LAS16-409: Time Sensitive Networking kernel modifications for automotive industrial
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來源：投影时代 作者：天创数码
在傳統的音響系統裡，聲音信號是類比信號，它的振幅具有隨時間連續變化的特性。對類比音頻信號進行處理、儲存和傳送都會引入噪聲和信號失真，並且隨著複製次數的增加，每次都會加入新的噪聲和失真，信號品質會越來越差。而數位音頻技術的出現，解決了上述類比信號中的諸多問題。
數位音頻技術，是把類比音頻信號，變換為振幅不變的脈衝信號，音頻信號的資料量，全部包含在脈衝編碼調制(Pulse Code Modulation，PCM)中。各種處理設備引入的噪聲和產生的失真與數位訊息完全分離。因此，數位音頻信號具有：複製不走樣、抗干擾能力強、動態範圍大、可遠距離傳輸、可以遠端監控等優點。
現如今，數位音頻信號還可以融入到網路傳輸系統中，在一條傳輸線路上，同時實行多路音頻信號的傳輸，大大節省了傳輸運行成本，簡化了傳輸線路。
音頻信號的數位化
將類比信號轉換成數位信號，需要對類比信號進行一系列的處理，如圖1所示，先對類比信號進行採樣，再經過低通濾波器，去除掉採樣中產生的高頻失真，透過量化將採樣後的數值調整為整數，再經過二進制編碼後生成數位信號。
圖1 音頻信號的數位化
採樣，是每隔一定的時間間隔，抽取信號的瞬時幅度值。每一秒鐘所採樣的次數叫做採樣頻率。以CD為例，採樣頻率為44.1kHz，即1秒鐘對類比信號進行了44100次取值，如圖2b所示，採樣後的信號變成了多個密布的點。採樣頻率越高，抽取的點密度越高，信號也就越精
圖2a原類比信號頻譜
圖2b採樣後的頻譜
在圖2b中採樣過後的信號，除了原始頻譜之外，還會額外產生一些高頻的失真，形成新的頻譜。這些失真的頻譜以nfu(n為正整數)為中心、左右對稱，它的頻譜分布與原信號的頻譜形狀相同。採用低通濾波器(LPF)，把新增加的多餘的頻譜濾掉，就可以恢復原信號的頻譜。
根據奈奎斯特(Nyquist)採樣定理：採樣頻率fs大於或等於採樣信號最高頻率fu的2倍，就可以透過低通濾波器，恢復無失真的原始信號。如果fs<2fu span="">
圖3 頻譜混疊失真
因此採樣頻率fs，必須大於原信號中最高頻率的2倍以上，新增加的頻譜與原信號的頻譜，才不會相互疊加。例如，人耳的聽音頻率上限是20kHz，採樣頻率最低應為40kHz。
但低通濾波器有一定的截止邊沿寬度，是按一定規律逐步對信號衰減濾除的，為了較好的防止產生高頻失真，通常fs=(2.1~2.5) fu。CD的採樣頻率是44.1kHz，它等於20kHz的2.205倍。
但低通濾波器有一定的截止邊沿寬度，是按一定規律逐步對信號衰減濾除的，為了較好的防止產生高頻失真，通常fs=(2.1~2.5) fu。CD的採樣頻率是44.1kHz，它等於20kHz的2.205倍。
採樣後的振幅值並不是整數，且是隨機變化的。還需要將這些隨機變化的振幅值，透過四捨五入的方法，將其變換為能用二進制數列來表達的數值，這個過程就是量化，單位是bit(比特)，如圖4中採樣和量化所示。採樣值是6.4的幅值量化後取整數6，採樣值是3.6的幅值量化後取整數4。
圖4 A/D轉換的三個步驟
將量化後的二進制數組，按照時間順序排列成，可以順序傳送的脈衝序列，這個過程就是編碼。由於數位電路以開關的通和斷(1和0)兩種狀態為基礎，可以大大簡化數位電路的運算，因此二進制編碼，在數位技術中獲得了廣泛的應用。
圖5 量化誤差與量化位數的關係
量化級數越多，量化誤差就越小，聲音質量就越好，如圖5所示，3bit是23個二進制數，6bit是26個二進制數。對於音頻信號，由於動態範圍較大，而且要求的信噪比又高，所以量化的取值大一些，通常為16bit，甚至20-24bit。
乙太網的傳輸方式
乙太網創建於1980年，它是一種可以在互連設備之間，相互傳送數據的技術。發展至今日，因它具有成本低、速率快、可靠性高等特點被廣泛的應用。
我們可以透過乙太網傳送Email、圖片、聲音、影像等等。乙太網路使用CSMA/CD(載波監聽多路訪問及衝突檢測)技術，是一種爭用型的媒介訪問控制協議。
它的工作原理是: 發送數據前先偵聽信道是否空閒 ，若空閒，則立即發送數據。若信道忙碌，則等待一段時間，至信道中的信息傳輸結束後，再發送數據；若在上一段訊息發送結束後，同時有兩個或兩個以上的節點，都提出發送請求，則判定為衝突。若偵聽到衝突，則立即停止發送數據，等待一段隨機時間，再重新嘗試。
我們稱這種傳輸機制為「Best Effort」(盡力而為)，也就是說當數據抵達端口後，本著FlFO(先入先出)的原則轉發。不對數據進行分類，當數據進入端口的速度，大於端口能發送的速度時，FIFO按數據到達端口的先後順序，讓數據進入隊列，同時，在出口讓數據按進隊的順序出隊，先進的數據將先出隊，後進的數據將後出隊。
採用CSMA/CD控制方式的特點是：原理比較簡單，技術上容易實現，網路中各工作站處於平等地位 ，不需集中控制，不提供優先級控制。
在乙太網中，我們經常會遇到「頻寬」一詞，它是指在單位時間(一般指的是1秒鐘)內能傳輸的數據量。也就是在規定時間內，從一端流到另一端的資料量，即數據傳輸率。
數位數據流的基本單位是bit(比特)，時間的基本單位是s(秒)，因此bit/s(比特/秒，也用bps表示)是描述頻寬的單位，1bit/s是頻寬的基本單位。不難想象，以1bit/s的速率，進行通信是非常緩慢的。
幸好我們可以使用通信速率很快的設備，比如56k的調制解調器，利用電話線撥號上網，其頻寬是56000bit/s(1k=1000bit/s), 電信ADSL寬頻上網在512kbit/s至100Mbit/s之間，而現如今的乙太網則可以輕鬆達到100Mbit/s以上(1Mbit/s=1000*1000bit/s=1,000,000bit/s)。
以千兆網(1Gbit/s)為例：假如說交換機的端口頻寬是1Gbit/s，也就是1000,000,000bit/s，則說明每秒可傳輸1000,000,000個二進制的「位」，那麼1bit所佔用的時間是1÷1000,000,000=1ns。也就是每個二進制位(1bit)之間的時間，間隔大於1ns時，就不會發成衝突，如圖6所示。
圖6
但在乙太網傳輸中，並不是以二進制位(bit)來傳輸的，而是以「幀」為單位的。如圖7所示，在一幀中至少包含了46Byte(字節)的數據，那麼一個最小的乙太網幀是72Byte；如果一幀中包含的最大數據是1500Byte，那麼一個最大的乙太網幀是1526Byte。
圖7 乙太網幀結構
網路設備和組件，在接收一個幀之後，需要一段短暫的時間來恢復，並為接收下一幀做準備，也就是相鄰兩幀之間，是有一個間隙的，IFG(Interframe Gap)幀間距。IFG的最小值是12Byte，如圖8所示。
圖8
我們假設這兩幀數據，在千兆網(1Gbit/s)內傳輸，那麼兩幀之間的時間，間隔大於96ns就不會發生衝突。
隨著網路頻寬的提升，千兆網在傳統乙太網的基礎上，對幀的數據量做出了一定的修改。採用了載波延伸(Gamier Extension)的方法，將最小字節擴展到512Byte，即凡是發送幀長不足512Byte時，就填充特殊字符(0F)補足。
當許多短幀需要發送時，如果每一幀都擴展為512Byte，會造成資源的巨大浪費。因此又設定了幀突發(Frame Bursting)的方法，可以解決此問題，第一個短幀使用載波延伸，一旦發送成功，則隨後的短幀連續發送直到1500Byte為止。此期間由於線路始終處於「忙」的狀態，不會有其它站點搶佔信道。
傳統乙太網如何傳輸級時數據流(音、視訊流)
乙太網通過RTP(Real-time Transport Protocol)即時傳輸協議，為數據提供了，具有即時特徵的端對端傳送服務。RTP 本身並不能保證傳送，也不能保證防止無序傳送。因此，想要對所有的數據流進行排序，就離不開對數據的緩衝(Buffer)。
但是，一旦採用緩衝的機制，就又會帶來新的問題——延時。所以我們在網路上聽歌、看電影的時候，都會緩衝後才開始播放。但這個緩衝時間，在專業音、視訊傳輸領域裡，是不能被接受的。
數位音頻信號對乙太網的要求
我們以CD為例，它的採樣頻率是44.1kHz，量化位數是16bit。每次採樣的時間是1÷44.1×1000≈22.7μs。我們對聲音的要求是連續不間斷的，也就是要求每個採樣下的數據傳輸間隔，不能大於22.7μs。
而在千兆網(1Gbit/s)裡，兩幀之間的最小時間間隔只有96ns，遠小於我們所要求的22.7μs，那麼在這個頻寬下，我們是完全可以傳輸連續不間斷的音頻信號的。
如果我們在1Mbit/s的頻寬下傳輸數據，那麼1bit所佔用的時間是1÷1,000,000=1μs，兩幀之間的間隔是96μs，這時候如果傳輸CD數位音頻信號，就會存在斷斷續續的問題了。
從上面兩個例子不難看出，只要網速足夠快，也就是網路有足夠的頻寬，我們就可以很順利的在網路上，傳輸數位音頻信號。但大多數情況下，由於頻寬通常是由多個設備共享的，我們不單單只用它，去傳輸一路數位音頻信號，我們會同時傳送多路數位音頻信號，還會傳輸郵件、網頁、圖片等等其它的數據。而所有的發送端，沒有基於時間的流量控制，那麼這些發送端永遠是盡最大可能發送數據。
這樣來自不同設備的數據流，就會在時間上產生重疊，即我們前文所說的衝突。這一定會影響數位音頻信號的傳輸，為了改善這種傳輸機制，提高部分數據傳輸效率，乙太網透過QoS優先機制進行轉發，可以保證一部分數據的傳輸。
什麼是QoS
QoS(Quality of Service)是服務品質的簡稱，它包括保證傳輸的頻寬，降低傳輸的延時，降低數據的丟失率，以及延時抖動等。按照其工作的能力可分為以下幾種模型：
1、DiffServ(Differentiated Service，區分服務)模型，根據服務要求對不同業務的數據進行分類，對數據按類進行優先級標記，然後有差別地提供服務。先行轉發優先級高的數據，並將優先級低的數據做端口緩存，待網路中無高級別數據時，再轉發低級別數據，如圖9所示。
圖9
AVB 標準定義了兩個流量類型，A類和B類。A類流優先級是5，B類流優先級是4，這兩種數據相比較，A類數據流會被先行轉發。
圖10
2、IntServ(Integrated Service，綜合服務)模型，在節點發送數據前，需要向網路申請資源預留，確保網路能夠滿足數據流的特定服務要求。它可以提供保證服務和負載控制服務兩種服務。保證服務，提供保證的延遲和頻寬，來滿足應用程序的要求；負載控制服務，保證即使在網路過載的情況下，也能對數據提供，與網路未過載時類似的服務。
在網路中大量的數據，極有可能在一瞬間抵達端口，保證服務如果要為每一個數據流，提供QoS服務就變得不可想像了。因此，IntServ模型很難獨立應用於大規模的網路，需要與流量整形(Traffic Shaping)結合使用。
流量整形(Traffic Shaping)
流量整形是為了避免在乙太網中，發生丟棄數據的情況，通常採用漏桶算法(Leaky Bucket)來完成流量整形或速率限制(Rate Limiting)。它的主要目的是控制數據注入到網路的速率，平滑網路上的突發流量。
圖11流量整形示意圖
漏桶算法提供了一種機制，通過它突發流量可以被整形，以便為網路提供一個穩定的流量。在概念上，漏桶算法可以作如下理解：到達的數據被放置在底部，具有漏孔的桶中(數據緩存)；數據從漏桶中漏出，以常量速率注入網路，因此平滑了突發流量，如圖12所示。
圖12漏桶算法
主機在每經過一個時間間隔，向網路輸出一個數據包，因此產生了一致的數據流，平滑了突發的流量。AVB 標準定義了兩個流量類型，A類和B類。A類的時間間隔為125μs，B類的時間間隔為250μs。A類要求流具有更緊密的等待時間，並且具有較短的觀察間隔，這意味著其數據包更小，並且更頻繁地傳輸。
圖13
當數據流具有相同尺寸的時候，每個時間間隔，傳輸一個數據的工作機制，沒有任何問題。但對於可變長度的數據來說，這種工作機制可能存在一點問題，此時，最好每個時間間隔，傳輸固定數目的字節。
AVB有兩種流格式：AM824和AAF。AM824支持24bit音頻，iec60958音頻編碼(SPDIF和AES3)，SMPTE時間碼和MIDI。對於發送端AM824有三個選項「non-blocking(sync)」、「non-blocking(aync)」和「blocking」。
AM824(non-blocking，synchronous)，典型的AVB音頻設備，使用此模式進行傳輸。每個觀察週期發送一幀，每個乙太網幀總發送相同數量的採樣，在48kHz採樣時，每幀包含6個採樣；在96kHz時，每幀包含12個採樣。
AM824 (non-blocking, async packetization)，此模式由於打包器和發送器的觀測間隔不同步，有可能發送一個臨時的乙太網幀，其中包含一個或多個採樣。一個打包器處理多個時鐘域的設備，通常採用此格式。因為它可以發送臨時的乙太網幀，在48kHz採樣時，每幀包含7個採樣；在96kHz時，每幀包含13個採樣，它需要預留足夠的頻寬。蘋果Mac採用此模式。
AM824 (blocking)是一些火線設備使用的模式，因為它更容易打包和拆包。在48kHz採樣時，每幀包含8個採樣；在96kHz時，每幀包含16個採樣。
AAF是IEEE p1722a中，定義的新的打包格式。它比AM824開銷低，要求數據流中，每個幀具有相同的大小和格式，並允許16bit、24bit和32bit的量化，以及每個幀的採樣數量選擇。每個幀的大小和格式總是相同的。
圖14
從圖14中我們可以看出幾個典型的AVB流在萬兆網(10Gbps)中的傳輸規律。比如：48kHz採樣32bit的立體聲音頻流，實際需要的頻寬大約是3Mbps，採用Class A的傳輸間隔，1秒鐘發送8000組數據(1÷8000=0.000125s=125μs)，其中每組數據最多由80個幀組成。
如果每幀都按照最大數據來傳輸，在前文中提到過最大幀是1526Byte(如圖7中所示)，再加上每幀的幀間隔12Byte，共1538Byte，相當於12,304bit(1Byte=8bit)，每組80個幀相當於12,304×80=984，320bit，每秒傳輸8000組相當於984,320×8000=7,874,560,000bit/s≈7.87Mbps。那麼在10Gbps的頻寬下，如果保留75%的頻寬用於傳輸AVB流，可以傳輸952個這樣的數據流。
AVB可以實現全雙工的工作模式，每幀的數據量和傳輸的數據類型有關，也和時間間隔有關，從圖14中不難看出，不同類型的數據所佔用的字節，並不是一個絕對的固定值。
流量整形固定了級時數據流(音、視訊流)的發送時間間隔和幀大小，當傳統的異步乙太網數據流(郵件、網頁等)進入網路時，會不會對即時數據流有所影響呢？
802.1Qav：排隊及轉發協議(Queuing and Forwarding Protocol，簡稱Qav)
Qav協議的作用是確保傳統的異步乙太網數據流，不會干擾到AVB的即時數據流。AVB交換機把收到的各種數據分類，分別進入不同的轉發隊列，並重新賦予優先級，其中即時音視訊流數據擁有最高優先級。為了避免衝突需要兩種調度算法，一種是基於可信因子的整形算法CBS(credit based shaper transmission selection algorithm)，一種是嚴格的優先級選擇算法。各種不同的普通數據，按照嚴格的優先級算法進行調度，當與流數據發生衝突時，則調用CBS算法。
對時間敏感的即時數據流，轉發採用偽同步模式(Pseudo-synchronous)，這個機制依賴於精準時間同步協議(PTP)提供的8kHz時鐘。
在每隔125μs的時間間隙(1÷8000=0.000125s=125μs)，包含AVB數據的乙太網等時幀，就會被進行轉發。在優先保證等時幀數據傳輸的條件下，繼續提供普通異步傳輸的服務，這就是Qav的優先級管理(Prioritize)及流量整形(Traffic Shaping)。
當數據經過多個交換機進行傳輸時，即使在相同的頻寬下，也會因為路徑不同，導致傳輸時間的偏差，如何保證在整個網路裡，都具備相同的時間間隔呢？還需要一個時鐘同步機制，將網路中的所有設備，同步到相同的時鐘上，來提高AVB流量整形的精準度。
802.1AS：精準時間同步協議(Precision Time Protocol，簡稱PTP)
時鐘同步的目的，是維護一個全局一致的物理或邏輯時鐘，或者說把分布在各地的時鐘對準(同步起來)，使得系統中的資訊、事件有一個全局一致的解釋。
IEEE802.1AS採用點對點的工作模式，時間同步過程只在相鄰設備之間進行，設備自己透過外帶方式，實現接口之間的時間同步，不經過內部交換板。它定義了主時鐘選擇與協商算法、路徑延時測算與補償算法、以及時鐘頻率匹配與調節的機制，可用於生成時鐘，以及對網路音視運系統的修復。
PTP定義了一個自動協商網路主時鐘的方法，即最優主時鐘算法(Best Master Clock Algorithm，簡稱BMCA)。BMCA定義了底層的協商和信令機制，用於標識出AVB局域網內的主時鐘(Grandmaster)。
IEEE802.1AS的核心，在於時間戳機制(Timestamping)。PTP資訊在進出具備IEEE802.1AS功能的端口時，會根據協議觸發對本地即時時鐘(RTC)的採樣，將自己的RTC值，與來自該端口相對應的主時鐘(Master)的資訊進行比較，利用路徑延遲測算和補償技術，將其RTC時鐘值，匹配到PTP域的時間。
當PTP同步機制覆蓋了整個AVB局域網，各網路節點設備間，就可以透過週期性的PTP資訊，交換精確的即時時鐘調整，和頻率匹配算法。最終，所有的PTP節點，都將同步到相同的「掛鐘」(Wall Clock)時間，即Grandmaster時間。資訊交換過程如下：
1. Master發送Sync資訊，記下該資訊的本地發送時間t1。
2. Slave接收到Sync資訊，並記下其接收到該資訊的本地時間t2。
3. Master有兩種方式告訴Slave該Sync資訊的發送時間t1。
1) 將t1時間嵌入到Sync資訊中，這需要某種硬體處理，以獲得高精度。
2)在後續的Follow_Up資訊中發送
4. Slave發送Delay_Req資訊往Master，並記下發送時間t3。
5. Master接收到Delay_Req，並記下該資訊到達時間t4。
6. Master發送Delay_Resp資訊告知Slave t4。
利用這四個時間，可以算出Master和Slave之間的時鐘差值，前提是鏈路是對稱的，即發送和接收延時一樣。計算公式為：
offset = ((t2 - t1) - (t4 - t3))/2
one_way_delay = ((t2 - t1) + (t4 - t3))/2
圖15
在最大7跳的網路環境中，理論上PTP能夠保證時鐘同步，誤差在1μs以內。由於串行連接交換機，會影響延時的對稱性，使同步精度降低，因此在構架AVB網路時，建議採用對稱的鏈路設計。
一旦主時鐘被選定，所有局域網節點的PTP設備，將以此主時鐘為參考值，如果Grandmaster發生變化，整個AVB網路也能透過BMCA，在最短時間內確定新的主時鐘，確保整個網路保持時間同步。
該標準所規範的協議，嚴格保證了級時數據流，在基於乙太網延時固定，或對稱的傳輸媒介中的同步傳送。其內容包括在網路正常運行或添加、移除，或重新配置網路組件和網路故障時，對時間同步機制的維護，為乙太網提供完美的低延遲、低抖動的時鐘，保證高品質的頻寬，使服務快速抵達。
在確保了時間精準之後，如果頻寬不充足會導致漏桶很快存滿，並且有數據溢出，如果是音、視頻數據溢出被丟棄，就會出現斷斷續續的問題，還有可能丟失掉一部分聲音或畫面，因此我們還需要保證，有足夠的頻寬可以傳輸級時音視訊數據流。
802.1Qat：流預留協議(Stream Reservation Protocol，簡稱SRP)
為了提供有保障的QoS，流預留協議確保了即時數據流設備間，端到端的頻寬可用性。如果所需的路徑頻寬可用，整個路徑上的所有設備(包括交換機和終端設備)，將會對此資源進行鎖定。
符合SRP標準的交換機，能夠將整個網路可用頻寬資源的75%，用於AVB鏈路，剩下25%的頻寬留給傳統的乙太網流量。
在SRP中，流服務的提供者叫做Talker，流服務的接收者叫做Listener。同一個Talker提供的流服務，可同時被多個Listener接收，SRP允許只保障從Talker到Listener的單向數據流流動。
只要從Talker到多個Listener中的，任意一條路徑上的頻寬資源，能夠協商並鎖定，Talker就可以開始提供即時數據流傳輸服務。
SRP內部週期性的狀態機制，維護著Talker及Listener的註冊資訊，能夠動態的對網路節點狀態進行監測，並更新其內部註冊資訊數據庫，以適應網路拓撲的動態改變。
無論Talker還是Listener，都可以隨時加入或者離開AVB的網路，而不會對AVB網路的整體功能和狀態，造成不可恢復的影響。
1722：音視頻橋接傳輸協議(Audio/Video Bridging TransportProtocol，簡稱AVBTP)
AVBTP定義了局域網內，提供即時數據流服務，所需的二層數據格式，即時數據流的建立、控制及關閉協議。
AVBTP為物理上分隔的音、視訊編解碼器之間，建立了一條帶有低延遲的虛擬鏈路。
各種壓縮的與非壓縮的原始音訊、視訊數據，流經由AVBTP協議進行打包(填充由SRP保留的流ID，打上PTP產生的時間戳，以及媒體類型等相關資訊)，透過AVBTP專用的乙太網幀類型進行組播，從流服務的提供者(Talker)發出，由AVB交換機進行轉發，再被註冊過此即時數據流服務的接收者(Listener)接收並解包、解碼然後輸出。
AVBTP每125μs發送一次這個幀，它總是相同大小的數據流。每個流中可以由1-60個通道組成，最多可支持64個流。
AVB——乙太網音視訓橋接技術(Ethernet Audio Video Bridging)是IEEE的802.1任務組，於2005開始制訂的一套基於新的乙太網架構的協議，用於即時音視訊的傳輸協議集。除了以上描述的相關協議之外，還包括：
802.1BA：音視訊橋接系統(Audio Video Bridging Systems)
AVB系統標準定義了一系列，在生產製造AVB相容設備過程中，使用的預設值和設定，使得不具備網路經驗的用戶也能夠去建立、使用AVB網路，而不必對其進行繁瑣的配置。
1733：即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，簡稱RTP)
RTP是一種基於三層UDP/IP網路的協議，為了在基於IP的三層應用上利用二層AVB的性能，IEEE 1733對RTP進行了擴展，在透過橋接及路由的局域網內，提供時間同步、延遲保障和頻寬預留的服務，以提供即時數據頻流的傳輸。其中涉及到封包格式，流的建立、控制、同步及關閉等協議。
1722.1：負責設備搜尋、列舉、連接管理、以及基於1722的設備之間的相互控制。用於AVB設備的發現，枚舉，連接管理，固件升級等。
TSN (Time Sensitive Network)時間敏感網路IEEE 802.1任務組，在2012年11月的時候，正式將AVB更名為TSN——Time Sensitive Network時間敏感網路。也就是說，AVB只是TSN中的一個應用。
此外，TSN還應用在汽車控制領域、商用電子領域、即時監控或即時c饋的工業領域。
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