快速了解时间敏感网络(TSN)_Part1

今天我们就来聊一聊时间敏感网络（TSN），让大家快速了解这一技术。话不多说，大家坐稳扶好，我们这就开始啦~

TSN是什么？它能给我们提供什么？

        TSN的全称是Time Sensitive Network即：时间敏感网络（TSN）。大家通过这个名字就大致可以看出其和网络上的时间，更准确的说是传输的延时有关。的确，服务时间敏感应用及系统，保证数据在准确的时间内以最小的时间抖动进行传输，是TSN的重要目的之一。

        随着EE架构的升级，未来架构会向着Domain和Zonal型架构发展，除了影音娱乐域之外，以太网也会被应用到诸如车身域，底盘域，ADAS以及主干网上。更为复杂的应用场景，更多的数据类型将给我们的车载网络提出了更高的要求。

图1 Zonal架构举例

        以图1的Zonal架构示意为例，系统在处理传感器数据，发布控制指令等过程中，对于网络提出了很多需求，诸如：

•  低延迟需求：

系统中涉及的一些安全相关类数据，有低延迟和高确定性的需求。

•  高鲁棒性需求：

安全相关类数据对于丢帧或者误传的容忍度很低。系统中对此类数据，通过复制发送和多通路发送来实现冗余处理，以提高系统的安全等级。

•  时间同步需求：

流媒体的同步播放，传感器的数据融合，精准控制指令的发布都需要车内节点的时钟同步来保证。

•  监控及安全需求：

TBOX的外来数据监控过滤，及车内关键节点数据监控过滤。

表1车载通信数据分类

        同时，根据IEEE 的数据，未来车载数据可大致按照表1分类。我们在表中除了可以发现图1提出的需求之外，还可以看到安全相关类数据的延迟需求为小于1ms，而第一代时间敏感网络AVB无法满足这样的延迟需求（目前AVB仅能实现2ms的延时保证，而且AVB并不关注数据的确定性）。

        因此为了满足日益增加的网络需求，TSN协议提供了对应的解决办法：

•  高等级的时钟同步 （Time-Sync）

•  更低的端对端延迟及确定性（Quality of Service）

•  高容错性及高系统鲁棒性（Redundancy）

•  安全机制（Security）

        图2列举了不同功能下的各个TSN协议。其中，绿色勾选出来的协议是目前在车载方向应用意义较大的协议。我们会在后面的文章中详细地介绍各个协议的机制。

图2 车载TSN协议族

        以上用一句话总结：TSN是以太网在车载领域获得更广泛应用的关键。

车载TSN的应用情况

        TSN本身的技术成熟度不低，虽然TSN协议在车载领域是一个新的技术，但在工业自动化领域中TSN已经被广泛的应用。目前欧洲的一些大型OEM已经开始应用TSN技术，其中以自动驾驶和辅助驾驶及域间通信等功能为主。预计2022-2023年，将会有整车应用TSN的车型量产。

        芯片厂商目前也对TSN协议族有着良好的支持情况，特别是今明两年量产的下一代产品，例如NXP的SJA1110和Marvell的88Q6113等，都将普遍支持TSN协议。

TSN协议介绍

        通过上面的介绍，我们已经对TSN是什么有了一个初步的认识。下面我们更进一步，通过协议的机制介绍来了解一下TSN是如何运作的。

        总体来看，TSN协议族主体是一个二层的协议，属于IEEE 802.1 协议体系（这里除了帧抢占的部分协议802.3bu以外）。因此其Payload形式可以更加灵活，不仅仅局限于IP数据帧，还可传输自定义的数据帧。同时其机制大部分通过硬件来实现，处理的延迟基本可以忽略不计。

IEEE 802.1AS-Rev 时钟同步机制

        时钟同步机制通过节点间同步报文的发送，链路延迟的计算，时滞延迟的叠加最终实现各个节点与主时钟（Grandmaster）的时钟同步。主时钟会通过报文将自己的原始基准时间（now）告知系统中的其它节点。从主时钟发布时间基准到被其他节点收到，会经历一段时间（t）。以图3为例，主时钟与左下角的终端节点进行同步，主时钟从发布基准时间到被终端节点收到所经历的时间t包含：2段链路延迟（d1, d2）以及一个switch的时滞延迟（r1）。当终端节点收到基准时间的时候其实已经是T=now+d1+d2+r1，那么只要终端节点能够清晰的知道d1, d2和r1（通过同步报文交互实现的，这里就不做详细介绍了，大家有兴趣可以阅读IEEE 802.1AS相关章节）并在收到时间基准的时候把自己的时钟设置成T，就完成了与主时钟的同步。同理，其余被同步节点的时钟计算也是一样的，只是同步链路上的时间t会有所不同。

图3 时钟同步应用示意

        整个同步的过程基本沿用了IEEE 802.1AS中的机制。但是IEEE 802.1AS-Rev 在原有的同步机制上扩充了冗余机制。以图4为例冗余包括：

•  主时钟冗余：

        现行主时钟（左上角）和热备份主时钟（右下角）实时同步，实时运行。一旦主时钟发生问题，控制器可切换到与备份主时钟同步。

•  时钟通路冗余：

        每个主时钟维护两条时钟通路（深浅颜色区分），一条发生故障后，可切换至另一条通路。

        因此图4中的同步网络总共维护了4个时钟域，相比IEEE 802.1AS车载中中仅维护一个时钟域的设计，Rev极大的提高了系统的可靠性。

        除此之外，相较IEEE802.1AS，Rev还引入了1588中的one-step的同步机制。相较two-step的机制在一定程度上较小了软件的压力。但目前来看，车载中的必要性不是很强，Rev也可继续沿用two-step的同步机制。

图4 IEEE 802.1AS –Rev 冗余时钟机制 (图片来自IEEE 802.1AS-Rev)

        进度条已然撑不住了，关于TSN的介绍今天就先告一段落吧，希望今天的内容能对大家有所帮助。下一期我们将会介绍上面提到的其余TSN协议。欲知TSN如何降低延迟，如何完成冗余处理，我们下回分解~