車載以太網數據傳輸的時延可分為固定時延和隨機時延，固定時延有上層協議數據處理時延、鏈路數據傳輸時延等，而隨機時延與EthernetAVB協議緊密相關。因此，本文在分析EthernetAVB協議的基礎之上，將配合使用RAD_Galaxy設備監測鏈路傳輸的報文，根據實測報文的頭部信息，嘗試分析出各部分的時延信息。

從LIN、CAN、FlexRay到MOST網絡，雖然車載網絡的傳輸速率越來越高，但OTA遠程升級、360°環視影音、ADAS駕駛輔助，甚至共享租賃所需的CyberSecurity網絡信息安全等層出不窮的新功能無不呼喚著更高帶寬的車載網絡。隨著BroadR-Reach解決了傳統以太網的電磁兼容性問題，DoIP、AVB/TSN、SOME/IP等協議開始在車載以太網上大展拳腳，以太網以其高帶寬、低成本、輕量化的優勢逐步在中高端車上普及，其滲入到汽車電子各領域階層已是大勢所趨。

就像再寬的高速公路也拯救不了關卡林立的收費站一樣，任何功能在車載以太網上的移植或實現，不得不考慮網絡拓撲的變化。與傳統以CAN為主干的Bus總線型拓撲不同的是，車載以太網大多采用以交換機為樞紐的星型拓撲。無論多炫酷的功能，汽車功能及信息安全所必須的通訊實時性，都是必須守住的底線。接下來本文將重點探討如何評估車載以太網數據傳輸的時延。

車載以太網數據傳輸的時延可分為固定時延和隨機時延，固定時延有上層協議數據處理時延、鏈路數據傳輸時延等，而隨機時延與EthernetAVB協議緊密相關。因此，本文在分析EthernetAVB協議的基礎之上，將配合使用RAD_Galaxy設備監測鏈路傳輸的報文，根據實測報文的頭部信息，嘗試分析出各部分的時延信息。

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協議相關時延

EthernetAVB 核心協議有SRP（流預留協議）、FQTSS（時間敏感性流的轉發與排隊協議）、gPTP（時間同步協議）和AVTP（AVB傳輸與控制協議）。其中，車載以太網中為了降低時延，一般不會動態預留帶寬，所以暫且不用考慮SRP所產生的時延；而其余三個協議主要是流量調度產生的時延（即干擾遲滯）和時鐘同步產生的時延。

數據流量調度時延

主要包括排隊遲滯、扇入遲滯和永久遲滯這三方面，本質上，與FQTSS時間敏感性流的轉發和排隊協議有關。FQTSS是一個對緩沖區的數據進行調度的機制，其體現在令牌整形算法（CBS）方面。CBS是基于信用值的累積和消耗，特定AVB流類別的幀的信用值大于等于0時才可以傳輸，這實現了一個相對公平的傳輸環境，低優先級的數據能夠在網絡中傳輸。如圖1所示，低優先級B類數據流以及非AVB的C類數據流可以得到傳輸數據的機會。

圖1基于信用機制的令牌整形算法

排隊遲滯即不同優先級的數據流在緩沖區排隊所產生的遲滯，主要與令牌整形算法相關，如圖1所示，是A、B、C三類數據流的整形過程。

扇入遲滯是相同優先級的數據流輸入，如圖2所示，有7個端口輸入相同優先級的數據流，1個端口輸出這些數據流。最大數據量的端口要適應輸出端FIFO最大分幀長度，即在輸出端口的FIFO必須發送的字節數為最大的分幀長度容量+6*最大的幀容量FIFO。相應地，這也會導致一定的遲滯。

圖2扇入遲滯多進一出

永久遲滯作為扇入遲滯的一部分納入遲滯分析之中。在網絡中應盡量避免遲滯的出現，但一個交換機在接收具有相同帶寬的一定優先權的信息時就有可能產生遲滯，在輸出端口借助于遲滯令牌整形后允許發送信息，這種情況下，就會阻礙其他信息的發送，就會占用一定程度的緩沖區，并且在滿載狀態下不總會被消除。

圖3永久遲滯產生原理圖

如3圖所示，FIFO2的信息零星的阻礙了FIFO1信息的發送，在FIFO3中，我們發現信息3往后都遲滯了一段時間，這就是永久遲滯。

時鐘同步時延

這主要與gPTP協議有關，同時也涉及到AVTP協議。

任何給定的gPTP域中可以只有一個主時鐘，這個主時鐘為整個gPTP域設定時標。多種混合技術的LAN都可以使用單一的gPTP主時鐘作為計時基準，一個gPTP網絡中的所有節點都將共享一個公共網絡時間，該公共時間與gPTP域中的所有其他設備之間的相差不超過500ns。gPTP系統交換多種類型的報文以在整個網絡上傳播主時鐘同步基準，使用Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_ Follow_Up報文，用于補償設備之間的網絡時滯。

圖4時鐘同步鏈路時滯測量

如4圖所示，是報文交互的過程，如果鏈路時滯固定且對稱，則LINK_DELAY就是所述的鏈路時滯，gPTP域內的AVB設備很據這個鏈路時滯來同步輸出，此時的輸出就存在時延（這個時延取決于gPTP域中最大的時間偏移量），因為它們要確保同時輸出，比如說，車內音響和視頻，它們的圖像和語音要同步，為了同步輸出，必定有一方要等待另一方，即時延規范化（其中AVTP Listener的緩存區必須足夠大以容納時延，這個緩存量足以規范由網絡跳數不同所產生的時延差）如5圖所示，音響的數據傳輸要經過七跳，而視頻的數據傳輸只需經過兩跳，假設其他條件一樣，很明顯，視頻數據流需等待音頻數據流，兩者同步輸出。

圖5同步輸出

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網絡時延測量

測量工具選擇英特佩斯RAD_Galaxy，如圖6所示，作為支持標準8線千兆以太網網關工具，RAD_Galaxy可以使標準以太網設備、電腦、或者數據記錄儀兼容BroadR-Reach。它包含12個BroadR-Reach收發器芯片（PHYs），最高可監控6路網絡，可插入到6對BroadR-Reach節點或6個BroadR-Reach節點和交換機之間，監控鏈路上報文的傳輸情況。

圖6 英特佩斯RAD_Galaxy

如圖7所示，Galaxy有三種路由旁通方式：1）PHY層路由：低時延；2）MAC層路由：錯誤幀過濾；3）軟路由：靈活配置。只通過PHY層時，相當于一個簡單的轉發過程，所有的報文，包括錯誤幀都會發出來，而通過MAC層路由時，會簡單分析一下它的報頭，過濾掉大部分錯誤幀，當軟路由時，經過的OSI上層，報文會被完整的“分析”一遍，相應的，時延也就增大了。

圖7 RAD_Galaxy路由旁通方式

我們搭建了一個360°環視系統試驗臺，如圖8所示，將Galaxy加到360°環視系統中，相當于原先的每條完整的線路被分成兩段，接到Galaxy的成對的博通以太網接口中，而電腦中上位機軟件通過RJ45千兆以太網連到Galaxy的控制端口。

圖8 360°環視系統試驗臺

在VehicleSpy軟件中，設置設備的TAP測量模式，然后運行在監控模式下，如圖9所示，可以分析各報文的頭部信息，尤其是時間戳的信息。

圖9 報文信息

綜上，通過Galaxy設備的測量記錄，按照AVB協議對報文進行分析，便可以知道搭建的網絡中各數據流時延的分布，能夠準確的評估被測系統的各網段時延，幫助網絡測試工程師定位以太網控制器時延相關的問題。