【Zeekr_Tech】TSN 介绍

前言

TSN 是时间敏感网络（Time-Sensitive Network）的英文缩写，是 IEEE802.1 TSN 工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，用于指导和开发低延迟、低抖动，并具有传输时间确定性的以太网局域网，是传统以太网在汽车等特定应用环境下的增强功能实现。

TSN 的发展史

早期的以太网采用的交换机主要使用半双工模式，传输带宽为100M，传输延时为 5ms，单根线路的最大长度为 100m。紧接着，在千兆以太网和全双工传输技术的快速发展中，局域网中基本普及了千兆交换机，默认情况下所有端口处于一个广播域，所有数据包的交换通过硬件的MAC 地址表进行查询转发。随着以太网交换技术的成熟并先城域网等更大范围的应用拓展，1980 年 2 月，IEEE 802 委员会成立，任务是制定局域网和城域网的通信标准，IEEE 802.1 工作组则主要制定基于以太网的协议标准。1991，针对大量交换机的部署产生了冗余链路等的一系列问题，IEEE802.1 工作组发布了 802.1D STP 生成树协议，并于 1998 年发布了第二部RSTP 快速生成树协议，基本解决了各厂商设备在组网时容易产生环路等问题。

随着 802.1D 的制定，大规模用户组网条件已经成熟，1999 年，IEEE802.1 发布 802.1Q VLAN 协议作为 802.1D 的后续补充，能够将大规模的用户小区和城市区域使用虚拟网络标识的进行区分，解决了电信用户组网和城域网接入的 IP 限制问题。

进入 21 世纪以后，随着以太网的普及，基于以太网的多媒体应用需求与日俱增，于是 2006 年 IEEE 成立了 AVB 工作组，制定了一系列新的802.1 技术标准，对现有以太网进行功能扩充，包括带宽保持、限制延时和精确时钟同步，提供了高质量、低延时、时间同步的音视频局域网解决方案。

随着工业 4.0 概念的提出和车联网时代的到来，工业和汽车对实时以太网技术的需求迅速增长，在 2012 年，AVB 工作组更名为 TSN 工作组，在继承AVB 已有的技术基础上，进一步针对实时通信的应用场景， 制定并提出了更多可行的技术标准，籍此在未来的工业和汽车等领域继续引领以太网技术的发展。

TSN 系列规范

TSN 系列规范包含了非常多的技术标准，一部分来源于以往音视频、通信等领域的应用，一部分来源于芯片等技术厂商在技术实现上的探索。 

图 1 TSN 协议系列规范

当前已经发布的 TSN 系列规范大致分为四个部分：时间同步、调度延时、可靠性、资源管理。

时间同步

时间同步的协议规范主要是 802.1AS/802.1AS-Rev，基于数据链路层进行以交换机为关键节点的时钟同步机制的实现，主要来自于IEEE1588 时间同步协议的简化版本，更适用于车载网络中实时性精度要求较高的通信传输场景。

目前主流的应用为 2011 版本，主要是基于单域或多域的时钟同步机制的实现，初步满足了基于以太网作为骨干网的电子电器架构的设计需求。 

图 2 802.1AS 多域分布

最新发布的为 2020 版本，增加了时钟冗余和时钟传输路径冗余的实现，对满足车辆功能安全的需求提供了统一的解决方案。

 图 3 802.1AS 时钟实时冗余

调度延时

802.1Qbv 是在交换机多个输出队列的严格优先级（报文中的优先级通常来自于 VLAN 或者 IP）模式下，利用门循环列表 GCL（Gate Control List）来控制每个队列的开关时间窗口，来实现时间感知整形器TAS（Time-aware Shaper）的功能；GCL 通常有 8~16 组，可通过灵活配置来实现不同延时需求的调度规则集合，进而对应不同优先级帧的最大传输延时保证来实现传输延时确定性和带宽的稳定性。

 图 4 802.1Qbv GCL 调度

同时，802.1Qbv 为了确保每个时间片的报文都能传输完成，预留了一个Gurad Band，长度最大可配置为一个标准以太网帧的MTU 大小约1500字节，会增加约 12.5us 的延时损耗。为了不浪费这个带宽的等待时间，于是设计并引入了 802.1Qbu 规范。

802.1Qbu 将数据帧分为可被抢占帧（Preemptable Frame）和快速帧（Express Frame），通常在每个交换机端口以优先级来对帧进行以上分类，即高优先级的帧可以对低优先级未传输完成的帧进行抢占发送，以减少传输延迟。抢占的规则一般通过设置最小可被抢占帧长度，例如若设置为 128 字节，则必须等待可被抢占帧传输完 128 字节才能对快速帧进行抢占发送，等快速帧发送完成后，再对被抢占帧未发送完成的部分进行发送。

802.1Qbu 和 802.1Qbv 的同时使用，可以在保证链路延时和带宽相对确定的情况下，对高实时报文进一步降低传输延时。

可靠性

802.1CB 主要是通过交换机硬件的报文复制功能实现发送端数据帧的在交换机指定转发端口处的复制，并通过不同的交换机传输路径发送至最终目的节点所在的交换机连接端口，然后在该交换机端口利用交换机硬件的对特定协议复制帧的重复消除，进而利用网络拓扑中的冗余路径实现在传输链路中实时的可靠性数据备份，并且不增加软件收发数据产生的额外负载；相比传统的通信错误恢复机制，能够在正常通信链路发生错误时， 利用在冗余路径中的实时数据保证通信不间断，且延时仅是冗余路径中多余交换机节点的转发延时，一般在 10us 左右，可以非常好的满足高实时高可靠性的应用场景。

 图 5 802.1CB 冗余策略

资源管理

资源管理的系列规范类似于网络管理之类的协议和配置格式的一些规定，适合于灵活组网、易于维护的一些应用环境，并不适用于汽车上稳定性要求高、固定资源分配的策略，所以这里就暂不详细介绍了。

TSN 在汽车上的应用

TSN 在汽车上的应用主要使用了基于 802.1AS-Rev 的时钟同步协议，以及随后推出的 802.1Qbv、802.1CB、802.1Qbu 等一系列满足车载网络流量调度需求的协议规范。

车载网络

未来的车载网络将以中央计算大脑为车辆中心，以区控制器为局部中心，基于以太网作为骨干网的环状拓扑进行部署，为全车的智能化提供超大的带宽和连通性。

图 6 ZEEKR EE 3.0 架构

随着网络拓扑的巨大变更，未来的车型将能够把整车线束总长度从3.5km 以上降低至 1.5km 左右，减重 100~200kg，实现电动汽车 10% 以上的续航提升，在降低硬件损耗的同时，带来非常可观的综合经济效益，对实现碳中和的国家战略提供强有力的支撑。

时钟同步

在极氪具有辅助驾驶和自动驾驶的功能的车型中，时钟同步精度是各个传感器实现高精度响应和定位外部环境的基础，包括 1~9 个激光雷达，1~6 个毫米波雷达，12 个超声波雷达，4~8 个环视摄像头（鱼眼和侧视），1 个前视高清识别摄像头，1 个前视 DVR 摄像头，1 个后视倒车摄像头，1 个DMS 摄像头，通过车内网络节点具备的硬件支持的802.1AS gPTP 时钟同步功能，可以将各个传感器的时钟同步误差压缩到100ns~1us 以内，基本上满足了车辆在高速和低速运行中各个场景的驾驶控制需求。

 图 7 车辆自动驾驶传感器分布

 

延时确定

 

对于新一代车型的车辆控制，通过区控制器的交换机功能进行大量实时性周期数据传输，依赖优化验证后的 Qbv 和Qbu 配置，10ms、20ms、50ms、100ms 等传统车辆运行中的 CAN 控制数据，均可以按照抖动性要求的误差等级，实现分批分时的确定带宽和确定延时的数据传输，基本能够满足 100us~1ms 的延时区间，实现与传统 CAN 网络数据转发性能要求的完全兼容。

同时，通过区控制器进行毫米波雷达的数据传输能够保留足够的实时带宽，车联网的地图等应用也能够保证及时响应，在线音视频应用也能够流畅播放，进而实现了多域融合在以太网作为骨干网的网络环境下的良好示范效应。

 

实时冗余

功能安全在应用汽车以太网作为骨干网的拓扑中主要关注的是通信安全。传统的CAN 网络通信具有天然的组播通信方式，某一个节点的故障不会中断其他节点间的通信。

汽车以太网使用以交换机为中心转发节点的网络拓扑，使用的是集中式的点对点通信，需要使用队列来缓存报文和控制通信策略；如果传输路径中的转发节点出现故障，则可能会立刻中断整车各个区控制器之间的大量通信，会造成车辆控制中不可预知的风险。

802.1CB 针对汽车以太网的先天性缺陷给出了一个利用硬件冗余通道来保持实时数据备份的方式，可以将需要备份的数据实时保留在通信线路中，提供硬件线路和软件流量的双重备份，能够有效的提升通信的功能安全等级。

 图 8 802.1CB 帧复制传输

总结

汽车功能的智能化、网联化、多媒体化催生了新时代车载电子电气架构的升级和变革，涌现出了大量具有创造力的技术理念和个性化的应用场景，已经远远超出了物联网、车联网等新时代概念的范畴。

为了迎接这些挑战，极氪软件及电子中心将大胆探索，基于 TSN 的电子电气架构进行下一代智能车型的研发，并打造搭载ZEEKR OS 的中央计算超级算力平台，在新的市场需求下不断突破创新，为汽车产业的技术创新奉献自己的青春和激情。