眾所周知，通用以太網(wǎng)是以非同步方式工作的，網(wǎng)絡中任何設備都可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)的傳輸時間上既不精準也不確定；同時，廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸，也會因網(wǎng)絡負載的增加而導致通訊的延遲甚至癱瘓。因此，通用以太網(wǎng)技術僅僅是解決了許多設備共享網(wǎng)絡基礎設施和數(shù)據(jù)連接的問題，但卻并沒有很好的實現(xiàn)設備之間實時、確定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

最初，以奔馳為首的德國公司在2000年發(fā)明了Flexray總線來解決問題，今天TSN標準里最核心的時間觸發(fā)機制和無縫冗余理念都來自Flexray，但Flexray傳輸速率最高僅20Mbps，遠遠不能滿足完全無人駕駛的要求，但對于L2級自動駕駛則綽綽有余，這也是奔馳和寶馬對TSN不太感冒的原因之一，F(xiàn)lexray可以看做輕量級的TSN。

2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。這一點立刻受到來自汽車和工業(yè)等領域人士的關注。2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務組。

TSN其實指的是在IEEE802.1標準框架下，基于特定應用需求制定的一組“子標準”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時間敏感機制，以確保網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。同時利用數(shù)據(jù)整形，確保延遲達到微秒級（一般每橋不超過250微秒），利用FrameReplication and Elimination幀復制和消除，確保無論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能強制實現(xiàn)可靠的通訊。此選項確保關鍵流量的復本在網(wǎng)絡中能以不相交集的路徑進行傳送，只保留首先到達目的地的任何封包，從而實現(xiàn)無縫冗余，達到超高的可靠性，這對無人駕駛尤其重要。

同時還有靈活的資源管理。TSN就僅僅是關于以太網(wǎng)通訊協(xié)議模型中的第二層，也就是數(shù)據(jù)鏈路層（更確切的說是MAC層）的協(xié)議標準。請注意，是一套協(xié)議標準，而不是一種協(xié)議，就是說TSN將會為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，為不同協(xié)議網(wǎng)絡之間的互操作提供了可能性。

狀態(tài)分4種，分別是已公開、工作組（WG）、任務組（TG）和倡議（Sponsor）。有關汽車工業(yè)的除P802.1DG外，都已公開。不過這并不妨礙TSN在汽車領域的應用。只要有TSN的核心組件即可投入使用，TSN有4個核心組件，分別是時間同步、低延遲、超高可靠性和特定資源管理。

車載TSN的6大核心標準

01

時間同步

所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時鐘，并制定新的標準IEEE802.1AS-Rev。它用于實現(xiàn)高精度的時鐘同步。對于TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時”，而是“最差狀態(tài)下的延時”—這如同“木桶理論”，系統(tǒng)的能力取決于最短的那塊板，即，對于確定性網(wǎng)絡而言，最差的延時才是系統(tǒng)的延時定義。

IEEE1588 協(xié)議，又稱 PTP（ precise time protocol，精確時間協(xié)議），可以達到亞微秒級別時間同步精度，于 2002 年發(fā)布 version 1，2008 年發(fā)布 version 2。它的主要原理是通過一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時鐘進行校正同步，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達到精確同步，IEEE?1588PTP時鐘同步技術也可以應用于任何組播網(wǎng)絡中。

IEEE1588 協(xié)議的同步原理，所提出的Delay Request-Response Mechanism（延時響應機制）如上圖，IEEE1588 把所涉及到的報文分為 事件報文 和 通用報文，分類依據(jù)是：是否在收發(fā)報文時需要記錄精確時間戳，根據(jù)上文中所描述的幾種報文，可以進行如下分類：

事件報文（event message） ： sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用報文(general message) ：Announce/Follow_up/Delay_resp /Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Siganling。Pdelay_Req /Pdelay_Resp/ Pdelay_Resp_Follow_Up通過peer延遲機制測量兩個時鐘端口之間的鏈接延時，鏈接延時被用來更正Sync和Follow_Up報文中的時間信息。

IEEE802.1AS-Rev是為以太網(wǎng)第二層所定義的1588規(guī)范加以擴展，它的擴展包括了所有域常用peer延遲服務，支持精細時間測量FTM，對鏈路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范圍-包括1步時間戳標準化處理以及針對長鏈、環(huán)的支持，更好的響應能力，這包括了更快的主站交互、降低BMCA收斂時間。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息傳輸以及冗余支持能力（可配置冗余路徑和冗余主站）。對無線網(wǎng)絡采用時間測量提供更好的支持。IEEE802.1AS-Rev的制定得到了AVNU聯(lián)盟的大力支持。

AVNU聯(lián)盟由英特爾、思科和三星哈曼發(fā)起，是EAVB協(xié)議的主要提供者，AVNU聯(lián)盟為IEEE802.1AS-Rev的實施提供協(xié)助，能夠提供完整的協(xié)議棧和測試認證，國內(nèi)加入AVNU的有恒潤科技、中國信通院、德賽西威、赫千科技、東信創(chuàng)智、懌星科技。

同時在新出的自適應Autosar也對IEEE802.1AS-Rev做了特別支持。也就是說你要用TSN，恐怕是離不開自適應Autosar的。

02

低延遲

汽車控制數(shù)據(jù)可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。

ScheduledTraffic如底盤控制數(shù)據(jù)，沒有任何的妥協(xié)余地，必須按照嚴格的時間要求送達，有些是只需要盡力而為的如娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以靈活掌握。汽車行業(yè)一般要求底盤系統(tǒng)延遲不超過5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，這也是車載以太網(wǎng)與通用以太網(wǎng)最大不同之處，要求低延遲。

在TSN標準里，數(shù)據(jù)則被分為4級，最高的預計延遲時間僅為100微秒。

低延遲的核心標準是IEEE802.1Qbv時間感知隊列。

通過時間感知整形器(Time Aware Shaper，TAS)使TSN交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文在預定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊列將被鎖定在規(guī)定時間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，可知的。而在TSN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)報文延時被得到保障。

TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關”兩個狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡時間進度表network schedule進行定義。對沒有進入network schedule的隊列流量關閉，這樣就能保障那些對傳輸時間要求嚴格的隊列的帶寬和延遲時間。TAS保障時間要求嚴苛的隊列免受其它網(wǎng)絡信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當優(yōu)先級非常高時，搶占機制可以被使用。

在網(wǎng)絡進行配置時隊列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對于Schedule Traffic而言則直接按照原定的時間規(guī)劃通過，其它則按優(yōu)先級，Best-effort Traffic通常排在最后。Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換。

對于特別重要的數(shù)據(jù)，TSN規(guī)定了一個搶占機制，它由802.1Qbu/802.3br共同構(gòu)成。對于IEEE802.1Qbu的搶占而言，正在進行的傳輸可以被中斷，報文按等級可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。IEEE802.1br定義了，設計了快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道，可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。IEEE802.3br也同樣可以與IEEE802.1Qbv配合進行增強型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

03

高可靠性

TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標準。這也是無人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個系統(tǒng)達到功能安全的最高等級ASIL D級。同樣，與自適應AUTOSAR的捆綁程度也比較高。

眾所周知，L4級無人駕駛需要一個冗余處理器，但是主處理系統(tǒng)和冗余處理系統(tǒng)之間的通訊機制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統(tǒng)間的冗余，芯片之間的冗余還是多采用PCIE交換機的多主機fail-operational機制，兩者有相似之處。

對于非常重要的數(shù)據(jù)，802.1CB會多發(fā)送一個數(shù)據(jù)備份，這個備份會沿著最遠離主數(shù)據(jù)路徑交集的路徑傳輸。如果兩個數(shù)據(jù)都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接受到一幀數(shù)據(jù)，那么就進入后備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經(jīng)定義了PRP和HSR兩種冗余，這種屬于全局冗余，成本較高，802.1CB只針對關鍵幀做冗余，降低了成本。802.1CB標準的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以縮寫為FRER。

FRER不僅能提供雙失效冗余，也可以提供多失效冗余。

802.1CB也有簡單的失效原因分析機制

04

網(wǎng)絡資源管理和802.1Qci

TSN的網(wǎng)絡資源管理主要標準是802.1Qcc。這個與車載以太網(wǎng)沒有關聯(lián)，主要用在專業(yè)音視頻網(wǎng)絡領域。802.1Qcc用于實現(xiàn)對網(wǎng)絡參數(shù)的動態(tài)配置，以滿足設備節(jié)點和數(shù)據(jù)需求的各種變化；

802.1Qci保證無人車網(wǎng)絡安全的入口管理

802.1Qci主要為防止網(wǎng)絡攻擊和流量過載設計，又稱之為Ingress Policing，它對每個流量都進行過濾和管理，簡稱PSFR，數(shù)據(jù)流濾波器包括數(shù)據(jù)ID、優(yōu)先權(quán)、濾波值、Meter(計量)ID、計數(shù)器。流程圖如下

802.1Qci專門對付DDoS這樣的網(wǎng)絡攻擊，假如一個數(shù)據(jù)流流量突然增大，有可能擠壓另一個數(shù)據(jù)流的帶寬時，入口管理政策會將數(shù)據(jù)流整形，強制回到數(shù)據(jù)流爆發(fā)前的狀態(tài)。

此外，802.1Qci還可以對付ARP欺騙攻擊，ARP（Address Resolution Protocol），是根據(jù)IP地址獲取物理地址的一個TCP/IP協(xié)議。主機發(fā)送信息時將包含目標IP地址的ARP請求廣播到網(wǎng)絡上的所有主機，并接收返回消息，以此確定目標的物理地址；收到返回消息后將該IP地址和物理地址存入本機ARP緩存中并保留一定時間，下次請求時直接查詢ARP緩存以節(jié)約資源。地址解析協(xié)議是建立在網(wǎng)絡中各個主機互相信任的基礎上的，網(wǎng)絡上的主機可以自主發(fā)送ARP應答消息，其他主機收到應答報文時不會檢測該報文的真實性就會將其記入本機ARP緩存；由此攻擊者就可以向某一主機發(fā)送偽ARP應答報文，使其發(fā)送的信息無法到達預期的主機或到達錯誤的主機，這就構(gòu)成了一個ARP欺騙。802.1Qci可以識別這種欺騙，并阻止錯誤信息的發(fā)送。

05

車載TSN的具體應用

TSN并未全部完成，由于芯片的開發(fā)周期通常都要3-4年，目前只要支持TSN標準中最核心的Q802.1AS即可算支持TSN標準。

目前主要有三款車載TSN交換機芯片，一片是Marvell的88Q5050，用在英偉達自動駕駛旗艦Pegasus上，另一片是NXP的SJA1105TEL。88Q5050支持802.1Qav/Qbv，802.1AS。SJA1105TEL還支持802.1Qci。還有博通的BCM53162，和SJA1105TEL一樣，除了支持持802.1Qav/Qbv，802.1AS，還支持802.1Qci 。支持TSN全部關鍵協(xié)議的芯片預計要等到2022年。

英偉達旗艦自動駕駛平臺Pegasus

上圖為88Q5050的內(nèi)部框架圖，88Q5050擁有4個固定端口，4個可設置端口，最高支持千兆以太網(wǎng)，尺寸14mm*20mm。

上圖為 SJA1105TEL的內(nèi)部框架圖，只支持5口，價格最低，功耗最低，尺寸最小，只有12mm*12mm。用在自動駕駛領域可能不夠，需要使用多片SJA1105TEL。NXP針對無人駕駛推出的開發(fā)平臺BlueBox就用了3片。

上圖為NXP BlueBox內(nèi)部框架圖

博通的BCM53162支持的帶寬最高，最高可達萬比特以太網(wǎng)10GbE。

上圖為BCM53162內(nèi)部框架圖，接口最豐富。不過BCM53162的功耗也最高，價格也最高，尺寸也最大，為19mm*19mm，最高運行工作溫度上限為85度，NXP和Marvell的都可以達105度。