车载以太网—TSN篇

TSN技术是时间敏感网络（Time-Sensitive Network）的英文缩写，是IEEE 802.1 TSN工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称。TSN技术最初来源于音视频领域的应用需求，其目的是解决音频视频网络中数据实时同步传输的问题。后来，随着工业4.0概念的提出和车联网时代的到来，工业和汽车对实时以太网技术的需求迅速增长，TSN技术得到了进一步发展和应用，并成为传统以太网在汽车等特定应用环境下的增强功能实现。

TSN关键组件

由IEEE 802.1制定的TSN标准文档可以分为三个基本关键组件。每个标准规范都可以单独使用，并且主要是自给自足的。但是，只有在每个规范协同使用的情况下，TSN作为通信系统才能充分发挥其潜力。三个基本组成部分是：时间同步，调度和流量整形，通信路径的选择、预留和容错。

时间同步在这方面，“时间敏感网络”这个名称已经非常具有描述性。端到端（End-to-End）的传输延迟具有难以协商的时间界限，因此网络中的所有设备都需要共同的时间参考，需要彼此同步时钟。

TSN网络中的时间同步可以通过不同的技术实现。从理论上讲，可以为每个终端设备和网络交换机配备GPS时钟。然而，这种方法不仅昂贵，而且无法保证GPS时钟始终接入卫星信号。由于这些限制，TSN网络中的时间通常从一个中央时间源直接通过网络本身分配，也就是使用IEEE 1588精确时间协议完成。除了普遍适用的IEEE 1588规范之外，IEEE802.1委员会已经指定了一个IEEE1588的概要文件，称为IEEE802.1AS。此配置文件背后的想法是将大量不同的IEEE 1588选项缩小到可管理的几个关键选项，这些选项适用于汽车或工业自动化环境中得网络。常用的时钟同步协议包括IEEE 1588 Precision Time Protocol（PTP）和Synchronous Ethernet（SyncE）等。

调度和流量整形由于端口转发机制的限制，在标准的以太网中，实时性是难以保证的。调度和流量整形允许在同一网络上共存不同优先级的流量类别，每个类别对可用带宽和端到端延迟都有不同的要求。因此，所有参与实时通信的设备在处理和转发通信包时需遵循相同的规则。

通信路径的选择，预留和容错，所有参与实时通信的设备在选择通信路径、预留带宽和时隙方面遵循相同的规则，可以利用多条路径来实现故障排除，支持保护诸如安全相关的控制回路或车辆中的自动驾驶之类的安全应用，以防止硬件或网络中的故障。

TSN应用领域

TSN Profiles即TSN标准协议的使用规范，描述如何在特定应用下搭建TSN网络，并提供配置指导。主要包括以下几个领域：

图源：智芯SEMI

其中协议名称前的P表明该协议规范还在进行中。

TSN主要标准介绍

IEE 802.1AS-rev

确保连接在网络中各个设备节点的时钟同步，并达到微秒级甚至纳秒级的精度误差。

IEEE 802.1Qat

解决网络中音视频实时流量与普通异步数据流量之间的竞争问题。通过协商机制，在音视频流从源设备到不同交换机再到终端设备的整个路径上预留出所需的带宽资源，以提供端到端（End-to-End）的服务质量及延迟保障。

IEEE 802.1Qav

确保传统的异步以太网数据流量不会干扰到AVB的实时音视频流。为了避免普通数据流量与AVB流量之间对网络资源的竞争，AVB交换机内对时间敏感的音视频流和普通数据流进行了区别处理，将实时帧与异步帧分别进行排队，并且赋予实时帧最高的优先级。

IEEE 802.1Qbv

通过Time Aware Shaper为优先级较高的时间敏感型关键数据分配特定的时间槽，并且在规定的时间节点，网络中所有节点都必须优先确保重要数据帧的通过。

IEEE 802.1Qbu

可以中断标准以太网或巨型帧的传输，以允许高优先级帧的传输，同时不丢弃之前传输被中断的消息。

有关汽车工业的除P802.1DG外，都已公开。不过这并不妨碍TSN在汽车领域的应用。只要有TSN的核心组件即可投入使用，TSN有4个核心组件，分别是时间同步、低延迟、超高可靠性和特定资源管理。

TSN是由一系列相互独立的标准组成的，就像一个工具箱，需要网络设计者根据自身需求和协议特点灵活选择。

各标准既有独立性，又彼此关联，只有对各协议的基本原理深入理解，才可以最大限度地挖掘其功能和性能潜力。