]. （2021-12-17） [2023-11-10]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/9653970.

[9] IEEE. 802.1CB-Frame Replication and Elimination for Reliability [S/OL]. （2017-08-31）[2023-11-10]. https：//grouper.ieee.org/groups/802/1/pages/802.1cb.html.

[10] IEEE. 802.1Q-2022-IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Bridges and Bridged Networks [S/OL]. （2022-12-22）[2023-11-10]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/10004498.

[11] IEEE. 802.1Qav-2009-IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Virtual Bridged Local Area Networks Amendment 12： Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams [S/OL]. （2010-01-05）[2023-11-10]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/5375704.

[12] IEEE. 802.1Qbv-2015 - IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Bridges and Bridged Networks - Amendment 25： Enhancements for Scheduled Traffic[S/OL]. （2016-03-18） [2023-11-10].https：//ieeexplore.ieee.org/document/8613095.

[13] IEEE. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks - Bridges and Bridged Networks Amendment： Per-Stream Filtering and Policing[S/OL]. （2011-03-30）[2024-05-01]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/5741898.

[14] 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， 36（8）： 11.

[15] 叢培壯， 田野， 龔向陽， 等. 時間敏感網絡的關鍵協議及應用場景綜述[J]. 電信科學， 2019， 35（10）： 12.

[16] 徐驍麟. 時間敏感網絡技術及其在工業互聯網中的應用[J].電信網技術， 2018（5）： 1-5.

[17] 李英. 時間敏感網絡（TSN）及無線TSN技術研究[J]. 數字通信世界， 2021 （5）： 88-89.

[18] 黃韜， 汪碩， 黃玉棟， 等 確定性網絡研究綜述[J]. 通信學報， 2019， 40（6）： 160-176.

（責任編輯 明慧）