前言
在汽車領域，近幾年車內網絡通訊方式的變革訴求，期望能夠有更高的數據傳輸速率，以及保證實時性的通訊方式引入。例如對於ADAS而言，傳統的CAN總線已經遠遠不能滿足其對通訊的要求，而基於車載以太網的TSN網絡是一個更好的解決方案，它在保證傳輸帶寬的同時，也保證了數據的時序、極低延時和可靠性。
TSN 驗證及測試環境概述
德國TSN Systems公司提供了用於TSN 測量和分析的軟件工具TSN tools 以及硬件工具TSN Box，利用TSN Tools以及TSN Box，可以快速構建一個支持TSN 的驗證及測試網絡環境，這個環境具有高度的靈活性，可以被用來匹配多種TSN 應用的場景，用於開發、分析、測試TSN 技術相關的內容。
圖1 TSN 驗證及測試環境應用場景示意圖
TSN Systems 提供的TSN 驗證及測試環境主要側重於以下內容：
- 802.1AS gPTP
- 802.1 Qav
- IEEE 1722
- IEEE 1733/RTP
- 802.1 Qbv
- 802.1 Q/Best Effort Traffic
- CAN總線/車載以太網網關
- 交換機性能及隊列大小分析
- 多種信號共存的網絡行為分析
- 網絡抖動（Jitter）及負載分析
TSN應用場景
Talker/Listener 模擬仿真
在AVB/TSN 開發過程中，為了構建開發環境，為產品的開發人員提供一個可以按照條件設定的TSN/AVB 的發送和接收節點，需要模擬TSN Talker/Listener節點，這時可以使用TSN Box 完成這個任務。
- 可直接加載影視頻文件，將音視頻實時轉換為IEEE 1722/IEEE 1733 數據流
- 可直接接受音源輸入，並將音源轉換為IEEE 1722/IEEE 1733 數據流
- 可在數據文件中對需要傳輸的信號進行預定義，上傳至TSN Box 並設定整形算法，TSN Box 可以按照預先設定的方式生成對應的數據流
- 可作為Listener接收IEEE 1722/IEEE 1733 音頻數據流，解析並將其轉換至音頻模擬信號，直接輸出至播放設備
- 可接收數據，增加時間戳，並將其轉發至上位機進行時間特性分析
TSN Box支持以下協議和整形方式：
- IEEE 802.1AS (gPTP)
- PPS signal
- IEEE 802.1Qav
- IEEE 1722 Audio file player with live adapted PTP time stamping
- IEEE 1733/RTP/RTCP File player with live adaptedPTP time stamping
- 802.1Qbv
- 1ms cycle time
- 100 µs cycle time
- IEEE 802.1Q/Best Effort Traffic
- UDP traffic
TAP設備
由於車載以太網通訊機制屬於包轉發網絡，無法按照傳統CAN 總線的監控方式來觀測網絡，如果我們在開發過程中或者分析測試過程中需要監控車載以太網的通訊過程和相關數據，則需要采用TAP 的模式在通訊鏈路上插入觀測點。
TSN Box 可以作為TAP 設備接入車載以太網物理鏈路，用來捕獲經過鏈路的所有車載以太網報文。
TSN Box作為TAP設備，優於其他常見的TAP設備的地方是，TSN Box可以提供與數據包相對應的高精度時間戳，例如利用這個特性，TSN Box可以用於測量一個數據包進入交換機Ingress到離開交換機Egress的時間差，以評估交換機對數據包傳輸的延遲影響。
TSN交換機
針對TSN 網絡，交換機是一個必不可少的核心環節，在TSN 節點開發過程中或者測試過程中通常會需要一個TSN 交換機用以構建一個TSN 基礎網絡以輔助開發或者測試工作。
TSN Systems 根據這個需求開發了一款基於Marvell 88Q5050 交換機芯片的TSN 交換機，通過這個交換機可以將TSN 的節點連接起來，形成一個完整的TSN 網絡。該TSN 交換機包含 5 路100Base-T1（BR）和1路1000Base-T。
圖2 TSN Systems交換機
TSN時間特性分析
TSN Systems 公司提供了一款針對TSN 網絡的深度分析軟件工具TSN Tools，不同於常規網絡分析工具，TSN Tools 可以對捕獲的車載以太網報文進行基於精確時間的可視化分析，例如可以進行PTP 的時間抖動分析。
圖3 TSN Tools可視化分析界面
802.1AS （Rev）分析
對於TSN 網絡，時鍾是核心，在TSN 網絡中，各個節點是通過IEEE 802.1AS 精准時間同步協議（gPTP）來同步時鍾的。
通過定義主時鍾選擇與協商算法、路徑延遲測算與補償、以及時鍾頻率匹配與調節的機制，gPTP 設備交換標准的車載以太網消息，將網絡各個節點的時間都同步到一個共同的主時鍾。
通常情況下由於各個節點的軟件、硬件各不相同，在時間同步過程中可能會存在各種各樣的問題，通過TSN Systems 搭建的測試環境，可以對gPTP 網絡進行如下相關內容的分析：
- Startup
- Rate Ratio
- Jitter
- Robustness/failure insertion
- TAP Mode PTP Analysis
圖4 TSN 802.1AS （Rev）分析方案示意圖
殘余總線仿真
在TSN 網絡設計開發過程中，不論是架構設計，還是TSN 網絡節點開發實現，都有可能需要一個相應的TSN 網絡環境，可以在實際TSN 網絡並未構建開發完成之前，模擬整個TSN網絡，或者是模擬TSN 網絡中某一個網絡節點的網絡通訊行為，通過模擬的網絡來分析評估整個網絡行為、網絡架構、或者是基於TSN 技術的網絡節點功能。利用TSN Systems 提供的軟硬件工具可以快速構建出一個虛擬的TSN 網絡仿真環境。
TSN 工具可以模擬仿真以下類型的節點行為：
- Talker/Listener
- Qav
- Qbv
- Persitaltic
- Best Effort
- CAN/CANFD
- Virtual Sensor
- Virtual ECU
- Failure/Misbehavior
- Negative testing
圖5 TSN殘余總線仿真方案示意圖
ADAS/無人駕駛領域時間分析/測試
在ADAS/無人駕駛領域，時間特性是需要被重點考量的參數，在ADAS 應用中，傳感器采集的數據需要被及時的處理和傳輸，以保證ADAS 控制系統的時效性。
時效性的分析包含了兩個部分，一個是傳感器裸數據預處理的及時性，另外一個就是數據通過TSN 網絡傳輸給ADAS/無人駕駛控制器的及時性。TSN Systems 提供的工具可以使用於這兩個分析/測試場景。
例如以下示例的測試環境，可以同時采集攝像頭的視頻裸數據和經過預處理后形成的TSN車載以太網數據流，通過對比兩個數據流的時間戳，來分析和測試圖像預處理所耗費的時間。
圖6 TSN ADAS/無人駕駛領域時間分析/測試方案示意圖
TSN Systems公司簡介
TSN Systems公司成立於2016年，已通過ISO 9001認證，總部位於德國斯圖加特，創始人為來自於UMAN和EDAG的時間敏感網絡和汽車E / E開發專家。TSN Systems公司專注TSN技術研發，致力於提供專業的測量和分析工具來幫助汽車行業控制復雜度、降低風險。曾給博世、NI、羅德與施瓦茨等公司提供專業產品解決方案。
北匯信息作為TSN Systems公司的中國獨家合作伙伴，將為客戶提供全面高效的TSN解決方案。