1.案例背景
汽車工業(yè)正在迅速向以太網(wǎng)作為車載通信的高速通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，因此這需要超出傳統(tǒng)以太網(wǎng)且必須提供的協(xié)議，以便為諸如ADAS系統(tǒng)(高級駕駛員輔助系統(tǒng))或音頻/視頻流等要求苛刻的應(yīng)用提供額外的QoS。當(dāng)前為此目的考慮的主要協(xié)議是IEEE802.1Q，具有基于信用的整形器機(jī)制的AVB/CBS(IEEE802.1Qav)和具有其時間感知整形器的TSN/TAS(IEEE802.1Qbv)。AVB / CBS和TSN / TAS 都提供有效的QoS機(jī)制，并且可以組合使用，這為設(shè)計人員提供了許多可能性。但是，使用它們需要專用的硬件和軟件組件，在TAS的情況下需要時鐘同步。先前的研究還表明，這些協(xié)議的效率在很大程度上取決于手頭的應(yīng)用和配置參數(shù)的值。
圖1.車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
在此次案例中，探索在IEEE802.1Q下針對突發(fā)流量 (例如音頻/視頻流)使用預(yù)整形策略，作為AVB / CBS和TSN / TAS的一種簡單有效的替代方法。預(yù)整形意味著在發(fā)送突發(fā)的連續(xù)幀之間(例如，在發(fā)送攝像頭報文幀時發(fā)生的情況下)在發(fā)送方進(jìn)行“精心選擇”的插入，然后將流量的所有其他特征保持不變。在雷諾汽車案例研究中展示了如何對音頻/視頻流使用預(yù)整形如何在最大程度上減少盡力而為流的通信等待時間，同時滿足其余流量的時序約束。
2.現(xiàn)有解決方案的局限性
雖然現(xiàn)階段使用的的QoS協(xié)議(優(yōu)先級機(jī)制、CBS、TAS)在某些情況下有效，但它們各自都有缺點(diǎn)和局限性：
●僅使用優(yōu)先級會導(dǎo)致性能下降，即嚴(yán)重的抖動和最大延遲，并且可能導(dǎo)致低優(yōu)先級流量(以下 也稱為盡力而為流量)的匱乏。此外，當(dāng)流量(例如視頻流)突發(fā)時，交換機(jī)中避免丟包所需 的內(nèi)存可能變得很重要;
●到現(xiàn)在為止，AVB / CBS確保盡力而為流量的性能要好得多，但是標(biāo)準(zhǔn)的AVB類不夠靈活，無法滿足所有通信需求。使用AVB自定義類有助于最大程度地發(fā)揮AVB的作用，但這并不總是足夠的。此外，為自定義類定義參數(shù)需要最壞情況的可調(diào)度性分析和用于設(shè)置CBS IdleSlopes的優(yōu)化算法;
圖2.CBS整形機(jī)制
●TSN / TAS，特別是與CBS結(jié)合使用時，提供了很多可能性，但是，為了使其有效，必須對所有發(fā)送者和交換機(jī)共同完成TAS門調(diào)度表的配置，這會導(dǎo)致復(fù)雜的優(yōu)化問題。同樣，TSN / TAS需要同步協(xié)議來建立和維護(hù)全局時鐘，這會導(dǎo)致一些開銷和復(fù)雜性，并降低系統(tǒng)的整體魯棒性。
圖3.TAS整形機(jī)制
3.預(yù)整形機(jī)制
預(yù)整形機(jī)制將標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度與流量整形相結(jié)合，流量的所有其他特征保持不變。利用插入的空閑時間更快地傳輸穿過預(yù)整形流路徑的較低優(yōu)先級或相同優(yōu)先級的幀。
預(yù)整形并不是針對提高優(yōu)先級較高的流量的通信延遲，而是可以與幀搶占結(jié)合使用，配置為屬于流集合的預(yù)整形流，而不是被高優(yōu)先級搶占。在汽車領(lǐng)域，可以在中間件級別或通信驅(qū)動程序級別的軟件中實(shí)現(xiàn)預(yù)整形。預(yù)整形機(jī)制的系統(tǒng)模型：
●T是分段報文的周期
●N是組成報文的幀數(shù)
●D是報文的相對截止時間，即報文釋放后的時間，所有接收站必須已接收到報文最后一幀
●I是插入報文的每個幀之間的空閑時間
●E是報文幀的最長傳輸時長(E = L / C，當(dāng)C為鏈路傳輸速率，L為幀長：包括幀間間隙和前導(dǎo)碼)
形成報文的幀數(shù)N取決于每個幀中包含的數(shù)據(jù)有效載荷。設(shè)計者還可以在協(xié)議允許的間隔內(nèi)(即46到1500字節(jié))確定此參數(shù)。較小的數(shù)據(jù)有效載荷會導(dǎo)致較高的開銷，同時對其余流量的干擾也較小。最簡單，最實(shí)用的方法是本研究案例中嘗試的方法，它是不更改幀的大小，而僅使用報文的連續(xù)幀之間的空閑時間來實(shí)現(xiàn)流量整形。
圖4.預(yù)整形機(jī)制的系統(tǒng)模型
假設(shè)攝像頭數(shù)據(jù)幀以周期T進(jìn)行發(fā)送。每條數(shù)據(jù)流均以N幀的形式發(fā)送，每N個時間單位將其釋放以進(jìn)行發(fā)送。報文的最后一幀將在時間(N-1)?I釋放，并且必須在截止時間之前接收。在Image數(shù)據(jù)流發(fā)布后，最后一幀將排隊(duì)在(I + E)·(N-1)個時間單位。因此，如果最后一幀的通信等待時間受Rmax限制，則必須在0和(D-Rmax)/(N-1)– E之間選擇空閑時間I。后一個上限將連續(xù)傳輸擴(kuò)展到最長時間間隔確保在截止時間之前完成，從而為位于優(yōu)先級較低的流量類別中的幀提供最大可能的帶寬。本研究中使用的工具RTaW-Pegase中可用的PRESH算法的基礎(chǔ)策略。
4.案例：雷諾原型以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流量
案例研究是雷諾汽車的一個原型以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，包括5個交換機(jī)和14個節(jié)點(diǎn)：4個攝像頭(CAM)，4個顯示器(Display)，3個控制單元(ECU)和3個域主站(DM)，如圖5所示。域主機(jī)3(DM3) 和交換機(jī)3之間鏈路上的傳輸速率為1Gbit/s，其他所有鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸速率均為100Mbit/s。
圖5.案例研究使用的原型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(RTaW-Pegase軟件截圖)
上圖顯示的多播流從攝像機(jī)1到域主機(jī)1和3，該圖顯示了10個負(fù)載最大的鏈路(最大負(fù)載為60%)和單個速率為1Gbit / s鏈路。流量由四個類別組成，總共41個流，其特征下表中進(jìn)行了概述：
表1.四種流量類型的特征
4.2驗(yàn)證技術(shù)和協(xié)議配置
這項(xiàng)研究是使用時序精確的仿真和最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)演算實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行的最壞情況遍歷時間(WCTT)分析進(jìn)行的。兩種技術(shù)是互補(bǔ)的，雖然WCTT是最安全的方法，但是其本質(zhì)上是考慮的最壞情況。此外，它不提供諸如延遲分布之類的統(tǒng)計信息，也不提供對類似FTP的流可以實(shí)現(xiàn)的吞吐量的準(zhǔn)確評估。
使用的設(shè)計和時序分析工具是RTaW-Pegase v2.4.5，模擬樣本是通過長時間的模擬(2天不間斷運(yùn)行，在500ms的最低頻率幀進(jìn)行約35萬次傳輸)收集的，每個站點(diǎn)的時鐘漂移設(shè)為 ±200ppm ，在本研究的其余部分中，我們將比較以下QoS協(xié)議的性能：
●靜態(tài)優(yōu)先級以太網(wǎng)，不進(jìn)行預(yù)整形(以下稱為IEEE802.1Q)，其優(yōu)先級分配按優(yōu)先級降序排列， 優(yōu)先級從高到低為：命令和控制(最高優(yōu)先級)，然后是音視頻，最后是盡力而為流(最低優(yōu)先級);
●具有預(yù)整形的靜態(tài)優(yōu)先級以太網(wǎng)(稱為具有預(yù)整形的IEEE802.1Q)，用于視頻流。使用預(yù)整形機(jī)制一節(jié)中描述的策略完成了預(yù)整形配置，從而使下圖中所示的配置符合所有性能約束。對于沒有預(yù)先成形的解決方案，優(yōu)先級分配保持不變;
●具有自定義類的AVB / CBS，不使用標(biāo)準(zhǔn)的125 / 250us CMI和標(biāo)準(zhǔn)的空閑斜率。在交換機(jī)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)中都使用CBS，路徑上每個輸出端口上的CBS空閑斜率已使用RTaW-Pegase中實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格空閑斜率算法進(jìn)行了設(shè)置。該算法計算出可能的最小空閑斜率，從而滿足AVB流量的時序約束，從而將對較低優(yōu)先級流產(chǎn)生的干擾降至最低。就優(yōu)先級而言，音頻流的優(yōu)先級最高(AVB為最高優(yōu)先級)，其次為視頻流 (AVB為第二優(yōu)先級)，然后是命令與控制，最后是盡力而為流。
圖6.八個視頻流的預(yù)整形配置(MinDistance列中的第一個時間表示兩個數(shù)據(jù)包傳輸之間的空閑時間，第二個時間是兩個連續(xù)攝像頭數(shù)據(jù)幀之間的是時間間隔)
4.3 盡力而為流的平均延遲
下圖顯示了所研究的三種協(xié)議下所有盡力而為流的平均通信延遲。與標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1Q(黑色曲線)相比，預(yù)整形(紅色曲線)將盡力而為流的平均延遲平均提高了54%，最高可提高86%。如果不進(jìn)行預(yù)整形，IEEE802.1Q將是不可行，因?yàn)闊o法滿足盡力而為流的吞吐量限制。預(yù)整形機(jī)制和AVB自定義類在這里都是可行的解決方案，它們在盡力而為流的平均延遲方面的表現(xiàn)幾乎相同。但是，除了不需要專用硬件外，預(yù)整形還具有優(yōu)于AVB的性能，即命令和控制流以最高優(yōu)先級發(fā)送，從而減少了等待時間。對于系統(tǒng)的魯棒性也是有益的。
圖7.在IEEE802.1Q，具有預(yù)整形的IEEE802.1和AVB/CBS三種模式下，盡力而為流的平均通信延遲
4.4盡力而為流的最壞情況延遲
下圖顯示了所有盡力而為流的最壞情況下的通信延遲。IEEE802.1Q下的預(yù)整形可將盡力而為流的最壞情況延遲平均提高66%，最高可提高90%。再次，可觀察到預(yù)整形和AVB自定義類之間的相似性能。該實(shí)驗(yàn)表明，通過預(yù)整形，還可以顯著降低延遲的變化，從而降低接收時的抖動。
圖8.在IEEE802.1Q，具有預(yù)整形的IEEE802.1和AVB/CBS三種模式下，盡力而為流在最壞情況下的通信延遲
4.5對Command & Control流的影響
下圖顯示了以下兩種情況下C&C流的最壞情況網(wǎng)絡(luò)遍歷時間(WCTT)和平均網(wǎng)絡(luò)遍歷時間(AVRG)：
●具有和不具有預(yù)整形的IEEE802.1Q;
●AVB / CBS，用于音頻/視頻流，配置有嚴(yán)格的空閑斜率機(jī)制。
圖9.具有的IEEE802.1Q，具有預(yù)整形視頻流的IEEE802.1Q和具有音頻/視頻的AVB / CBS的C&C流的WCTT和AVRG
流量類別的相對優(yōu)先級如協(xié)議配置小節(jié)中所定義。我們首先觀察到的是，預(yù)整形對C&C流量的WCTT沒有影響。這可以很好的解釋，因?yàn)樵赪CTT計算中較低優(yōu)先級幀的干擾僅通過阻塞因子，即最大的較低優(yōu)先級幀的大小(其值在預(yù)成形時保持不變)。當(dāng)將AVB tight IdleSlope用于音頻/視頻流時，C&C的WCTT 明顯大于IEEE802.1Q(平均增加 42%，最高129%)。這可以通過AVB流量類別帶來的干擾來解釋，該類別的優(yōu)先級高于C&C流量。在平均通信延遲方面，這對于C&C幀通常不是最重要的指標(biāo)，這三種解決方案的效果都非常好，幾乎是等效的。
4.6交換機(jī)中的內(nèi)存使用情況
到目前為止，已經(jīng)假定不會由于沒有足夠的存儲器來存儲等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包而發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失，無論該數(shù)據(jù)包是在終端系統(tǒng)中還是在交換機(jī)中。在實(shí)踐中，確定內(nèi)存量的大小以使數(shù)據(jù)包不丟失對于交換機(jī)尤為重要。
圖10.具有IEEE802.1Q(不帶預(yù)整形)和帶有AVB tight IdleSlope的交換機(jī)的輸出端口中的內(nèi)存使用率上限
上圖顯示了通過網(wǎng)絡(luò)演算分析獲得的交換機(jī)輸出端口中內(nèi)存使用率的上限。帶有預(yù)整形的AVB / CBS和IEEE802.1Q都以有效的方式對流量進(jìn)行整形，從而導(dǎo)致最低的內(nèi)存使用量。在柱形圖的另一端，沒有預(yù)整形的IEEE802.1Q會生成幀突發(fā)，這些突發(fā)會累積在交換機(jī)中。與不進(jìn)行預(yù)整形的 IEEE802.1Q相比，在傳輸中具有預(yù)整形的IEEE802.1Q平均將內(nèi)存使用量提高了兩倍。AVB Tight Idle-Slope可能會在出口端口之間的傳輸之間插入延遲，因此比具有預(yù)整形的IEEE802.1Q所需的內(nèi)存更多(平均增加28%)。
5.案例總結(jié)
在實(shí)際案例研究中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，將預(yù)整形應(yīng)用于生成幀突發(fā)的流是減少較低優(yōu)先級流的通信延遲的有效機(jī)制。另外，預(yù)整形不需要專用硬件，并且可以以最小的開銷在軟件中實(shí)現(xiàn)。在這方面，它與CAN中的偏移機(jī)制具有相似之處，該機(jī)制已在汽車工業(yè)中成功使用了多年。 雖然簡單有效，但具有靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度的預(yù)整形策略將具有一些局限性：
●該節(jié)點(diǎn)會發(fā)送超出其規(guī)范的幀。例如，由于硬件或軟件故障而將繼續(xù)發(fā)送幀并淹沒網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)?？梢允褂脙煞N解決方案：按類整形(如在AVB中使用 CBS)或按流整形(如在AFDX或PSFP(IEEE802.1Qci)中);
●添加新功能或新ECU(這會導(dǎo)致向系統(tǒng)中添加框架)可能會要求重新配置所有流的預(yù)整形參數(shù)， 因?yàn)樽畲笸ㄐ叛舆t會發(fā)生變化。此限制不是特定于預(yù)整形的，它會影響大多數(shù)QoS協(xié)議，除了具有最高優(yōu)先級的AVB類的標(biāo)準(zhǔn)AVB之外;
●當(dāng)通過反復(fù)試驗(yàn)手動完成時，為要受預(yù)整形機(jī)制影響的流設(shè)置參數(shù)是一項(xiàng)耗時的任務(wù)，并且可能不會導(dǎo)致最佳結(jié)果。設(shè)置參數(shù)的過程需要專用的工具支持;
●從OEM的角度來看，預(yù)整形對ECU供應(yīng)商提出了額外的要求，這也就相應(yīng)的增加l成本。其次，就像CAN中的傳輸偏移一樣，預(yù)整形只能在減少的節(jié)點(diǎn)子集上實(shí)現(xiàn)，例如在案例中，研究14個節(jié)點(diǎn)中只有5個在傳輸中使用了預(yù)整形。
（轉(zhuǎn)載）
