高能预警~如何构建IEEE1733协议的演示和验证系统？

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高能预警~如何构建IEEE1733协议的演示和验证系统？

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体系中各个协议所处位置如下表：

AVNU 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，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协议族中针对非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：

gPTP
• GrandMaster固定，无需最佳主时钟算法（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/和目标节点的角色不变
• 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

AVTP
• 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

IEEE1733-2011

IEEE1733协议脱胎于实时流媒体协议（下简称为RTP）。RTP早在AVB系统出现之前，就已广泛应用于视频会议系统、IP电话产业等。其包含两个子协议，RTP和RTCP：

• 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IEEE1722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。为了在基于IP的三层应用上利用二层AVB系统的性能，IEEE1733对RTP进行了扩展。这样我们就可以在本地网络支持基本AVB协议族中精确时间同步、流量整形、带宽预留的前提下，再进一步将RTP做出较小改变传输音视频媒体流数据，即可快速搭建AVB网络。相较重新实现传输音视频媒体流的IEEE1722而言，时间上的消耗无疑更少。

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RTCP payload，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）。

为尽量还原真实车载网络环境，以下为我们搭建演示和验证系统选择设备的必要条件：
• 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。我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平台。

下图为演示和验证系统连接原理图。

下图为演示和验证系统实物连接示意图：

工具配置和结果

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：

TSN 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）：

【北汇信息】使用TSNBox和TSNTools构建AVB网络并进行系统测试

总结

根据TSN Tools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1733 Talker发送数据延迟超出一定时间后，1733 Listener 会出现断断续续的卡顿现象，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

AVB任务组在其标准中为了扩大时间确定性需求和范围，新增了一系列底层标准来提升网络性能，并更名为TSN（时间敏感网络）任务组，对于应用于三层的IEEE1733协议依然有效。

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首先将车载娱乐子系统升级为以太网并使用AVB标准的主要原因之一。

TSN Systems公司简介

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，创始人为来自于UMAN和EDAG的时间敏感网络和汽车E / E开发专家。TSN Systems公司专注TSN技术研发，致力于提供专业的测量和分析工具来帮助汽车行业控制复杂度、降低风险。曾给博世、NI、罗德与施瓦茨等公司提供专业产品解决方案。北汇信息作为TSN Systems公司的中国独家合作伙伴，将为客户提供全面高效的TSN解决方案。

参考文献

IEEE Std 1733-2011