背景

随着用户需求的增加和ADAS（automatic data acquisition systems）的普及，更多的应用涌现出来，这就要求车载网络具有更高的带宽和更低的部署成本，并提供具有实时性、确定性的数据传输服务。近年来，已经受到广泛关注的车载以太网可以提供高带宽和低成本的网络服务，但却无法保证数据传输的确定性和实时性。表1比较了不同通信技术在确定性传输与实时性传输上的处理。可以看出，只使用DDS等协议无法获得可靠传输，无法避免丢包发生。一旦发生丢包，只能重传，重传后时延无法保证。时延完全依赖QOS配置，多应用多类型通信发生时，无法保证可靠时延。为了使车载以太网能够提供低延迟和确定性的传输服务，将时间敏感网络技术（TSN，time sensitive networking）引入了车载通信。

发展历史

TSN（time sensitive networking）最初来源于音视频领域的应用需求，当时该技术被称为AVB（audio/video bridge），主要包括802.1 AS、802.1 Qat、802.1 Qav协议。2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改为现在的：TSN任务组。随着更多对时间敏感应用的出现，AVB标准的使用不仅用于A / V（audio/video）传输，还包括工业自动化、自动驾驶、移动网络的前传等方面。因此， 802.1 工作组将AVB重命名为TSN，以更好地反映扩大了范围的协议集并发布了更多规范（主要车载网络协议如表2所示），以提高以太网的实时能力和可靠性。

内容与意义

TSN是以以太网为基础的新一代网络标准，具有时间同步、延时保证、带宽保证、冗余传输等功能，可以为车载网络应用提供低延时、确定性的信息传输，本质上是一个确定性以太网扩展集，被视为最有前景的智能驾驶通信网络技术，具有以下三个功能：首先，TSN支持对时间敏感应用（如雷达感应信息）的实时传输；其次，TSN为关键应用（如汽车制动和方向控制）提供确定性的信息传输；第三，TSN可以使得传统尽力而为流量与这些关键、时间敏感流量并存。

TSN协议实现在第二层，如图1所示，包括固件和软件实现。TSN协议可分布在终端和交换机上，如图2所示，其核心是通过对目标数据流进行资源预留和调度，实现传输的低时延和可靠性。

图1  TSN协议实现

主要的TSN协议介绍如下。

同步协议：TSN的同步功能主要在IEEE 802.1 AS相关标准中定义，该同步是在IEEE 1588 PTP标准上进一步制定的。在此协议中，将选择或指定一个最佳主时钟，通过在相邻通信节点（其中一个节点的端口充当主端口，另一个节点的端口充当从属端口）之间进行逐步同步来实现整个TSN网络的时间同步。具体的同步过程可分为两个阶段，一个阶段是主节点周期性的发送sync和Follow_up命令，从端口使用两个周期内接收到的消息来计算与主时钟的频率比，以此修正本地时钟的频率（），并根据Follow_up包含的信息计算累积的驻留时延（信息在交换机收发端口间产生的时延）；另一个阶段是从端口发送延迟请求Pdelay_Req，而主端口将通过两个信令消息Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up对其进行响应，以发送其收到Pdelay_Req的时间和Pdelay_Resp的发送时间，从端口可以根据信息的发送接收时间计算路径延迟（Ttrans =(t4 - t1) - (t3 -t2)/2），如图3所示。两个阶段没有先后之分。随后，从端口可以将其时间调整为主时钟时间，即同步。

带宽预留与分配：TSN通过为关键流量保留了必要的带宽，以确保其确定性、低时延地传输。在IEEE Std 802.1Qat中，预留的带宽量是根据流量的优先级以及其带宽需求计算的。通过在其端到端传输路径上保留一定的带宽来保证传输延迟。IEEE Std 802.1Qca标准使用IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)协议扩展了最短路径桥接协议的功能，从而共享交换机间的多个学习的拓扑、迅速学习以太网连接中各端点之间的最短路径，以控制桥接网络。另外，协议还定义了PCE (Path Computation Element)实体，用于根据网络拓扑的表示计算出显式的信息传输路径，从而确保信息传输时延。

调度与转发协议：TSN的主体协议在于层2的调度协议，以保证时间敏感的业务流可以实时地、确定地传输到接收端。相关协议主要有IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qch、IEEE 802.1Qbu。802.1Qav给出了一种时间敏感流的转发和排队（forwarding and queuing of time sensitive streams，FQTSS）方法，在这种方法中，不同业务的传输时间由其信用值决定。当帧的信用值不为负时，可以发送该帧，否则不允许发送。信用额度取决于为此流预留的带宽。此调度仅针对时间敏感的数据流，非时间敏感流的调度则可以通过严格优先级方案进行。802.1Qbv将不同优先级的数据流对应不同的队列，每个队列对应一个门，如图4所示。通过打开或关闭队列的门来控制门的开关时间，从而控制不同优先级的流的传输时间。802.1Qch定义了循环排队和转发，在出口端口使用两个队列，并且在任何时候都只有一个队列正在传输。启用一个队列后，这段时间内所有接收到的消息都会放入另一个队列。802.1Qbu在802.3br的配合下，将不同业务的帧分为可被抢占的帧和不可以被抢占的帧（时间敏感流的帧），后者可以打断前者的传输，从而保障其实时性。以上调度均在时间同步条件下进行。目前正在制定的标准IEEE Std P802.1Qcr，提供了一种异步流量整形的方法，即网桥和端点无需及时同步。因此，即使在具有混合流量负载（即周期性流量和突发流量）的高链路利用率下工作时，也可以有效地利用带宽。

稳健性和确定性协议： IEEE Std 802.1Qci-2017对网桥的转发过程进行了增强，支持按流进行过滤和监管。协议定义了三个表，1）流过滤器实例表，2）门实例表和3）流量计实例表。流首先通过流过滤器然后通过门之后到达流量计。流过滤器实例表用于特定流的帧的过滤操作。流门具有唯一的标识符，确定是否允许帧通过门，流量计测试流量，从而进行流量抑制和流量阻止来提供服务质量保护。对于汽车应用，802.1Qci可用于汽车驾驶的入口管理，从而为TSN应用提供安全性。IEEE Std 802.1CB标准为关键流量的可靠性传输设计了帧复制和消除（frame replication and elimination for reliability，FRER）算法，如图5所示。源终端站或网络中继系统可以对传输包进行复制，相同的包在不同路径上进行传输，到达目的节点后将冗余的包删除。通过多路传输，提高成功收包的概率。


配置管理协议：以上协议均需要在获取关键参数后才能顺利执行，例如对不同业务进行调度时的时间、带宽分配、流过滤表等。IEEE 802.1Qcc提供了网络配置的三种模型来满足确定性传输需求，即完全分布式、集中式+分布式和完全集中式，前两种模型是讨论的重点，如图6所示。在完全分布式的配置模型中，使用沿流的活动拓扑来传播TSN用户/网络配置信息。随着用户需求在每个网桥中传播，网桥根据用户需求对自身的资源进行管理。但该管理限于网桥已知的信息，而不是整个网络的信息。对于集中式网络/分布式配置，它通过集中式网络配置（centralized network configuration，CNC）组件进行网络配置。CNC可以执行一些复杂的计算，且可以收集整个网络的全局信息，因此，可以基于全局调度提高某些TSN标准的性能。