TSN-AVB-1733 之演示和验证系统的快速构建

1、干货预警！如何构建 IEEE1733 协议的演示和验证系统？干货预警！如何构建 IEEE1733 协议的演示和验证系统？北汇信息-吴春玉前言现今，汽车上的电子设备变得越来越复杂，各种传感器越来越多，各种智能驾驶系统现今，汽车上的电子设备变得越来越复杂，各种传感器越来越多，各种智能驾驶系统的数据交互对带宽的需求越来越高，超出了传统车载网络的负荷；而在IEEE802.1 工作组成立的音视频桥（下简称 AVB）任务组成功解决了音视频网络中数据实时同步传输的问题之后，以太网受到了汽车和工业等领域人士的关注，这使得车载以太网应运而生，并在之后于 AVB 标准中扩大了时间确定性需求。AVB 体系AVB 任

2、务组定义、制定了一系列标准，对传统以太网进行功能扩展，通过保障带宽、限制延迟和精确时间同步来建立高质量、低延迟的音视频以太网。AVB 任务组定义、制定了一系列标准，对传统以太网进行功能扩展，通过保障带宽、限制延迟和精确时间同步来建立高质量、低延迟的音视频以太网。AVB 协议族IEEE简称功能802.1AS-2011定义了一系列在系统中使用的预设值AVB系统简介和设定，使不具备网络经验的用户快速建立和使用AVB网络gPTP（广义精确时间同步协议）用于实现低延迟、低抖动的时钟同步AVB数据流间的资源竞争问题，通过协商802.1Qat-2010SRP（流预留协议）锁定路径的带宽资源，确保发送与接收端

3、的带宽可用，提高端到端的延迟保障与服务品质说明实时数据流的处理及转发机制，1722-20161722.1-20131733-2011FQTSS（时间敏感流的排队与转发）AVTP（ 音 视 频 传 输 协 议 ） MAAP（MAC 地址获取协议） AVDECC（音视频设备发现、枚举、连接管理和控制）时间敏感应用的 3 层传输协议包含流量整形、优先级划分及队列管理，采用特定的传输算法保障时间敏感媒体流传输不受异步以太网数据流的干扰定义音视频媒体流在二层的传输格式用于 1722 终端设备的发现、枚举、连接管理、升级等定义音视频媒体流在三层的传输格式AVB 体系中各个协议所处位置如下表：Applica

4、tionApplicationAlsa/GstreamerIEEE1733SRPgPTPIEEE1722.1AVDECCIEEE1722MAAPIEEE 1722UDPBandwidthReservationAVB ManagementTiming& SynchronizationAVTPMediaIEEE1722 AVTP ControlMediaClock IPIEEE802.1Qav FQTSSQueuing & ShapingIEEE 802.3 MACPHYAVNU AVB Automotive Profile基于汽车网络架构中各节点的网络特性、传输的数据类型以及应用数据对网络的要求

5、，基于汽车网络架构中各节点的网络特性、传输的数据类型以及应用数据对网络的要求，电子电器架构在设计的时候已经基本确定，具有静态特性，原始AVB 协议族中针对工程化网络的相关内容在汽车内部网络应用实施的时候，可以不予考虑。因此针对 AVB 协议族在汽车行业应用的特殊性， AVNU 联盟定义了 AVB Automotive Profile ，对 AVB 在汽车领域的应用做了相应的裁剪和约束。定义 AVB Automotive Profile 的目的，本质上是优化具有 AVB 功能的 ECU 节点的启动时间、网络负载以及节点负载，主要包含以下几点：不变GrandMaster 固定，无需最佳主时钟算法（

6、 BMCA）来决策主时钟的位置节点角色固定，即在车载网络中的 ECU 作为音视频源节点或 /和目标节点的角色下层传输延时已知，车载网络架构在设计好且在软硬件固化后，数据流生成后发送到实际物理网络上消耗的时间可测且相对固定SRP车载网络中音视频源节点和目标节点固定，只需在设计中考虑在各个节点中分配给不同数据流所需的带宽即可，不存在动态分配减少需要支持的音视频格式，简化设计减少需要支持的音视频格式，简化设计AVDECC车载网络架构相对固定，无需此协议来发现和管理新设备ApplicationApplicationAlsa/GstreamerIEEE1733IEEE1722.1SRPgPTPAVDEC

7、CIEEE1722MAAPIEEE 1722UDPBandwidthReservationAVB ManagementTiming& SynchronizationAVTPMediaIEEE1722 AVTP ControlMediaClock RecoveryIPIEEE802.1Qav FQTSSQueuing & ShapingIEEE 802.3 MACPHYIEEE1733-2011数据传输协议 RTP，用于实时传输音视频媒体流数据控制协议 RTCP，用于 QoS 反馈和媒体流同步必须注意的是：传统 RTP 协议没有提供任何确保按时传送数据的机制，也没有提供任何质量保证的机制。与 I

8、EEE1722 那样完全基于二层的标准不同，RTP 是一种基于三层 UDP/IP 网络的协议。IEEE1733 相较传统 RTP ，RTP 媒体流格式不变， 新增一种带 AVB 参数（stream_id 、802.1as_timestamp等）的 RTCPpayload ，其格式如下：IPAVBIEEE1733RTPAVBIEEE1733 相较传统 RTP ，RTP 媒体流格式不变， 新增一种带 AVB 参数（stream_id 、802.1as_timestamp等）的 RTCPpayload ，其格式如下：IEEE1733 协议的演示和验证系统构建现今，国内车载以太网处于快速发展阶段，汽车

9、相关企业都在进行车载以太网相关技术的预研工作。而大部分汽车行业的工程师来对 1733 特性可能不太了解。通过搭建的演示系统，可以让使用者快速了解车载以太网下 AVB 系统的工作机理（如：802.1AS 时间同步机制）。所有 AVB 网络中设备支持 IEEE 802.1AS交换设备必须支持 IEEE802.1Qav我们将使用德国 TSN Systems 公司的 TSN 系列软硬件工具（ TSN Box 及 TSN Tools ）来构建演示及验证系统，仿真1733 节点并记录分析其在 AVB 系统中的服务质量。们可以按照情况任意组合设备数量，以达到预期网络架构，此处仅使用了最小数量来搭建 DEMO

10、 平台。DEMO 角色划分DEMO 角色划分工具TSN Box数量11角色1733 Talker1733 ListenergPTPSlaveSlaveTSN Switch TSN ToolsNormal Oscilloscope Host PC1TAP1AVB/TSN 交换机x数据记录和分析通过此进行设备配置和1数据记录1检测设备同步xTSNToolsBox-GrandMaster-下图为演示和验证系统连接原理图。SyncSyncSyncSync12345678outoutoutoutHost PCNormal SwitchOscilloscopeHost PCNormal SwitchOsc

11、illoscopeSyncoutTohost1733 Talker5SyncoutTohostSyncoutTohostTAP51733 Listener5TSN SwitchSyncout123467812346781234678123456781000Base-TOscilloscope probe下图为演示和验证系统实物连接示意图：Config&CollectConfig&CollectNormal SwitchConfigConfigConfigConfig&CollectHost PCAVB/TSN Switch1733 Talker1733 Listener工具配置和结果TAPTS

12、N Tools 软件配置示意图如下：通过 TSN Tools 软件根据数据帧的特征元素（MAC 地址、gPTP、IP 地址、端口、RTP 等）进行过滤，同时可以设置多种分析工具（带宽、延迟等）按照不同样式来显示结果。例如：此处设置 RTP 和 RTCP 间隔时间的图谱，来评估 Talker 发送数据周期的抖动是否在可接受范围内。TSN Tools 软件配置示意图如下：InterfaceInterfaceChannel8MsgTypegPTP-SyncTimeTrackMsgTypegPTP-Followup.MsgTypegPTP-PdelayRspTAPTUOMsgTypegPTP-Pdel

13、ayRspFollowupInterfaceChannel4MsgTypegPTP-PdelayReqInterfaceChannel3DestinationPort5004（RTP）InterfarameGapInterfaceChannel2DestinationPort5005（RTCP）InterfarameGapInterfaceChannel11733IntersampleDelayInterfarameGapInterfarameGapLineChart1733IntersampleDelayClockWanderFollowUpDelaySyncDelaySync Arriva

14、lDelayInputFiltersAnalyserDisplayTSN Tools 软件对时钟质量的分析结果如下图：TSN Tools 软件 1733 数据源质量如下图：实际测试效果如下（视频）：总结根据根据 TSNTools 软件的数据记录，我们可以通过各种方式来评价RTP 服务质量，通过此来评价其是否满足客户需求，当然我们也可以在一定程度上直观地感知数据质量：如若 1733Talker 发送数据延迟超出一定时间后， 1733Listener会出现断断续的卡顿现象，但是误差在一定时间之内时，播放正常。于此，我们可以快速分析并 定位工程中可能出现的问题。后记AVBTSN（时间敏感网络）IEEE1733相较于现今复杂的 TSN 协议族，通过基础的时间同步协议和成熟音视频协议解决方案无疑可以快速了解协议内容来构建车载以太网系统，这也是许多OEM相较于现今复杂的 TSN 协议族，通过基础的时间同步协议和成熟音视频协议解决方案无疑可以快速了解协议内容来构建车载以太网系统，这也是许多OEM首先将车载娱子系统升级为以太网并使用 AVB 标准的主要原因之一。TSN Systems 公司成立于 2016 年，已通过 ISO 9001 认证，总部位于德国斯图加特，TSN Systems 公司成立于