車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延可分為固定時(shí)延和隨機(jī)時(shí)延，固定時(shí)延有上層協(xié)議數(shù)據(jù)處理時(shí)延、鏈路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等，而隨機(jī)時(shí)延與EthernetAVB協(xié)議緊密相關(guān)。因此，本文在分析EthernetAVB協(xié)議的基礎(chǔ)之上，將配合使用RAD_Galaxy設(shè)備監(jiān)測(cè)鏈路傳輸?shù)膱?bào)文，根據(jù)實(shí)測(cè)報(bào)文的頭部信息，嘗試分析出各部分的時(shí)延信息。

從LIN、CAN、FlexRay到MOST網(wǎng)絡(luò)，雖然車載網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率越來越高，但OTA遠(yuǎn)程升級(jí)、360°環(huán)視影音、ADAS駕駛輔助，甚至共享租賃所需的CyberSecurity網(wǎng)絡(luò)信息安全等層出不窮的新功能無不呼喚著更高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)。隨著BroadR-Reach解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的電磁兼容性問題，DoIP、AVB/TSN、SOME/IP等協(xié)議開始在車載以太網(wǎng)上大展拳腳，以太網(wǎng)以其高帶寬、低成本、輕量化的優(yōu)勢(shì)逐步在中高端車上普及，其滲入到汽車電子各領(lǐng)域階層已是大勢(shì)所趨。

就像再寬的高速公路也拯救不了關(guān)卡林立的收費(fèi)站一樣，任何功能在車載以太網(wǎng)上的移植或?qū)崿F(xiàn)，不得不考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?strong style="">與傳統(tǒng)以CAN為主干的Bus總線型拓?fù)洳煌氖?，車載以太網(wǎng)大多采用以交換機(jī)為樞紐的星型拓?fù)洹?/strong>無論多炫酷的功能，汽車功能及信息安全所必須的通訊實(shí)時(shí)性，都是必須守住的底線。接下來本文將重點(diǎn)探討如何評(píng)估車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。

車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延可分為固定時(shí)延和隨機(jī)時(shí)延，固定時(shí)延有上層協(xié)議數(shù)據(jù)處理時(shí)延、鏈路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等，而隨機(jī)時(shí)延與EthernetAVB協(xié)議緊密相關(guān)。因此，本文在分析EthernetAVB協(xié)議的基礎(chǔ)之上，將配合使用RAD_Galaxy設(shè)備監(jiān)測(cè)鏈路傳輸?shù)膱?bào)文，根據(jù)實(shí)測(cè)報(bào)文的頭部信息，嘗試分析出各部分的時(shí)延信息。

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協(xié)議相關(guān)時(shí)延

EthernetAVB 核心協(xié)議有SRP（流預(yù)留協(xié)議）、FQTSS（時(shí)間敏感性流的轉(zhuǎn)發(fā)與排隊(duì)協(xié)議）、gPTP（時(shí)間同步協(xié)議）和AVTP（AVB傳輸與控制協(xié)議）。其中，車載以太網(wǎng)中為了降低時(shí)延，一般不會(huì)動(dòng)態(tài)預(yù)留帶寬，所以暫且不用考慮SRP所產(chǎn)生的時(shí)延；而其余三個(gè)協(xié)議主要是流量調(diào)度產(chǎn)生的時(shí)延（即干擾遲滯）和時(shí)鐘同步產(chǎn)生的時(shí)延。

數(shù)據(jù)流量調(diào)度時(shí)延

主要包括排隊(duì)遲滯、扇入遲滯和永久遲滯這三方面，本質(zhì)上，與FQTSS時(shí)間敏感性流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)協(xié)議有關(guān)。FQTSS是一個(gè)對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度的機(jī)制，其體現(xiàn)在令牌整形算法（CBS）方面。CBS是基于信用值的累積和消耗，特定AVB流類別的幀的信用值大于等于0時(shí)才可以傳輸，這實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)公平的傳輸環(huán)境，低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。如圖1所示，低優(yōu)先級(jí)B類數(shù)據(jù)流以及非AVB的C類數(shù)據(jù)流可以得到傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)。

圖1基于信用機(jī)制的令牌整形算法

排隊(duì)遲滯即不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流在緩沖區(qū)排隊(duì)所產(chǎn)生的遲滯，主要與令牌整形算法相關(guān)，如圖1所示，是A、B、C三類數(shù)據(jù)流的整形過程。

扇入遲滯是相同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流輸入，如圖2所示，有7個(gè)端口輸入相同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流，1個(gè)端口輸出這些數(shù)據(jù)流。最大數(shù)據(jù)量的端口要適應(yīng)輸出端FIFO最大分幀長(zhǎng)度，即在輸出端口的FIFO必須發(fā)送的字節(jié)數(shù)為最大的分幀長(zhǎng)度容量+6*最大的幀容量FIFO。相應(yīng)地，這也會(huì)導(dǎo)致一定的遲滯。

圖2扇入遲滯多進(jìn)一出

永久遲滯作為扇入遲滯的一部分納入遲滯分析之中。在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)盡量避免遲滯的出現(xiàn)，但一個(gè)交換機(jī)在接收具有相同帶寬的一定優(yōu)先權(quán)的信息時(shí)就有可能產(chǎn)生遲滯，在輸出端口借助于遲滯令牌整形后允許發(fā)送信息，這種情況下，就會(huì)阻礙其他信息的發(fā)送，就會(huì)占用一定程度的緩沖區(qū)，并且在滿載狀態(tài)下不總會(huì)被消除。

圖3永久遲滯產(chǎn)生原理圖

如3圖所示，F(xiàn)IFO2的信息零星的阻礙了FIFO1信息的發(fā)送，在FIFO3中，我們發(fā)現(xiàn)信息3往后都遲滯了一段時(shí)間，這就是永久遲滯。

時(shí)鐘同步時(shí)延

這主要與gPTP協(xié)議有關(guān)，同時(shí)也涉及到AVTP協(xié)議。

任何給定的gPTP域中可以只有一個(gè)主時(shí)鐘，這個(gè)主時(shí)鐘為整個(gè)gPTP域設(shè)定時(shí)標(biāo)。多種混合技術(shù)的LAN都可以使用單一的gPTP主時(shí)鐘作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，一個(gè)gPTP網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都將共享一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，該公共時(shí)間與gPTP域中的所有其他設(shè)備之間的相差不超過500ns。gPTP系統(tǒng)交換多種類型的報(bào)文以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳播主時(shí)鐘同步基準(zhǔn)，使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_ Follow_Up報(bào)文，用于補(bǔ)償設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)滯。

圖4時(shí)鐘同步鏈路時(shí)滯測(cè)量

如4圖所示，是報(bào)文交互的過程，如果鏈路時(shí)滯固定且對(duì)稱，則LINK_DELAY就是所述的鏈路時(shí)滯，gPTP域內(nèi)的AVB設(shè)備很據(jù)這個(gè)鏈路時(shí)滯來同步輸出，此時(shí)的輸出就存在時(shí)延（這個(gè)時(shí)延取決于gPTP域中最大的時(shí)間偏移量），因?yàn)樗鼈円_保同時(shí)輸出，比如說，車內(nèi)音響和視頻，它們的圖像和語音要同步，為了同步輸出，必定有一方要等待另一方，即時(shí)延規(guī)范化（其中AVTP Listener的緩存區(qū)必須足夠大以容納時(shí)延，這個(gè)緩存量足以規(guī)范由網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)不同所產(chǎn)生的時(shí)延差）如5圖所示，音響的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)過七跳，而視頻的數(shù)據(jù)傳輸只需經(jīng)過兩跳，假設(shè)其他條件一樣，很明顯，視頻數(shù)據(jù)流需等待音頻數(shù)據(jù)流，兩者同步輸出。

圖5同步輸出

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網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測(cè)量

測(cè)量工具選擇英特佩斯RAD_Galaxy，如圖6所示，作為支持標(biāo)準(zhǔn)8線千兆以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)工具，RAD_Galaxy可以使標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備、電腦、或者數(shù)據(jù)記錄儀兼容BroadR-Reach。它包含12個(gè)BroadR-Reach收發(fā)器芯片（PHYs），最高可監(jiān)控6路網(wǎng)絡(luò)，可插入到6對(duì)BroadR-Reach節(jié)點(diǎn)或6個(gè)BroadR-Reach節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)之間，監(jiān)控鏈路上報(bào)文的傳輸情況。

圖6 英特佩斯RAD_Galaxy

如圖7所示，Galaxy有三種路由旁通方式：1）PHY層路由：低時(shí)延；2）MAC層路由：錯(cuò)誤幀過濾；3）軟路由：靈活配置。只通過PHY層時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)過程，所有的報(bào)文，包括錯(cuò)誤幀都會(huì)發(fā)出來，而通過MAC層路由時(shí)，會(huì)簡(jiǎn)單分析一下它的報(bào)頭，過濾掉大部分錯(cuò)誤幀，當(dāng)軟路由時(shí)，經(jīng)過的OSI上層，報(bào)文會(huì)被完整的“分析”一遍，相應(yīng)的，時(shí)延也就增大了。

圖7 RAD_Galaxy路由旁通方式

我們搭建了一個(gè)360°環(huán)視系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，如圖8所示，將Galaxy加到360°環(huán)視系統(tǒng)中，相當(dāng)于原先的每條完整的線路被分成兩段，接到Galaxy的成對(duì)的博通以太網(wǎng)接口中，而電腦中上位機(jī)軟件通過RJ45千兆以太網(wǎng)連到Galaxy的控制端口。

圖8 360°環(huán)視系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

在VehicleSpy軟件中，設(shè)置設(shè)備的TAP測(cè)量模式，然后運(yùn)行在監(jiān)控模式下，如圖9所示，可以分析各報(bào)文的頭部信息，尤其是時(shí)間戳的信息。

圖9 報(bào)文信息

綜上，通過Galaxy設(shè)備的測(cè)量記錄，按照AVB協(xié)議對(duì)報(bào)文進(jìn)行分析，便可以知道搭建的網(wǎng)絡(luò)中各數(shù)據(jù)流時(shí)延的分布，能夠準(zhǔn)確的評(píng)估被測(cè)系統(tǒng)的各網(wǎng)段時(shí)延，幫助網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工程師定位以太網(wǎng)控制器時(shí)延相關(guān)的問題。