TSN 2.车载 Ethernet AVB 通信协议

1 物理层 BroadR-Reach 技术

美国博通(Broadcom)半导体公司的 BroadR-Reach 专利技术使得车载 Ethernet物理层研究取得突破性进展，该技术可通过一对非屏蔽双绞线实现 100 Mb/s 的传输速度，而且辐射的电磁噪声小，可以满足汽车环境内严格的 EMI 和 EMC 要求，因而在汽车行业引起了广泛关注。博通还联合宝马公司成立了该项技术的推广兴趣团体——OPEN 联盟（One Pair Ether Net Alliance），该联盟旨在加快 Ethernet 在车载网络领域的发展，并在将来实现构建以 Ethernet 为骨干的车内通信网络。相比于 FlexRay 和 MOST 总线物理层采用的 LVDS 技术，BroadR-Reach 技术具有较大的优势，因为它不需要昂贵且厚重的屏蔽层电缆线，仅利用非屏蔽双绞线即可实现同样的功能，并在连线成本上可减少 80%，其物理层链接系统框图如下所示。

其中，恩智浦半导体生产的 TJA1100 决定了传输链路的鲁棒性和发射性能，作为模拟传输介质和数字 MAC 控制器之间的接口，在满足汽车环境严格的通信环境要求前提下，可支持长达 25m 的通信电缆，而通常汽车解决方案的通信链路长度不超过 10m。
物理层与媒体访问控制层之间的链接采用标准媒体独立接口（MII，Media Independent Interface），它不仅支持数据传输功能，还可在传输数据的同时为连接 终端供电，从而可以省去终端外接电源，以实现降低供电复杂度的目的。此外， BroadR-Reach 技术还可整合车内多个通信网络系统，从而简化网络设计过程，并 使得多个节点都可以高效地共享带宽资源，提高网络通信效率。

2 数据帧格式

IEEE 802.1Q虚拟局域网协议标准规定Ethernet AVB帧由八部分组成，分别为：
• 前导字段（Preamble）；
• 帧起始界定符 SOFD（Start Of Frame Delimiter）；
• 谋体访问 控制目的地址 MACD（Medium Access Control Destination）；
• 媒体访问控制源地址 MACS（Medium Access Control Source）；
• 虚拟桥接局域网标签 VLAN TAG（Virtual Bridged Local Area Networks Tag）；
• 以太网类型指示字段 EOL（Ethertype Or Length）；
• IEEE 数据流字段（Payload）；
• 帧校验序列 FSC（Frame Sequence Check）；
如图 所示：

前导字段：表示数据帧的帧头字段，通过连续的 7 个字节序列“10101010”， 实现网络各个节点之间的时钟同步功能。数据帧在物理层一般按照从左到右的顺 序进行发送，且采用曼彻斯特编码方式，接收端在收到前导字段后，从中提取出 时钟信息以实现与发送端的时钟同步功能，从而保证接收端顺利地接收数据。
帧起始界定符：表示数据帧的开始，包含 1 个字节的“10101011”序列，其 中结尾两个“1”表示接下来的字段为目的地址。
媒体访问控制目的地址：表示数据帧的接收端地址，总共包含 6 个字节，其 中最高位表示单播/组播地址标志位，当其为“0”时表示该数据帧是单播的，即具 有唯一目的地址；为“1”时表示该数据帧是组播的，即接收端是具有某些相同功 能的节点；当目的地址所有位均是“1”时表示该数据帧是广播的，即网络中的所 有节点都能接收该数据帧。
媒体访问控制源地址：表示数据帧的发送端地址，总共包含 6 个字节。
虚拟桥接局域网标签：表示添加了 IEEE 802.1Q 协议标签，大小为 4 个字节，其中包括 2 个字节的标签协议标识 TPID（Tag Protocol Identifier）和 2 个字节的标 签控制信息 TCI（Tag Control Information）。
其中 TPID 为固定值“0x8100”，TCI 表示帧的控制信息，包括：
• 3 位帧的优先级代码点 PCP（Priority Code Point），共有 8 个优先级（0-7 优先级逐渐递增）；
• 1 位标准格式指示位 CFI（Canonical Format Indicator），表示 MAC 地址的比特次序，此为若是“0”则表示标准格式，为“1” 则表示非标准格式；
• 12 位的 VLAN ID，表示该数据帧所属的虚拟桥接局域网的 ID， 一共有 4094 个。
如图 下图 所示：

以太网类型指示字段：表示数据字段中包含的高层协议，即告知接收端如何 对数据字段进行解码，长度为 2 个字节。
数据流字段：表示数据帧的有效负载数据，可以传送 0-1500 个字节的数据， 包括 4 字节的头信息 HF（Head Information），8 字节的流 ID（Stream ID），4 字节 的 AVBTP 时间戳，4 字节的负载信息 PI（Payload Information）以及 0-1476 字节 的数据负载 DP（Data Payload），如图 所示：

帧校验序列：用于检验数据帧在传输过程中是否产生差错，接收端利用循环 冗余校验方法（CRC，Cyclic Redundancy Check）对接收的数据帧进行校验，若 CRC 校验结果与数据帧携带的校验序列相同，则表明数据传输正确。

3 MAC

Ethernet AVB 媒体访问控制（MAC，Media Access Control）是基于优先级再生机制、流预留协议以及令牌整形调度算法来实现的。Ethernet AVB 通过预留流量 （SR，Stream Reservation）类型消息来传输音视频数据流。
本文采用两种：A 类 和 B 类，且 A 类优先级高于 B 类优先级。网络中每个交换机的端口都必须支持流 预留协议，以传输 SR 类数据流，不属于这两类的数据流将采用尽最大努力 BE (Best Effort)类流量传输。通过优先级再生机制（Priority regeneration mechanism），接收 端口判断帧是否为标签帧用于划分优先级，若为标签帧，则映射的优先级信息来 自标签协议标识的 PCP 域；若为非标签帧，则映射的优先级信息 来自内部子层服务 ISS（Internal Sublayer Service）定义的数据指示信息参数 （M_UNITDATA.indication）中，如下表 所示。优先级再生机制保障了不同类型 消息在交换机转发过程中的优先发送次序不改变，也可以根据传输实时性需求更 改经过的消息优先级，具有较强的灵活性。

为了保障 Ethernet AVB 网络的质量服务（QoS，Quality of Service），引入了流 预留协议，通过在发送终端与接收终端间预留网络带宽资源，保证音视频数据流 传输的实时性要求。为了能在交换机输出端口的队列中实现不同类型消息的调度 时序，在严格优先级调度的基础上，引入令牌整形调度机制，保证各类消息在交 换机中的有序传输，后续将进行具体介绍。

NOTE:
文章是摘录自硕士论文《智能汽车Ethernet+AVB网络参数优化配置研究》作者是黄斌，由于文章是笔记类型的但是目前编辑的时候没有这个类型，暂时设置为原创，如有侵权，请及时联系。

最后

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