【導讀】跨(kua)橋(qiao)接(jie)網(wang)絡(luo)實(shi)現(xian)麵(mian)向(xiang)數(shu)據(ju)分(fen)組(zu)的(de)通(tong)信(xin)已(yi)成(cheng)為(wei)一(yi)項(xiang)全(quan)球(qiu)標(biao)準(zhun)。如(ru)今(jin)，它(ta)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)規(gui)模(mo)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)各(ge)異(yi)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，例(li)如(ru)服(fu)務(wu)器(qi)和(he)飛(fei)機(ji)、小型遙控設備、遠程傳感器以及許多物聯網（IoT）應用。

由於以太網與物理層分離，所以可通過不同的物理介質對以太網幀或IP數據包進行透明傳輸。因此，通過不同網絡類型進行連接的設備彼此之間可以無縫通信。例如
，使用蜂窩連接的手機和使用INICnet™（ISO21806）網絡的車載控製單元（通過汽車遠程信息處理單元或網關）進行通信。IP數據包可從發送方路由到接收方。

如此看來暫且還好，但是在傳輸時間、延遲時間、抖dou動dong和he丟diu包bao方fang麵mian，情qing況kuang如ru何he呢ne？遺yi憾han的de是shi，原yuan始shi以yi太tai網wang存cun在zai不bu確que定ding性xing
，也ye就jiu是shi說shuo
，它ta無wu法fa控kong製zhi允yun許xu設she備bei發fa送song數shu據ju的de時shi間jian和he數shu據ju量liang，也ye無wu法fa控kong製zhi數shu據ju包bao的de傳chuan輸shu路lu徑jing。兩liang個ge設she備bei之zhi間jian的de傳chuan輸shu時shi間jian總zong是shi變bian化hua
，並bing且qie在zai網wang絡luo擁yong塞sai時shi可ke能neng會hui發fa生sheng丟diu包bao情qing況kuang。對dui於yu必bi須xu確que保bao低di延yan遲chi和he信xin息xi傳chuan遞di的de關guan鍵jian型xing應ying用yong
，這zhe樣yang的de特te性xing是shi不bu匹pi配pei的de。

zhuanyoudezongxianhewangluojishujuyoudiyanchihequedingxing，danzhinengchengweiyizhongyouxiandejiejuefangan。suoyoushichangdouquxiangyubuyilairenhetedingzhizaoshangdebiaozhunhuakaifangjishu。ciwai
，biaozhunjishujibuxuyaoteshudezhuanyezhishi
，yewuxufuzaqieangguidewangguan。

因此，業界社區多年來一直在研究以太網的弱點。隨著時間的推移，市場上出現了各種用來改善以太網實時特性的解決方案，其中包括AVB/TSN。

IEEE工作組於2008年開始製定音視頻橋接（AVB）技術。當時的目標是為了改善通過以太網進行時間關鍵型音頻和視頻數據傳輸的特性。術語AVB不僅包含IEEE 802.1BA標準，還包含以下標準：

IEEE 802.1AS：時間同步

IEEE 802.1Qav：調節交換機中幀的傳輸和中間緩衝

IEEE 802.1Qat：音頻流和視頻流的動態帶寬分配

IEEE 1722：傳輸協議

IEEE 1722.1：支持AVB的網絡和設備的動態配置

該標準於2011年完成定稿並發布
，最初用於各種多媒體應用，後來用於工業領域
，專門用來傳輸時間關鍵型命令或傳感器數據。隨著AVB技術在非多媒體領域的應用逐漸引起更多關注，IEEE成立了一個名為“時間敏感網絡”（TSN）的新工作組。TSN工作組采用了AVB工作組的標準

，並在專業音頻視頻
、工業、汽車和航空航天等領域解決了更廣泛的應用問題。

在汽車領域，至今仍在沿用最初的AVB標準，但在某些情況下已開始使用TSN工作組的修訂版。本文主要討論AVB標準，此標準可視為等同於TSN標準。

圖1：AVB係統通常可實現這些要素的不同子集

使用gPTP進行時間同步

通用精密時間協議（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的係統的共同基礎。其用途類似於計算機領域中廣為人知的網絡時間協議（NTP）。NTPquebaojisuanjishizhongzaibendiwangluozhongyucankaoshijiantongbu
，zaizuijiayingyongtiaojianxiakedadaohaomiaojijingdu。gaijingdukeyiwanquanmanzujisuanjihefuwuqidexuqiu
，danduiyutongbuhuoshijianguanjianxingyingyonglaishuozetaibujingque。

圖2：gPTP基準與gPTP客戶端之間的交互

gPTP可確保以太網設備中具有更加精確的時基，通常可達微秒級甚至納秒級。實質上，gPTP包括兩種機製：基準時間分發和傳輸時間計算。

時間從一個或多個時間基準節點（根據IEEE標準為“gPTP主機”）分發到一個或多個客戶端（根據IEEE標準為“gPTP從機”）。類似於IEEE 1588的兩步過程
，gPTP總是連續發送兩個幀：“Sync”和“Sync Follow-Up”。客戶端使用其中包含的時間戳將其本地時鍾重置為基準時間，從而確保網絡中的所有設備都使用完全相同的時基。

danshi，zhiyoujiangzhenggewangluosuoxudechuanshushijianyekaolvzainei，cainengquebaohenzhunquedeshiji。yaoshixianzheyidian
，yingzaizhijiexianglindejiedianzhijianshizhongchengduizhixingduidengyanchiceliang。zheyang
，meigejiediansuocechuanshushijiandezonghehuichanshengduidengyanchizhi，jierkegenjugaizhixiaozhenggPTP時間。

傳輸協議

IEEE 1722－AVTP

音視頻傳輸協議是通過以太網AVB技術傳輸音頻/視頻數據以及時間關鍵型數據的標準傳輸協議。它是一種用於通過MAC地址訪問設備的輕量級ISO/OSI Layer2協議。因此

，這種方式無需集成全部的IP協議棧

，有助於最大限度地減小項目和設計的規模、成本和複雜性。

IEEE 1733－RTP/RTCP

RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均為基於IP的de網wang絡luo協xie議yi
，適shi用yong於yu通tong過guo以yi太tai網wang傳chuan輸shu音yin頻pin和he視shi頻pin數shu據ju。這zhe些xie協xie議yi多duo年nian來lai已yi廣guang泛fan用yong於yu各ge種zhong工gong業ye級ji和he消xiao費fei類lei設she備bei，包bao括kuo視shi頻pin監jian控kong攝she像xiang頭tou和he對dui講jiang設she備bei。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本
，適用於通過AVB進行同步傳輸
，因此可作為基於IP的解決方案替代IEEE 1722。

流量整形

以太網網絡通常由大量端點（計算機和電子設備）和網橋（交換機和網關等）組成。無論選擇哪種傳輸協議，數據都會封裝成以太網幀，然後從發送方通過多個網橋（躍點）路由到接收方。幀的傳輸方式和傳輸時間存在不確定性。傳輸路徑上的網橋將以較快或較慢的速度進行幀轉發（存儲轉發和直通轉發）。在網絡擁塞的情況下，這些幀有時需要緩衝一段時間，在最糟情況下甚至可能會丟失。

工業和汽車係統應具有較低的確定性延遲，並且最重要的一點，必須確保無丟幀風險的可靠傳輸。流量整形（“IEEE 802.1Q－服務質量”部分）可解決此需求。流量整形定義了網橋根據幀的優先級對幀進行處理的策略。流量整形有幾種標準
，例如：

●    IEEE 802.1Qav：時間敏感流的轉發和排隊增強功能（FQTSS），有時稱為“基於信用值的整形器”（CBS）。

●    IEEE 802.1Qbv：調度流量的增強功能，通常稱為“時間感知整形器”（TAS）

●    IEEE 802.1Qch：循環排隊和轉發

●    IEEE 802.1Qcr：異步流量整形

汽車行業主要使用CBS和TAS。

CBS－基於信用值的整形器（802.1Qav）

使shi用yong基ji於yu信xin用yong值zhi的de整zheng形xing器qi時shi，每mei個ge以yi太tai網wang設she備bei都dou會hui獲huo得de一yi個ge用yong於yu發fa送song幀zhen的de信xin用yong值zhi。隻zhi要yao信xin用yong值zhi仍reng為wei正zheng數shu
，設she備bei就jiu可ke以yi繼ji續xu發fa送song幀zhen。當dang信xin用yong值zhi用yong完wan後hou
，設she備bei將jiang無wu法fa再zai發fa送song幀zhen。必bi須xu等deng到dao補bu充chong信xin用yong值zhi後hou才cai能neng再zai次ci開kai始shi發fa送song。

該(gai)策(ce)略(lve)可(ke)確(que)保(bao)帶(dai)寬(kuan)的(de)有(you)效(xiao)利(li)用(yong)。其(qi)中(zhong)沒(mei)有(you)預(yu)定(ding)義(yi)的(de)時(shi)隙(xi)。如(ru)果(guo)端(duan)點(dian)需(xu)要(yao)間(jian)歇(xie)性(xing)地(di)發(fa)送(song)數(shu)據(ju)，則(ze)可(ke)以(yi)累(lei)積(ji)其(qi)信(xin)用(yong)值(zhi)，然(ran)後(hou)一(yi)次(ci)全(quan)部(bu)用(yong)完(wan)。使(shi)用(yong)CBS配置AVB網絡比較簡單。

TAS－時間感知整形器（802.1Qbv）

與Qav不同
，IEEE 802.1Qbv策(ce)略(lve)依(yi)賴(lai)於(yu)時(shi)隙(xi)模(mo)型(xing)。該(gai)策(ce)略(lve)並(bing)非(fei)基(ji)於(yu)要(yao)發(fa)送(song)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)
，而(er)是(shi)側(ce)重(zhong)於(yu)傳(chuan)輸(shu)的(de)頻(pin)率(lv)。節(jie)點(dian)不(bu)能(neng)再(zai)進(jin)行(xing)任(ren)意(yi)時(shi)長(chang)的(de)發(fa)送(song)，但(dan)允(yun)許(xu)進(jin)行(xing)很(hen)規(gui)律(lv)地(di)傳(chuan)輸(shu)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)更(geng)低(di)且(qie)更(geng)具(ju)確(que)定(ding)性(xing)的(de)延(yan)遲(chi)。

而Qbv的(de)缺(que)點(dian)是(shi)，無(wu)法(fa)確(que)保(bao)網(wang)絡(luo)帶(dai)寬(kuan)始(shi)終(zhong)得(de)到(dao)有(you)效(xiao)利(li)用(yong)。如(ru)果(guo)端(duan)點(dian)不(bu)使(shi)用(yong)其(qi)時(shi)隙(xi)，將(jiang)會(hui)丟(diu)失(shi)這(zhe)些(xie)時(shi)隙(xi)以(yi)及(ji)帶(dai)寬(kuan)。但(dan)這(zhe)種(zhong)影(ying)響(xiang)可(ke)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)幀(zhen)搶(qiang)占(zhan)模(mo)式(shi)進(jin)行(xing)抵(di)銷(xiao)（IEEE 802.1Qbu）。

與AVNU的互操作性

係統架構師可以通過各種可用的組件來實現AVB。可以根據係統要求實現不同的AVB子集。雖然這有助於最大限度地減少硬件組件（僅實現實際所需的組件），但也可能會導致一些互操作性問題，因為不同供應商提供的設備不一定支持完全相同的AVB功能。而且，工程師有時會以不同的方式來解釋IEEE標準，從而使情況變得更加複雜。

為了確保供應商之間實現互操作性，AVNU聯盟為汽車領域製定了“以太網AVB功能和互操作性規範”，其中定義了每個設備中應實現的AVB子集和相關參數的基準。對於支持AVB的設備，可以經由外部測試機構或使用內部專用測試設備測試其AVNU兼容性。

實際實現

圖3：典型的以太網AVB評估係統

在實際應用中，支持AVB的網絡包括多個組件：交換機、PHY和端點。所有交換機和端點都必須支持AVB才能實現所需的性能。

得益於IEEE標準、AVNU和OpenAlliance（注：檢查R/TM標記）規範，不同供應商提供的組件（如PHY和交換機）如今可實現高水平的互操作性。

但是，在端點中實現AVB仍然是一項複雜而繁瑣的任務。這些係統通常基於SoC或高端單片機而開發，其中需要集成許多軟件：實時操作係統、Autosar架構以及AVB協議棧

，這些軟件通常需要從第三方獲得相應的授權。AVB端點（比如Microchip的LAN9360）是一個令人關注的替代方案。這些端點由一種集成AVB協議的智能以太網控製器組成。因此，AVB可以直接部署為基於硬件的解決方案
，而無需進行軟件開發。

結論

自IEEE的AVB工作組成立以來

，AVB/TSN技術現在已達到很高的成熟度水平。“AVB汽車”已經上路，越來越多的原始設備製造商開始參與其中。得益於其開放式的標準化技術，許多具有互操作性的硬件和軟件已作為優化的COTS產品供人們使用。在過去，“全以太網汽車”願景曾備受質疑
，而如今它不再是遙不可及的空想。

來源：Microchip

作者：Francis Ielsch
，AIS產品營銷經理

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