李志濤，耿偉峰

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車電子技術(shù)發(fā)展迅速，人們對汽車的安全性、舒適性、智能化的要求也越來越高。現(xiàn)行車載通信網(wǎng)絡(luò)在帶寬和擴(kuò)展性等方面逐漸受到制約，為滿足人們對車輛數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，探究高帶寬?shù)據(jù)傳輸?shù)能囕d網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為汽車發(fā)展的必然，基于車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信已經(jīng)被明確為下一代網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)。車載以太網(wǎng)AVB協(xié)議通過時鐘同步、帶寬預(yù)留與流隊列轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，支持并滿足相應(yīng)音視頻功能的應(yīng)用需求，在汽車領(lǐng)域的使用越來越廣泛。

1 車載以太網(wǎng)AVB概述

人民日益增長的美好生活需要和汽車技術(shù)的突飛猛進(jìn)，促進(jìn)了汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的迅速發(fā)展，如數(shù)字化儀表、中控大屏、流媒體后視鏡、語音&視覺交換、自動駕駛及智能座艙等功能更加豐富及多元化。這些功能的增加帶來了車輛數(shù)據(jù)傳輸帶寬和實(shí)時性的更高要求，尤其在汽車音視頻等多媒體功能方面，高清的數(shù)據(jù)需要較高的帶寬、最大限度的實(shí)時性和良好的服務(wù)品質(zhì)，來滿足語音、多媒體等實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸需求。因此，車載以太網(wǎng)AVB技術(shù)在汽車中得到快速推廣應(yīng)用。

基于車載以太網(wǎng)技術(shù)的AVB（Audio Video Bridging）技術(shù)，是處理音頻和視頻流比較常用的一種方式，又稱音頻視頻橋接技術(shù)，簡稱AVB，可用于汽車多媒體數(shù)據(jù)流的傳輸。AVB協(xié)議源于IEEE802.3研究小組，該研究小組在2005年成立了IEEE 802.1AVB工作組，開始著手研究制定一系列的協(xié)議，使得基于以太網(wǎng)的實(shí)時音視頻傳輸技術(shù)走向市場。IEEE802.1音頻/視頻橋接工作組與IEEE1722二層傳輸協(xié)議工作組，針對時間敏感數(shù)據(jù)開發(fā)了一系列的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于促進(jìn)時間敏感類的音頻與視頻的應(yīng)用，而另外一個行業(yè)聯(lián)盟組織，AVnu聯(lián)盟基于這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，結(jié)合車載功能場景及需求給出了車載應(yīng)用的建議，同時AVnu聯(lián)盟內(nèi)部的汽車驗(yàn)證測試小組（Certification Test Subgroup，CDS）也開發(fā)了對應(yīng)的認(rèn)證測試規(guī)范，用于提供車載應(yīng)用的互操作性與認(rèn)證測試來驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

2 AVB標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

為了能夠使盡可能多的設(shè)備進(jìn)行通信而忽略不同硬件供應(yīng)商的差異化，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）在1979發(fā)布了開放系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnection，OSI）模型。AVB協(xié)議并非一個標(biāo)準(zhǔn)，AVB是一系列IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)集合，AVB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在OSI模型中的分布及位置，見圖1。

圖1 AVB協(xié)議架構(gòu)

以太網(wǎng)AVB協(xié)議不僅擴(kuò)展到傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能上，并且與現(xiàn)有以太網(wǎng)的協(xié)議體系完全兼容，通過保障帶寬，限制延遲和精確時鐘同步，提供穩(wěn)定的實(shí)時音視頻傳輸。從圖1中可以看出，AVB主要是鏈路層的協(xié)議，它和傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧是并列共存的關(guān)系。AVB協(xié)議架構(gòu)中包含IEEE Std 802.1AS、IEEE Std 802.1Qat、IEEE Std 802.1Qav、IEEE Std1722與IEEE Std1733協(xié)議。

相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，AVB最主要的特性就是確定性延時，通過時間同步、帶寬預(yù)留及數(shù)據(jù)流的隊列轉(zhuǎn)發(fā)策略，確保每個音頻和視頻流在確切的時間內(nèi)到達(dá)對端，此特性對時間敏感通信極其重要，AVB將3個協(xié)議（IEEE Std 802.1AS、IEEE Std 802.1Qat、IEEE Std 802.1Qav）整合到一起，給在局域網(wǎng)中傳送實(shí)時多媒體數(shù)據(jù)流提供了可能。同時在車輛多媒體數(shù)據(jù)流傳輸時，需要上層的音視頻橋接傳輸協(xié)議（IEEE Std1722）、實(shí)時傳輸協(xié)議（IEEE Std1733）的配合，使得AVB網(wǎng)絡(luò)更加便捷，各種音視頻流數(shù)據(jù)的封裝更加靈活，而不必對其進(jìn)行繁瑣的操作。

AVB技術(shù)在車載以太網(wǎng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)是解決時間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸時延及同步問題，因此協(xié)議架構(gòu)中的3個關(guān)鍵協(xié)議IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qat和IEEE 802.1Qav為解決數(shù)據(jù)傳輸問題和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求提供了相應(yīng)的通信機(jī)制。

2.1 精確時鐘同步協(xié)議

IEEE Std 802.1AS，精確時鐘同步協(xié)議（Generalized Precision Time Protocol，簡稱gPTP），在車載應(yīng)用中，一般采用靜態(tài)確定主時鐘節(jié)點(diǎn)，主時鐘節(jié)點(diǎn)確定后，所有時間敏感系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)以此主時鐘節(jié)點(diǎn)的時鐘為參考值，通過路徑延遲測算與補(bǔ)償、時鐘頻率匹配，將時間敏感系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的時間都同步到主時鐘節(jié)點(diǎn)的時間基準(zhǔn)上，實(shí)現(xiàn)時鐘同步。gPTP的核心在于時鐘同步機(jī)制，主時鐘節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送gPTP消息，通過gPTP消息衍生至系統(tǒng)中的各個從時鐘節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)時間參數(shù)的交換，從而精確地實(shí)現(xiàn)時鐘調(diào)整和時鐘頻率匹配。在AVB系統(tǒng)中，時間同步信息從主時鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送給從時鐘節(jié)點(diǎn)，達(dá)到共享主時鐘節(jié)點(diǎn)的時鐘信息。若主時鐘（Master time）節(jié)點(diǎn)和AVB系統(tǒng)中一個從時鐘（Slave time）節(jié)點(diǎn)二者時間不同步，基于gPTP協(xié)議時鐘同步機(jī)制，把從時鐘節(jié)點(diǎn)的時間同步到主時鐘節(jié)點(diǎn)的時間基準(zhǔn)上，采用gPTP報文的收發(fā)（Sync同步報文、Follow-up跟隨報文、Pdelay_req延遲請求報文、Pdelay_resp延遲請求響應(yīng)報文、Pdelay_Resp_Follow_Up延遲請求響應(yīng)跟隨報文），記錄相關(guān)gPTP報文發(fā)送、接收時的時間戳信息，通過時鐘同步機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)時間的測算，完成時鐘同步。其中，Sync、Follow-up為一組報文，主時鐘節(jié)點(diǎn)通過此組報文發(fā)送主時鐘信息，使主時鐘節(jié)點(diǎn)的時鐘信息傳遍整個AVB系統(tǒng)。Sync報文定期發(fā)送，觸發(fā)主時鐘與從時鐘節(jié)點(diǎn)分別記錄Sync報文發(fā)送與接收時的時間戳信息，F(xiàn)ollow-up負(fù)責(zé)將主時鐘節(jié)點(diǎn)記錄的Sync報文發(fā)送時的時間信息發(fā)出，用來通知系統(tǒng)中的從時鐘節(jié)點(diǎn)，見圖2。

圖2 主時鐘信息報文發(fā)送

Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up報文為一組報文，周期發(fā)送，用于測量報文沿路徑傳輸產(chǎn)生的延時和兩端之間的時鐘頻率偏差，gPTP協(xié)議延遲響應(yīng)機(jī)制示意圖，見圖3。其中、為時鐘同步請求節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收gPTP報文時的時間，、為時鐘同步響應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送gPTP報文時的時間。

圖3 gPTP協(xié)議延遲響應(yīng)機(jī)制示意圖

請求方節(jié)點(diǎn)在時刻發(fā)送Pdelay_req命令，應(yīng)答方節(jié)點(diǎn)在時刻收到Pdelay_req請求指令后，應(yīng)答方節(jié)點(diǎn)在時刻發(fā)送一個Pdelay_resp命令，該命令中攜帶的值。請求方節(jié)點(diǎn)在時刻收到該P(yáng)delay_resp命令后，獲取到時刻，此時請求方節(jié)點(diǎn)獲取到、、時刻的數(shù)值。應(yīng)答方節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完P(guān)delay_resp命令后，接著發(fā)送一個Pdelay_Resp_Follow_Up命令，該指令中攜帶的值，請求方節(jié)點(diǎn)收到Pdelay_Resp_Follow_Up命令后，此時請求方節(jié)點(diǎn)便獲取到、、、時刻的4個值。

假設(shè)路徑延遲對稱，時鐘同步請求方節(jié)點(diǎn)可計算路徑傳輸延時（path_delay）以及自己與應(yīng)答方時鐘的偏差（clock_offset）。

路徑傳輸延時為：path_delay=（-+-）/2

請求方節(jié)點(diǎn)根據(jù)clock_offset，path_delay實(shí)現(xiàn)與應(yīng)答方節(jié)點(diǎn)的時鐘同步，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)依據(jù)路徑傳輸延時的計算數(shù)值，將該值放在補(bǔ)償信息中，用于實(shí)現(xiàn)端到端的路徑延時計算。

2.2 流預(yù)留協(xié)議

IEEE Std 802.1Qat，流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，簡稱SRP），SRP協(xié)議管理系統(tǒng)對帶寬的預(yù)留，確保了音視頻流節(jié)點(diǎn)間端到端的帶寬可用性。音視頻流發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)流之前進(jìn)行帶寬注冊發(fā)布，對AVB系統(tǒng)中的路徑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理評估。在SRP中，流服務(wù)的提供者叫做Talker，流服務(wù)的接收者叫做Listener，SRP利用多注冊協(xié)議（Multiple Registration Protocol，簡稱MRP）來傳遞消息，詳細(xì)描述流的狀況，在Talker發(fā)送流服務(wù)之前保障發(fā)送效果，從而達(dá)到確定性傳輸，如果所需的路徑帶寬可用，整個路徑上的所有節(jié)點(diǎn)將會對此資源進(jìn)行鎖定。同一個Talker提供的流服務(wù)可同時被多個Listener接收，SRP允許只保障從Talker到Listener的單向數(shù)據(jù)流流動，只要從Talker到多個Listener中的任意一條路徑上的帶寬資源經(jīng)協(xié)商并鎖定，Talker就可以開始提供實(shí)時的音視頻流服務(wù)。通常符合SRP標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⒄麄€網(wǎng)絡(luò)可用帶寬資源的75%用于AVB鏈路，剩下25%的帶寬留給傳統(tǒng)的以太網(wǎng)流量。

2.3 隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

IEEE Std 802.1Qav，隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Forwarding and Queuing for time-sensitive streams，簡稱FQTSS），為了避免普通的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量與AVB流量之間對網(wǎng)絡(luò)資源的競爭，確保傳統(tǒng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會干擾AVB實(shí)時音視頻流。AVB交換機(jī)節(jié)點(diǎn)對時間敏感的音視頻流和普通以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流進(jìn)行了差異化處理，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)幀分別進(jìn)行排隊，并且賦予時間敏感幀高優(yōu)先級。在保證高優(yōu)先級的時間敏感幀傳輸發(fā)送的條件下，再提供普通的非時間敏感數(shù)據(jù)幀的傳輸發(fā)送。隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，在AVB交換機(jī)節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成，從而用于避免數(shù)據(jù)包堆積和不超出鏈路的最大允許傳輸延時，并且可保障75%的帶寬資源用于AVB數(shù)據(jù)流的傳輸。

2.4 AVB數(shù)據(jù)包格式

AVB以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，只是從傳輸層面上提出了一個新的規(guī)范，但是在AVB內(nèi)部傳輸?shù)牧髅襟w數(shù)據(jù)則是按照IEC61883規(guī)定的格式進(jìn)行的。數(shù)據(jù)流發(fā)送端將音視頻多媒體數(shù)據(jù)流壓縮后，按照AVTP協(xié)議實(shí)時地在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，保證了音視頻傳輸?shù)膶?shí)時性。AVB數(shù)據(jù)包格式見圖4。

圖4 AVB數(shù)據(jù)包

AVB數(shù)據(jù)中的IEC61883數(shù)據(jù)包可包含的數(shù)據(jù)格式有：61883-2 SD-DVCR標(biāo)清視頻記錄數(shù)據(jù)流格式；61883-4 MPEG2-TS壓縮視頻數(shù)據(jù)流格式；61883-6非壓縮音頻數(shù)據(jù)格式，即IEEE1394傳輸格式；61883-7衛(wèi)星電視MPEG壓縮格式；61883-8 Bt.601/656視頻流格式；IIDC非壓縮工業(yè)級攝像頭視頻流傳輸格式。針對不同的音視頻格式，AVTP數(shù)據(jù)包有不同的Header和Payload格式。

3 AVB協(xié)議測試

AVB協(xié)議測試主要分為部件級測試和系統(tǒng)級測試，部件級進(jìn)行協(xié)議一致性的測試，目的是驗(yàn)證各層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的正確性。系統(tǒng)級測試側(cè)重于協(xié)議配置及自定義需求的正確性。

AVB協(xié)議部件級測試主要依據(jù)AVnu聯(lián)盟制定的測試計劃。AVnu聯(lián)盟是致力于在不同應(yīng)用中使用開放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)時間和低延時需求的互操作性生態(tài)系統(tǒng)的國際聯(lián)盟組織。為確保AVB設(shè)備之間的互操作性，AVnu聯(lián)盟為車載AVB部件級協(xié)議一致性測試制定了6項(xiàng)測試計劃，用于驗(yàn)證AVB協(xié)議一致性以及車載AVB互操作性等，見表1。

表1 AVB協(xié)議一致性測試計劃

Automotive Generalized Precision Time Protocol用于驗(yàn)證IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)于車載AVB設(shè)備的gPTP協(xié)議一致性測試，主要包括gPTP參數(shù)和配置測試，基于IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)定義的gPTP協(xié)議狀態(tài)機(jī)測試，gPTP-Bridge特定測試3部分；Endstation Test Plan for AutomotiveMedia Formats and SR Classes用于驗(yàn)證IEEE P1722標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)于車載AVB設(shè)備的AVTP協(xié)議一致性測試，主要包括AVTP通用需求測試，MPEG-TS和61883-4視頻格式測試，AVTP音頻格式測試，MJPEG和H.264壓縮視頻格式測試，音頻時鐘參考格式測試，流預(yù)留類測試等；Bridge Test Plan for Automotive SR Classes and Forwarding and Queuing用于驗(yàn)證IEEE 802.1Qav標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)于車載AVB Bridge的FQTSS協(xié)議一致性測試，主要包括端口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)測試，基于信用的整形算法驗(yàn)證測試，Bridge端口優(yōu)先級重映射測試等。由于車內(nèi)采用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，AVB流預(yù)留采用靜態(tài)配置，因此AVnu并未針對汽車AVB設(shè)備發(fā)布SRP協(xié)議一致性測試規(guī)范，故需對AVB協(xié)議配置、協(xié)議參數(shù)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

車載以太網(wǎng)AVB部件級協(xié)議一致性測試的詳細(xì)測試項(xiàng)目和測試過程以及測試判據(jù)可查閱對應(yīng)的測試計劃，其部件級測試環(huán)境的連接方式見圖5。

圖5 部件級測試連接示意圖

AVB技術(shù)的應(yīng)用是為了滿足車輛上的功能需求，為實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能需求及車輛使用場景，針對主機(jī)廠自定義的應(yīng)用需求、協(xié)議配置及系統(tǒng)的特殊要求進(jìn)行系統(tǒng)級測試至關(guān)重要，具體詳細(xì)的測試內(nèi)容與判定標(biāo)準(zhǔn)需依據(jù)主機(jī)廠設(shè)計的系統(tǒng)級測試規(guī)范，其系統(tǒng)級測試環(huán)境連接方式見圖6。

圖6 系統(tǒng)級測試連接示意圖

對于系統(tǒng)級測試，AVB節(jié)點(diǎn)的相關(guān)時間參數(shù)和同步特性同樣是測試的重點(diǎn)，包括系統(tǒng)的啟動時間、時間同步、時間抖動和延遲等測試場景，驗(yàn)證是否滿足系統(tǒng)配置需求及參數(shù)的定義、功能場景應(yīng)用需求等。

4 測試示例

本示例為AVB協(xié)議配置參數(shù)的驗(yàn)證，測試AVB系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的gPTP報文的以太網(wǎng)報文類型，目的MAC地址和VLANID是否滿足設(shè)計需求。測試前，參照圖6搭建測試環(huán)境，連接測試設(shè)備CANoe，完成CANoe軟硬件配置。

系統(tǒng)上電，使AVB系統(tǒng)處于正常運(yùn)行模式中。采用CANoe工具，進(jìn)行被測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，依次捕獲至少10幀主時鐘節(jié)點(diǎn)主端口發(fā)送的Sync報文、Follow_up報文，捕獲至少10幀從節(jié)點(diǎn)從端口發(fā)送的Pdelay_req報文，捕獲至少10幀主時鐘節(jié)點(diǎn)主端口發(fā)送的Pdelay_resp和Pdelay_Resp_Follow_Up報文，在CANoe軟件中查看捕獲的gPTP報文（Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up報文）的以太網(wǎng)幀類型是否為0x88F7，目的地址是否為01-80-C2-00-00-0E，VLANID數(shù)值是否無。如圖7所示。

圖7 gPTP報文數(shù)據(jù)信息

采用CANoe采集車載以太網(wǎng)AVB系統(tǒng)中被測節(jié)點(diǎn)的gPTP報文數(shù)據(jù)信息，查看并分析所采集的gPTP報文類型為0x88F7，目的地址為01-80-C2-00-00-0E，無VLANID數(shù)據(jù)信息，被測節(jié)點(diǎn)的該項(xiàng)測試通過。同樣，按以上所述測試要求及步驟，完成車載以太網(wǎng)AVB系統(tǒng)上各被測節(jié)點(diǎn)的Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up報文的采集、數(shù)據(jù)分析與測試結(jié)果的判定。

5 結(jié)束語

車載以太網(wǎng)AVB技術(shù)的出現(xiàn)將推動車載安全、多媒體網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，也為車內(nèi)和車間網(wǎng)絡(luò)通信提供新的思路，并且隨著基于域控（Domain）、區(qū)控（Zone）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和自動駕駛對通信的實(shí)時性、魯棒性和安全性的更高需求，AVB的升級版TSN將逐漸成為趨勢，車載以太網(wǎng)的測試也會更加偏重于應(yīng)用方面的測試。對于AVB測試方法也需要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的更新及應(yīng)用需求，不斷地改進(jìn)和完善。