TSN(时间敏感网络)测试、仿真、分析平台应用攻略

前言

在汽车领域，近几年车内网络通讯方式的变革诉求，期望能够有更高的数据传输速率，以及保证实时性的通讯方式引入。例如对于ADAS而言，传统的CAN总线已经远远不能满足其对通讯的要求，而基于车载以太网的TSN网络是一个更好的解决方案，它在保证传输带宽的同时，也保证了数据的时序、极低延时和可靠性。

TSN 验证及测试环境概述

德国TSN Systems公司提供了用于TSN 测量和分析的软件工具TSN tools 以及硬件工具TSN Box，利用TSN Tools以及TSN Box，可以快速构建一个支持TSN 的验证及测试网络环境，这个环境具有高度的灵活性，可以被用来匹配多种TSN 应用的场景，用于开发、分析、测试TSN 技术相关的内容。

 图1 TSN 验证及测试环境应用场景示意图

TSN Systems 提供的TSN 验证及测试环境主要侧重于以下内容：

• 802.1AS gPTP
• 802.1 Qav
• IEEE 1722
• IEEE 1733/RTP
• 802.1 Qbv
• 802.1 Q/Best Effort Traffic
• CAN总线/车载以太网网关
• 交换机性能及队列大小分析
• 多种信号共存的网络行为分析
• 网络抖动（Jitter）及负载分析

TSN应用场景

 

Talker/Listener 模拟仿真

在AVB/TSN 开发过程中，为了构建开发环境，为产品的开发人员提供一个可以按照条件设定的TSN/AVB 的发送和接收节点，需要模拟TSN Talker/Listener节点，这时可以使用TSN Box 完成这个任务。

• 可直接加载影视频文件，将音视频实时转换为IEEE 1722/IEEE 1733 数据流
• 可直接接受音源输入，并将音源转换为IEEE 1722/IEEE 1733 数据流
• 可在数据文件中对需要传输的信号进行预定义，上传至TSN Box 并设定整形算法，TSN Box 可以按照预先设定的方式生成对应的数据流
• 可作为Listener接收IEEE 1722/IEEE 1733 音频数据流，解析并将其转换至音频模拟信号，直接输出至播放设备
• 可接收数据，增加时间戳，并将其转发至上位机进行时间特性分析

TSN Box支持以下协议和整形方式：

• 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设备

由于车载以太网通讯机制属于包转发网络，无法按照传统CAN 总线的监控方式来观测网络，如果我们在开发过程中或者分析测试过程中需要监控车载以太网的通讯过程和相关数据，则需要采用TAP 的模式在通讯链路上插入观测点。

TSN Box 可以作为TAP 设备接入车载以太网物理链路，用来捕获经过链路的所有车载以太网报文。

TSN Box作为TAP设备，优于其他常见的TAP设备的地方是，TSN Box可以提供与数据包相对应的高精度时间戳，例如利用这个特性，TSN Box可以用于测量一个数据包进入交换机Ingress到离开交换机Egress的时间差，以评估交换机对数据包传输的延迟影响。

TSN交换机

针对TSN 网络，交换机是一个必不可少的核心环节，在TSN 节点开发过程中或者测试过程中通常会需要一个TSN 交换机用以构建一个TSN 基础网络以辅助开发或者测试工作。

TSN Systems 根据这个需求开发了一款基于Marvell 88Q5050 交换机芯片的TSN 交换机，通过这个交换机可以将TSN 的节点连接起来，形成一个完整的TSN 网络。该TSN 交换机包含 5 路100Base-T1（BR）和1路1000Base-T。

  图2 TSN Systems交换机

TSN时间特性分析

TSN Systems 公司提供了一款针对TSN 网络的深度分析软件工具TSN Tools，不同于常规网络分析工具，TSN Tools 可以对捕获的车载以太网报文进行基于精确时间的可视化分析，例如可以进行PTP 的时间抖动分析。

图3 TSN Tools可视化分析界面

 

802.1AS （Rev）分析

对于TSN 网络，时钟是核心，在TSN 网络中，各个节点是通过IEEE 802.1AS 精准时间同步协议（gPTP）来同步时钟的。

通过定义主时钟选择与协商算法、路径延迟测算与补偿、以及时钟频率匹配与调节的机制，gPTP 设备交换标准的车载以太网消息，将网络各个节点的时间都同步到一个共同的主时钟。

通常情况下由于各个节点的软件、硬件各不相同，在时间同步过程中可能会存在各种各样的问题，通过TSN Systems 搭建的测试环境，可以对gPTP 网络进行如下相关内容的分析：

• Startup
• Rate Ratio
• Jitter
• Robustness/failure insertion
• TAP Mode PTP Analysis

图4 TSN 802.1AS （Rev）分析方案示意图

残余总线仿真

在TSN 网络设计开发过程中，不论是架构设计，还是TSN 网络节点开发实现，都有可能需要一个相应的TSN 网络环境，可以在实际TSN 网络并未构建开发完成之前，模拟整个TSN网络，或者是模拟TSN 网络中某一个网络节点的网络通讯行为，通过模拟的网络来分析评估整个网络行为、网络架构、或者是基于TSN 技术的网络节点功能。利用TSN Systems 提供的软硬件工具可以快速构建出一个虚拟的TSN 网络仿真环境。

TSN 工具可以模拟仿真以下类型的节点行为：

• Talker/Listener
• Qav
• Qbv
• Persitaltic
• Best Effort
• CAN/CANFD
• Virtual Sensor
• Virtual ECU
• Failure/Misbehavior
• Negative testing

图5 TSN残余总线仿真方案示意图

ADAS/无人驾驶领域时间分析/测试

在ADAS/无人驾驶领域，时间特性是需要被重点考量的参数，在ADAS 应用中，传感器采集的数据需要被及时的处理和传输，以保证ADAS 控制系统的时效性。

时效性的分析包含了两个部分，一个是传感器裸数据预处理的及时性，另外一个就是数据通过TSN 网络传输给ADAS/无人驾驶控制器的及时性。TSN Systems 提供的工具可以使用于这两个分析/测试场景。

例如以下示例的测试环境，可以同时采集摄像头的视频裸数据和经过预处理后形成的TSN车载以太网数据流，通过对比两个数据流的时间戳，来分析和测试图像预处理所耗费的时间。

图6 TSN ADAS/无人驾驶领域时间分析/测试方案示意图

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。