基于環(huán)視系統(tǒng)的車載以太網(wǎng)時延評估與分析

張 宇，高雅潔，薛燕芳，黃 晨，洪 俊

(1.上海汽車集團商用車技術(shù)中心，上海 200082；2.上海蔚赫信息科技有限公司，上海 201102；3.江蘇大學 汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

車載以太網(wǎng)受到汽車行業(yè)內(nèi)部及通訊技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，娛樂系統(tǒng)和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)對傳輸帶寬的迫切需求推動了以太網(wǎng)介入汽車網(wǎng)絡的進程[1-2].在車載網(wǎng)絡有限的帶寬資源內(nèi)，越來越多的網(wǎng)絡節(jié)點使得各類數(shù)據(jù)在傳輸過程中必定存在時延，因此，不管是傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡還是新興的車載以太網(wǎng)，時延無疑是最基本的問題[3-6]，也是車載系統(tǒng)需要解決的核心問題，很多學者對此展開研究[7-13].

文獻[7]全方面對比分析了AVB和AFDX，指出AVB可以滿足工業(yè)以太網(wǎng)的實時性要求.文獻[8]著重對比分析了AVB和TTE協(xié)議的各方面內(nèi)容，基于它們的整形和排隊機制，并通過研究所搭建的硬件測試模型，指出它們在汽車上具有很大的應用前景.李海寧[9]通過在數(shù)據(jù)傳輸段添加標志位，利用示波器同時對兩個數(shù)據(jù)傳輸鏈路進行波形觀測，檢測鏈路傳輸總延遲時間.李冀川等[11]受PTP協(xié)議啟發(fā)，設計了一種反射式的網(wǎng)絡傳輸延遲測試方法.文獻[12]給出一個AVB應用實例，是麥克風輸入與擴音器輸出，中間主要是兩類處理器，比較這兩類處理器的時延.文獻[13]提及到Vehicle Spy和CANoe這兩個測試工具，并在這基礎上搭建了仿真平臺，做了數(shù)據(jù)分析.由此可見，車載以太網(wǎng)有很好的發(fā)展前景，同時也帶來了測試方面的問題，雖然時延測試方面有很多研究，但是其不足之處在于，是通過配置腳本報文實現(xiàn)，其通用性并不是很強.

1 協(xié)議概述

從歷史上看，由于分組傳輸?shù)牟淮_定性，汽車多媒體應用要避免使用分組交換網(wǎng)絡的實現(xiàn).IEEE AVB任務組解決了這個問題，他們?yōu)槠囍械哪切┑蜁r延應用開發(fā)了一個基于標準的高可靠分組網(wǎng)絡.由于有線以太網(wǎng)布線簡單可靠，非常適合通過AVB協(xié)議用在汽車部署中，AVnu聯(lián)盟的主要市場焦點是成功將AVB部署在汽車空間的流媒體音視頻應用中[2].

1.1 IEEE802.1Qat流預留協(xié)議

SRP通常被稱為IEEE802.1Qat-2010(或“Qat”)標準，整體納入到IEEE802.1Q標準中.SRP是一個許可控制機制，負責保證數(shù)據(jù)傳輸開始前，任何A/V流的發(fā)送方和接受方的整條路徑上有足夠的帶寬，SRP負責在整個二層橋接(交換)網(wǎng)絡上配置預留帶寬.但是汽車行業(yè)的當前趨勢是不使用SRP，而是靜態(tài)預配置預留帶寬.這并不是意味著汽車AVB網(wǎng)絡不需要流預留，而是因為汽車網(wǎng)絡屬于封閉系統(tǒng)，其帶寬能力和流帶寬要求都是已知的，利用一個協(xié)議來動態(tài)協(xié)商帶寬預留得到的結(jié)果始終相同，而這樣做反而使效率會很低，在汽車應用中，通過配置端點和交換機上的相關(guān)資源，可在接通電源時取消流預留[2].

帶寬預留：① 包含時間敏感性流的帶寬預留協(xié)議MSRP；② 定義延遲的邊界和A，B類流量的優(yōu)先級；③ 在每個端口上為每類流量預留整條路徑的帶寬資源；④ AVB流量的帶寬預留比例可以達到75%，剩下的帶寬可用于最大努力流.

如圖1所示，帶寬預留成功，Talker聲明注冊，Listener響應Ready.

圖1 帶寬預留成功

預留失敗原因有兩種：原因1如圖2所示，其時延超出范圍，Listener響應Not Ready；原因2如圖3所示，其帶寬不足，Talker聲明注冊失敗.

圖2 帶寬預留失敗(1)

圖3 帶寬預留失敗(2)

1.2 IEEE802.1AS精準時間同步協(xié)議

為了創(chuàng)建一個側(cè)重于以太網(wǎng)時間敏感性應用(比如音頻和視頻)的簡單并且易于管理的標準，IEEE802設立了IEEE802.1AS任務組.由于是基于先前的IEEE1588工作成果進行設計，IEEE802.1AS(被稱為“廣義的精確時間協(xié)議”或簡稱“gPTP”)是IEEE1588的PTP模式的一個專屬子集，這是其同步模式的核心象征[2].

在gPTP LAN中，有一個節(jié)點被指定為主時鐘，并擔任整個gPTP域/子網(wǎng)的主計時器，主時鐘可以手動選擇也可以預先指定.

BMCA是gPTP的主時鐘選擇機制.選擇算法啟動時，所有可以成為主時鐘的端點都會參與“競選”，除了選擇網(wǎng)絡的主時鐘之外，這個算法還用于確定以主時鐘為根的時間同步樹的范圍(gPTP域或子網(wǎng)).在每一個gPTP鏈路對中，一個設備擔任ClockMaster，另一個則是Clockslave，這種主/從關(guān)系適用于整個分層gPTP域，并以主時鐘為最高級.

最佳主時鐘算法如圖4所示，每個AVB設備都會廣播發(fā)送announce報文，將自身的時鐘質(zhì)量信息放在報文中，當一個AVB設備接收到其他AVB設備的announce報文時，會比較自身和所接收到的AVB設備的時鐘質(zhì)量，如果自身的時鐘質(zhì)量更佳，則繼續(xù)廣播發(fā)送報文，反之則停止發(fā)送報文，最終整個gPTP域上只有一個announce報文，此時可以確定主/從時鐘.

圖4 最佳主時鐘選擇機制

在確定主時鐘后，在初始階段進行鏈路時滯的測量，如圖5所示.

圖5 時鐘同步與鏈路時滯測量

主時鐘發(fā)送PDelayRequest報文，從時鐘收到該報文后響應PDelayResponse報文，緊接著將T2，T3打包進PDelayRespFollowUp報文，發(fā)送至主時鐘，計算確定鏈路時滯，之后進行時鐘同步，且每125 ms會有一次時鐘同步，如圖5所示.由主時鐘發(fā)送同步報文Sync至從時鐘，同時將發(fā)送報文的時間戳打包在Follow_Up報文中，發(fā)送至從時鐘進行時間同步.

1.3 IEEE802.1Qav隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

盡管在AVB問世之前，IEEE802.1Q網(wǎng)絡就已具備優(yōu)先級和轉(zhuǎn)發(fā)能力，但及時傳遞只能通過非常仔細且繁冗的計劃和準備來保證.AVB在IEEE802.1Q的現(xiàn)有能力之上構(gòu)建，定義了VLAN優(yōu)先級標簽之間的緊密關(guān)系以及端點和交換機間合成幀的轉(zhuǎn)發(fā)行為，允許網(wǎng)絡架構(gòu)師依賴具有保證和界限時延的音視頻傳輸.

實現(xiàn)這一功能的條件：一方面是通過流預留協(xié)議(SRP)增加許可控制；另一方面要求是流量整形機制.

CBS流量整形機制如圖6所示，圖中有A類、B類、和C類(非AVB流)數(shù)據(jù)流，A類數(shù)據(jù)流優(yōu)先級最高，B類其次，C類最低，當A，B類的信用值大于等于0時，才可以傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，其信用值也在下降；當A，B類信用值都大于0時，A類數(shù)據(jù)先傳輸；當鏈路上有A，B類數(shù)據(jù)處于等待傳輸?shù)臓顟B(tài)，其信用值是隨時間增加的；C類數(shù)據(jù)只有在鏈路處于空閑狀態(tài)時才能夠傳輸；每類數(shù)據(jù)的傳輸并不能被打斷，只有當傳輸完完整的一幀數(shù)據(jù)時才能夠被打斷.通過流量整形實現(xiàn)一個公平機制，所有數(shù)據(jù)都可以傳輸.

圖6 CBS流量整形機制

1.4 IEEE1722音視頻傳輸與控制協(xié)議

IEEE1722為時間敏感性應用，定義了以AVTP為核心的二層傳輸協(xié)議，AVTP用在支持gPTP，SRP和FQTSS協(xié)議的網(wǎng)絡中，且AVTP能夠傳輸音視頻的數(shù)據(jù)和時間信息.流AVTPDU幀組成結(jié)構(gòu)，如圖7所示.

圖7 流AVTPDU結(jié)構(gòu)示意圖

圖7中CD：區(qū)分流報頭還是控制報頭；子類型：標識AVTP攜帶的協(xié)議(各協(xié)議決定如何將報文封裝在AVTP幀內(nèi)；SV：標識Stream_id是否有效；版本：AVTP版本；type_specific_data：依據(jù)控制AVTPDU或流AVTPDU幀而改變；Stream_id：流地址.type_specific_data的結(jié)構(gòu)不同，其他一樣；control_data：高層命令代碼等；Status：幀的狀態(tài)(具體意義由協(xié)議決定)；control_data_length(bytes)：表明AVTPDU凈荷長度.Mr：表示媒體時鐘的源設備發(fā)生了變化，不是真假標記，而是作為邊沿觸發(fā)，每次Mr比特切換時，表明時鐘源發(fā)生變化；r:預留；gv:表示gataway_info字段是否有效；tv：表示avtp_timestamp字段是否有效；Sequence_num：關(guān)聯(lián)AVTP流量的連續(xù)幀，每傳輸完一個幀，Talker將該字段值加1，達到OXFF后重置為OX00；tu:若gPTP系統(tǒng)有嚴重問題，值為1，表明時間戳可能不能全球同步；avtp_timestamp：包含媒體的顯示時間；Gataway_info: AVTP網(wǎng)關(guān)使用，橋接IEEE1394設備.

2 試 驗

通過英特佩斯RAD_Galaxy建立車載以太網(wǎng)仿真系統(tǒng)，在Vehicle Spy中監(jiān)控和采集總線數(shù)據(jù)，最后結(jié)合Wireshark分析數(shù)據(jù)傳輸時延.

2.1 試驗主要設備

試驗臺設備如表1所示，其中主要設備是BMW G38的360°環(huán)視系統(tǒng)、測試設備RAD_Galaxy和對應軟件Vehicle Spy.

表1 試驗設備匯總表

BMW G38 360°環(huán)視系統(tǒng)主要由兩部分組成：4個以太網(wǎng)攝像頭和環(huán)視主機，如圖8所示.以太網(wǎng)攝像頭將高清數(shù)據(jù)通過百兆以太網(wǎng)傳輸給環(huán)視主機，主機一旦捕捉到視頻圖像，將會對圖像進行畸變校正、縮放、拼接和整合壓縮處理，然后通過以太網(wǎng)非屏蔽雙絞線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)交換機上，經(jīng)由交換機再轉(zhuǎn)發(fā)至后面的顯示屏上.

圖8 BMW G38的環(huán)視系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

Galaxy作為EthernetSwitch以及Ethernet-CAN總線網(wǎng)關(guān)，同時作為Ethernet，CAN總線的監(jiān)控采集設備；PC端使用VehicleSpy軟件進行總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控和發(fā)送，同時用于分析數(shù)據(jù)的延時；在上汽提供車載信息娛樂和360°環(huán)視安全輔助系統(tǒng)等相關(guān)信息基礎上，完成仿真系統(tǒng)的搭建，如圖9所示.RAD-Galaxy有12個BroadR-Reach端口，最多可同時監(jiān)控6路車載以太網(wǎng)通訊內(nèi)容.基于Active TAP模式，可測量6對BroadR-Reach端口之間的通訊，并在上位機中記錄分析.

圖9 RAD_Galaxy設備

2.2 試驗臺搭建原理

RAD_Galaxy作為中間設備，介入到每個設備之間，監(jiān)控以太網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，原理如圖10所示.

圖10 試驗臺搭建原理圖

4個攝像頭分別接到RAD_Galaxy博通以太網(wǎng)1，3，5和7端口，相對應的主機接到4個攝像頭的線路分別接到端口2，4，6和8，同時可以將主機數(shù)據(jù)輸出端口接到端口9，最后用千兆以太網(wǎng)網(wǎng)線連接RAD_Galaxy和電腦，這樣就可以在電腦端監(jiān)控每條線路上的數(shù)據(jù)報文.最終所搭建的試驗臺如圖11所示.

圖11 車載以太網(wǎng)測試試驗臺

2.3 試驗臺測試原理

試驗臺的主要目的是監(jiān)控和采集報文數(shù)據(jù)，而在Vehicle Spy中有3種模式可供選擇，為了保證所采集報文的完整性，如圖12所示，選取Tap-Low Latency模式，即RAD_Galaxy只有轉(zhuǎn)發(fā)作用，沒有過濾錯誤幀等，如圖13所示，在TAP模式中，RAD_Ga-laxy會將鏈路上的報文復制發(fā)送至上位機.

圖12 端口監(jiān)控模式

圖13 TAP工作原理

3 時延評估與分析

3.1 數(shù)據(jù)報文處理

在數(shù)據(jù)報文分析部分，運用Vehicle Spy軟件采集一段試驗臺開機、正常運行、關(guān)機這一套動作的報文數(shù)據(jù)，同時可借助Wireshark分析報文組成結(jié)構(gòu)、交互過程，獲得報文的基本信息，以研究時延.其主要包含3部分：① 對比數(shù)據(jù)報文中的信息，解析協(xié)議；② 分析報文中的時間戳，并得出時間戳與實踐的相對關(guān)系；③ 通過時間戳與時間的映射關(guān)系，計算每個數(shù)據(jù)幀的時延。

通過Vehicle Spy軟件抓獲的報文數(shù)據(jù)如圖14所示，在其中可以簡單的給出報文的解析結(jié)果，但是不足之處在于未能解析出IEEE1722協(xié)議，所以未能解析出內(nèi)部的部分數(shù)據(jù).基于此，將報文格式轉(zhuǎn)換成pcap格式，如圖15所示，在Wireshark中進行報文數(shù)據(jù)的解析.然而在Wireshark中也未能解析出相關(guān)的協(xié)議，然而Wireshark能夠支持解析IEEE1722協(xié)議，所以問題在于報文數(shù)據(jù)方面，對比標準的IEEE1722報文數(shù)據(jù)在Wireshark中的構(gòu)成，將報文數(shù)據(jù)中的0x88b5字段全部替換為0x22f0，再進行解析，可以解析成IEEE1722協(xié)議；同時通過觀察發(fā)現(xiàn)，不是每條數(shù)據(jù)報文攜帶的時間戳都有效，所以將時間戳為1(即報頭中時間戳有效)的數(shù)據(jù)報文篩選出來(每個分組只有一個時間戳)，構(gòu)成新的數(shù)據(jù)文檔，即在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中，將提取出含有0x22f00283的數(shù)據(jù)報文，至此就可以基于報文內(nèi)的AVTP顯示時間戳進行數(shù)據(jù)處理.

圖14 Vehicle Spy報文界面

圖15 Wireshark報文分析界面

3.2 數(shù)據(jù)報文構(gòu)成分析

在前述篩選出的報文數(shù)據(jù)中，選取一條數(shù)據(jù)進行解析，展開如圖16所示.

結(jié)合解析結(jié)果，車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)在底層在IEEE802.1Q范疇內(nèi)，兩者的差異主要在于IEEE1722協(xié)議方面，在Wireshark協(xié)議庫中，對應的是0x22f0，所以從下面數(shù)據(jù)的22f0字段開始，結(jié)合圖16分析，第一位CD值取0，代表是流AVTPDU；后七位是AVBTP的子類型，值為02，所以這一個字節(jié)結(jié)果為02，即數(shù)據(jù)第二行第三列的值；后一位表明AVTP的流地址是否有效，值為1，說明有效，其后三位是AVTP的版本號，為0，這四位轉(zhuǎn)成十六進制為8；緊接著四位值為3，即0011，第一位是媒體時鐘重置標志位；媒體時鐘重置標志位后一位是預留位，再后一位表明網(wǎng)關(guān)是否有效，此處值為1，說明有效.再后一位表明時間戳是否有效，值為1，說明有效；所以這個字節(jié)段值為83，對應第二行第四列.緊接著后面一個字節(jié)是關(guān)聯(lián)AVTP流量的連續(xù)幀，每傳輸完一個幀，Talker會將該字段的值加1(達到0xFF后重置為0x00)，對應第二行第五列.接下來一個字節(jié)為00，前七位是預留位，值取0，其后一位為tu位，表明報文時間戳是否正確，如果gPTP系統(tǒng)有一個嚴重的問題，Talker會將tu比特設置為1，在這種情況下，表明報文的時間戳(包含在avtp_timestamp字段)可能不能全球同步，所以此處時間戳沒有問題.接下來的8個字節(jié)是流地址，即數(shù)據(jù)段fc d6 bd 00 00 02 10 0c.緊跟著就是時間戳字段：88 73 06 75，共4個字節(jié)，轉(zhuǎn)成十進制就是解析出來的值：2 289 239 669.再往后4個字節(jié)段是網(wǎng)關(guān)信息，接著兩個字節(jié)表明流數(shù)據(jù)的長度，以及再接著兩個字節(jié)是協(xié)議的報頭，最后剩下的是AVTPDU的實際媒體數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)由子類型字段決定.至此，完成對數(shù)據(jù)報文構(gòu)成的分析.無論是從結(jié)構(gòu)還是內(nèi)容來分析，其與協(xié)議所定義報文格式相一致，協(xié)議旨在標準化報頭格式，因此，根據(jù)報文解析時間戳并進行時延分析具有通用性，且便于實現(xiàn)自動化時延計算.

圖16 數(shù)據(jù)報文解析

3.3 數(shù)據(jù)報文信息分析

時延分析如圖17所示，抓包時間戳在RAD_Galaxy抓包點處，AVTP顯示時間戳即在AVTP顯示時間點處，這兩個時間戳可以從報文數(shù)據(jù)中獲取，所以定義最大時延值：

圖17 時延分析區(qū)間

tdelaymax=AVTPts-tr+tCBS+tp，

(1)

式中：tdelaymax表示最大時延值；AVTPts表示AVTP顯示時間點；tr表示抓包時間；tCBS表示排隊整形時延；tp表示打包編碼時間.

所以有必要解析AVTP顯示時間戳，其對應avtp_timestamp字段，而avtp_timestamp的值計算如下：

avtp_timestamp=

(AS_sec×109+AS_ns)mod(232)，

(2)

式中：AS_sec為gPTP秒字段,而AS_ns為gPTP納秒字段.avtp_timestamp是一個32比特的數(shù)字，所以約每4.295 s變化一次.

由于avtp_timestamp的值不能直接參與時延值的計算，所以需要將其轉(zhuǎn)換成標準時間戳，從而計算出時延值.在Wireshark中已經(jīng)分析出AVTP顯示時間戳和抓獲報文的時間戳，那么可以根據(jù)式(2)進行逆推，即

(3)

tdelaymax=tB-tr，

(4)

式中：tB表示AVTP顯示時間戳轉(zhuǎn)換成的標準時間戳；tAS表示gPTP所攜帶的時間戳.解析結(jié)果如18，19所示.

圖18 gPTP報文數(shù)據(jù)解析

圖19 流報文數(shù)據(jù)解析

其中avtp_timestamp值為3 865 159 366；gPTP同步的時間戳為1 539 760 738.802 258 660；則顯示時間戳逆推得時間戳為1 539 760 738.852 251 334；則時延值為0.049 765 674 s.

4 結(jié) 論

在所搭建的試驗臺中采集報文數(shù)據(jù)，根據(jù)AVB協(xié)議的組成結(jié)構(gòu)進行時延的計算分析，在協(xié)議解析和時延分析方面具有普適性.其對建立車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)范體系和進行系統(tǒng)設計開發(fā)，進行關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)，制定整車基礎通信協(xié)議有重要借鑒意義.