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快速了解時間敏感網絡(TSN)_Part2

        大家好,上期ag8亚官网介紹了TSN是什麼,能夠給ag8亚官网帶來什麼好處以及TSN的用途。在文章的最後也給ag8亚官网的協議介紹起了個頭,講解了TSN中用到的時鍾同步係統IEEE 802.1AS-Rev。如果有小夥伴漏掉了上期的內容,可以點此鏈接查看:快速了解時間敏感網絡(TSN)_Part1
 
        今天ag8亚官网就開始介紹TSN協議族中的其他成員包括:延遲(TAS和幀搶占)、流量監控(802.1Qci)和冗餘(802.1CB)
 

IEEE 802.1Qbv Time Aware Shaper

        時間感知整形(TAS)可以說是TSN裏的一個核心協議,正是它的應用為車內時間敏感數據提供了超低的延時及抖動的保證。ag8亚官网知道,以太網的數據是在總線上串行傳輸的,如圖5,當有多個數據在交換機出口等待被轉出時(不同的數據會根據VLAN Tag中的優先級在不同的隊列中排隊等待),誰先出誰後出就決定了數據的延遲大小。
 
圖5 以太網出口隊列示意圖
 
        TAS通過開關門的機製,來控製數據的發送。如圖6,通過右側的Gate Control list來控製每個隊列在某一時刻的開關門狀態,以右側黑框圈出的T05舉例,該時刻 隊列7到隊列0的開關門狀態分別是CoCCoCCC(C表示關門,o表示開門)。數據隻有在開門的時候才可以進行發送,也就是說該時刻隻有隊列6和隊列3可以發送數據。
 
圖6 TAS 開關門控製 (圖片部分引自IEEE 802.1Q)
 
        一般來講 Gate Control List是周期循環的,在關鍵數據(圖7中TC1數據)發送前和發送中,ag8亚官网會關閉其他數據的發送,以保證TC1數據不會受到影響。從而為TC1提供超低的延時保證。同時周期性開關門的特性也說明TAS更適合為周期性數據提供延時的保障。
 
圖7 TAS舉例
 

IEEE 802.1 Qbr & IEEE 802.3bu 幀搶占

        幀搶占是TSN協議族中另一個提供延遲保障機製的協議,該協議通過修改前導碼將正常的以太網幀分為兩類:Express MAC (EMAC 高優先級幀) 和 Preamble MAC(PMAC 低優先級幀)。通過高優先級幀可以打斷正在發送的低優先級幀這一特性,減小高優先級的等待時間。以圖8中的數據為例,正常情況下,第一行藍色的PMAC幀先發送後,即使後麵再來的EMAC幀也必須等待當前正在發送的PMAC幀發送完成後才能發送。但是應用了幀搶占後,EMAC幀可以打斷PMAC幀進行發送,當EMAC幀發送完成後,剩餘的PMAC幀再進行發送。這樣一來就可以節約下了EMAC幀的等待時間。
 
圖8 幀搶占舉例
 
        除了幀搶占自己單獨使用可降低延時之外。還可以與上麵提到的TAS結合使用以減小Grandband的大小(如圖9),從而在頻繁開關門的情況下提高網絡利用率。
 
圖9 幀搶占結合TAS減小Grandband
 
        最後在應用幀搶占的時候有三點注意:
•  數據 “被且僅被” 分成兩類:PMAC幀和EMAC幀
•  需要依賴底層支持,將原有的MAC層分為EMAC 和 PMAC
•  PMAC可被打斷的最小幀長度為124Bytes 小於該長度不能被打斷
 

IEEE 802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing

        TSN協議族中的PSFP協議類似防火牆的機製,它可以對轉發前的數據進行篩選和過濾,對特定標識的數據幀加以控製。以圖10為例,正常情況下ECU1和ECU2各自發送20Mbps數據,但是由於ECU1受到網絡攻擊或者自身發生錯誤,導致發送90Mbps的數據。此時由於switch出口處僅支持100M帶寬,那麼ECU2最多隻能發送10Mbps的數據,因此無法正常工作。
 
        如果該係統中應用了PSFP,那麼此機製可以提前根據數據流的特征(VLAN,MAC地址,IP地址等)識別出ECU1所允許發送的數據流僅能為20Mbps,因此就會對其進行錯誤處理,方式分為兩種:
•  PSFP限製:限製數據流發送,降低到預設值
•  PSFP阻斷:完全阻斷錯誤數據流
 
        此外PSFP還可以防止網絡攻擊(例如ARP攻擊),以及通過其中的門控機製確保被篩選出的數據在特定的時機進行發送等。
 
圖10:PSFP舉例
 

IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER)

        802.1CB 協議主要負責數據的冗餘備份傳輸,利用冗餘機製解決環路網絡拓撲中,可能由CRC、線路開路,連接器斷開等導致的信息錯誤或丟失。如果應用了自動駕駛,並且有一個較高的功能安全等級,那麼FRER幾乎成為了一個必然的選擇。
 
圖11. R-tag 及序列號
 
 
 
        在發送時,其會為特定數據打上標簽和序列碼(如圖11),並且在不同通路上複製傳輸。在鏈路彙聚點處,複製信息會被識別並消除,以防止接收節點的上層應用處理多個重複數據。其應用大致分為兩種形式:終端節點承擔FRER工作(如圖12)或 Switch節點成端FRER工作(如圖13)。後者相比於前者,實現起來難度較低,設計變更和複雜程度也會相對較小。
 
圖12. 終端節點承擔FRER功能
 
圖13. Switch承擔FRER功能
 
        以上就是ag8亚官网快速了解時間敏感網絡(TSN)的全部內容了。之後小編還會為大家帶來更多TSN的進階介紹,期待與大家的下次相遇~ 再見!
 
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