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2025-01-08AURIX™ TC4x GETH 對時間敏感網路的支援介紹
來源:英飛凌汽車電子生態圈
技術文章
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1. 前言
如今乙太網已成為所有車內通信的骨幹，標準乙太網作為一種基於 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：
1. 時間敏感型流量和應用；
2. 在共用網路上的不同服務品質要求（Qualities of Service QoS）；
3. 可靠性和延遲要求。
時間敏感網路（TSN）是標準乙太網在汽車等特定應用環境下的增強功能實現。時間敏感網路（TSN）有可能通過建立通用標準打開即時乙太網市場，把乙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 對時間敏感網路標準的概述，讓讀者瞭解 AURIX™ TC4x 控制器是如何能滿足對時間敏感網路（TSN）的各方面需求。
2. 時間敏感網路概覽
2.1 什麼是時間敏感網路？
時間敏感網路是 IEEE 802.1 定義的標準技術，用於在標準乙太網上提供確定性資訊傳送。它增加了在乙太網網路中保證確定性和輸送量的定義，以提供有界延遲和零擁塞損失。
2.2 從音視頻橋接（AVB）變到時間敏感網路（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 時敏網路（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、航空航太、服務提供者等。
圖 1 AVB 與 TSN 支援的標準協定比較圖
3. AURIX™ TC4x 支援的時間敏感網路功能
英飛凌的 AURIX™ TC4x 支援定時同步和 CBS 這些時間敏感網路最重要的功能，因此 AURIX™ TC4x 能成為車廠對 TSN 需求的完美選擇。詳細的 AURIX™ TC4D 乙太網模組所支援的標準如下表格：
圖 2 AURIX™ TC4Dx 乙太網模組所支援的協定
以下會簡要概述這些標準。
3.1 IEEE 802.1AS/AS-2020：Timing and Synchronization
當網路使用是用於即時通信，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。該網路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）是網路的時鐘源，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 演算法，系統能夠選擇網路中的主時鐘，其他時鐘則以這個主時鐘作為參考進行同步，從而確保整個網路的時鐘同步。在 TSN（Time-Sensitive Networking）網路中，BMCA 演算法用於選擇網路中唯一的主時鐘（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資訊，同時具有一個從埠用於接收時鐘同步資訊。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：
1. 利用點對點延遲機制測量鏈路傳播延遲；
2. 同步資訊的分發。
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記（Timestamps），如下圖所示中利用點對點延遲機制從時間戳記中計算出，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
在同步資訊的分發方面，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記 t0，校正欄位，這些都會用於計算。
1. 累計相鄰頻率偏移量，獲得相對於主控器的頻率偏移量。
2. 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，可減少接收橋接器和終端的緩衝。它使用 CBS（Credit Based Shaper）來避免相同流量優先順序的報文突發。它可以調整流量、防止擁塞、和確保所有使用者都能獲得最佳性能。
那麼什麼是基於"信用值"的調整機制呢? 這是可以把每個佇列想像成一個信用卡使用者，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。
當一個佇列的在傳輸的時候，需要這樣使用這個信用卡:
1. 當佇列開始準備傳輸一個 Ethernet Frame 時，需要首先判斷，信用卡裡的錢是否大於 0，如果大於 0，才會被允許傳輸。
2. 在傳輸的這段時間裡，會以某一速度，不斷地消耗信用卡裡的錢。
3. 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。
4. 信用卡有下限的額度，規定最多可以欠多少錢。
當一個佇列在空閒的時候，需要這樣使用這個信用卡:
1. 當佇列停止傳輸任何 Ethernet Frame 時，會以某一速度，不斷向信用卡裡還款/存錢。信用卡的欠款會被逐漸還請，當還清後，如果佇列仍是空閒狀態，會繼續在裡面存錢。
2. 信用卡有上限額度，規定最多能存多少錢。
通過這樣的機制，就可以控制每個佇列的傳輸，如果想讓某一個佇列多傳輸一些，那麼就可以調整它在傳輸時消耗信用卡裡錢的速度，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。信用卡裡的錢（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。傳輸時消耗信用卡裡的錢的速度，被稱為 sendSlope。空閒時向信用卡裡存錢的速度，被稱為 idleSlope。信用卡的存錢上限，被稱為 hiCredit。信用卡裡的允許欠錢的下限，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）允許在時間觸發視窗中調度時間關鍵幀和優先順序較低幀的傳輸，這有助於保證時間關鍵幀的有限延遲的確定性。
在 TAS 中、時間被分為週期（Cycle），週期被分為時段（Time Slot）。每個時隙可分配八個乙太網優先順序中的一個或多個，時間感知調整根據時間計畫，通過打開和關閉屬於不同佇列的閘門來傳輸不同的資料流程。為了保證低延遲，網路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路的時鐘同步。
每個佇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佇列的門控制器。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
乙太網幀搶佔是 IEEE 802.1Qbu 標準中規定的一項功能，它為出口埠定義了兩種 MAC，即可搶佔 MAC（pMAC） 和快速 MAC（eMAC），快速幀可中斷可搶佔幀的傳輸，避免低優先順序幀阻塞高優先順序幀的傳輸。
幀搶佔的作用如下，可搶佔式幀（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，以重新創建原始網路資訊。當快速幀（Express frame）到達，而可搶佔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 搶佔幀（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
為了防止網路故障影響或惡意攻擊對網路造成的干擾，802.1Qci 將故障隔離到網路中的特定區域。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。
資料流程濾波器包括資料 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，以防止出站佇列被非法幀淹沒。Qci 專門對付 DDoS 這樣的網路攻擊，假如一個資料流程流量突然增大，有可能擠壓另一個資料流程的頻寬時，入口管理政策會將資料流程整形，強制回到資料流程爆發前的狀態。
PSFP 由三個組成:
1. 流篩檢程式：通過AURIX™ TC4x GETH MAC 中的 FFP（Flexible Frame Parser）實現，標識資料流程 ID 並映射到 8 個閘道 ID 之一；僅支持 8 個閘道 ID。
2. 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。
3. 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 檔選擇 PC，保護 TSN 不受攻擊等流量異常或終端站或其他橋接器故障的影響。
圖 8 PSFP 協定結構框圖
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，它可為不能容忍資料包丟失的控制應用程式提供主動無縫冗餘。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 通過硬體橋接器支援 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 網路設計。包括：
1. 基於標準、需求規範、應用場景分析，依據資料流程分析的結果和車型網路拓撲，選擇網路通訊協定，設計各 TSN 協定配置參數，輸出 TSN 系統組態文檔。
2. 結合車載網路業務場景，設計 TSN 參數並進行模擬測試，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、資料流程傳輸協議參數，等等。
TSN 開發包括 TSN 協定棧的開發、配置和部署，TSN 原型驗證平臺搭建。TSN 零部件和系統測試。對網路性能進行模擬分析，定量評估網路設計參數。
5. 總結
汽車功能的智慧化、網聯化、數位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，説明客戶實現其優質的解決方案。車載乙太網在車載網路是現今車輛通信的骨幹絡，基於 TSN 的電子電氣架構的汽車架構也會成為主流，主控晶片能否支援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慧化、網聯化、數位化的發展進程。
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