车载以太网AVB协议测试的研究与分析

李志涛，耿伟峰

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000）

随着汽车工业的发展，汽车电子技术发展迅速，人们对汽车的安全性、舒适性、智能化的要求也越来越高。现行车载通信网络在带宽和扩展性等方面逐渐受到制约，为满足人们对车辆数据传输的需求，探究高带宽数据传输的车载网络已经成为汽车发展的必然，基于车载以太网的网络通信已经被明确为下一代网络核心架构。车载以太网AVB协议通过时钟同步、带宽预留与流队列转发机制，支持并满足相应音视频功能的应用需求，在汽车领域的使用越来越广泛。

1 车载以太网AVB概述

人民日益增长的美好生活需要和汽车技术的突飞猛进，促进了汽车智能化和网联化的迅速发展，如数字化仪表、中控大屏、流媒体后视镜、语音&视觉交换、自动驾驶及智能座舱等功能更加丰富及多元化。这些功能的增加带来了车辆数据传输带宽和实时性的更高要求，尤其在汽车音视频等多媒体功能方面，高清的数据需要较高的带宽、最大限度的实时性和良好的服务品质，来满足语音、多媒体等实时数据的传输需求。因此，车载以太网AVB技术在汽车中得到快速推广应用。

基于车载以太网技术的AVB（Audio Video Bridging）技术，是处理音频和视频流比较常用的一种方式，又称音频视频桥接技术，简称AVB，可用于汽车多媒体数据流的传输。AVB协议源于IEEE802.3研究小组，该研究小组在2005年成立了IEEE 802.1AVB工作组，开始着手研究制定一系列的协议，使得基于以太网的实时音视频传输技术走向市场。IEEE802.1音频/视频桥接工作组与IEEE1722二层传输协议工作组，针对时间敏感数据开发了一系列的标准协议，用于促进时间敏感类的音频与视频的应用，而另外一个行业联盟组织，AVnu联盟基于这些标准协议，结合车载功能场景及需求给出了车载应用的建议，同时AVnu联盟内部的汽车验证测试小组（Certification Test Subgroup，CDS）也开发了对应的认证测试规范，用于提供车载应用的互操作性与认证测试来验证标准协议的实现。

2 AVB标准协议

为了能够使尽可能多的设备进行通信而忽略不同硬件供应商的差异化，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）在1979发布了开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）模型。AVB协议并非一个标准，AVB是一系列IEEE 802.1标准集合，AVB相关标准协议在OSI模型中的分布及位置，见图1。

图1 AVB协议架构

以太网AVB协议不仅扩展到传统以太网功能上，并且与现有以太网的协议体系完全兼容，通过保障带宽，限制延迟和精确时钟同步，提供稳定的实时音视频传输。从图1中可以看出，AVB主要是链路层的协议，它和传统的TCP/IP协议栈是并列共存的关系。AVB协议架构中包含IEEE Std 802.1AS、IEEE Std 802.1Qat、IEEE Std 802.1Qav、IEEE Std1722与IEEE Std1733协议。

相对于传统以太网，AVB最主要的特性就是确定性延时，通过时间同步、带宽预留及数据流的队列转发策略，确保每个音频和视频流在确切的时间内到达对端，此特性对时间敏感通信极其重要，AVB将3个协议（IEEE Std 802.1AS、IEEE Std 802.1Qat、IEEE Std 802.1Qav）整合到一起，给在局域网中传送实时多媒体数据流提供了可能。同时在车辆多媒体数据流传输时，需要上层的音视频桥接传输协议（IEEE Std1722）、实时传输协议（IEEE Std1733）的配合，使得AVB网络更加便捷，各种音视频流数据的封装更加灵活，而不必对其进行繁琐的操作。

AVB技术在车载以太网中的应用，重点是解决时间敏感数据流的传输时延及同步问题，因此协议架构中的3个关键协议IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qat和IEEE 802.1Qav为解决数据传输问题和实现应用需求提供了相应的通信机制。

2.1 精确时钟同步协议

IEEE Std 802.1AS，精确时钟同步协议（Generalized Precision Time Protocol，简称gPTP），在车载应用中，一般采用静态确定主时钟节点，主时钟节点确定后，所有时间敏感系统中的节点以此主时钟节点的时钟为参考值，通过路径延迟测算与补偿、时钟频率匹配，将时间敏感系统网络中各个节点的时间都同步到主时钟节点的时间基准上，实现时钟同步。gPTP的核心在于时钟同步机制，主时钟节点周期性地发送gPTP消息，通过gPTP消息衍生至系统中的各个从时钟节点，进行相关时间参数的交换，从而精确地实现时钟调整和时钟频率匹配。在AVB系统中，时间同步信息从主时钟节点发送给从时钟节点，达到共享主时钟节点的时钟信息。若主时钟（Master time）节点和AVB系统中一个从时钟（Slave time）节点二者时间不同步，基于gPTP协议时钟同步机制，把从时钟节点的时间同步到主时钟节点的时间基准上，采用gPTP报文的收发（Sync同步报文、Follow-up跟随报文、Pdelay_req延迟请求报文、Pdelay_resp延迟请求响应报文、Pdelay_Resp_Follow_Up延迟请求响应跟随报文），记录相关gPTP报文发送、接收时的时间戳信息，通过时钟同步机制进行相应时间的测算，完成时钟同步。其中，Sync、Follow-up为一组报文，主时钟节点通过此组报文发送主时钟信息，使主时钟节点的时钟信息传遍整个AVB系统。Sync报文定期发送，触发主时钟与从时钟节点分别记录Sync报文发送与接收时的时间戳信息，Follow-up负责将主时钟节点记录的Sync报文发送时的时间信息发出，用来通知系统中的从时钟节点，见图2。

图2 主时钟信息报文发送

Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up报文为一组报文，周期发送，用于测量报文沿路径传输产生的延时和两端之间的时钟频率偏差，gPTP协议延迟响应机制示意图，见图3。其中、为时钟同步请求节点发送和接收gPTP报文时的时间，、为时钟同步响应节点接收和发送gPTP报文时的时间。

图3 gPTP协议延迟响应机制示意图

请求方节点在时刻发送Pdelay_req命令，应答方节点在时刻收到Pdelay_req请求指令后，应答方节点在时刻发送一个Pdelay_resp命令，该命令中携带的值。请求方节点在时刻收到该Pdelay_resp命令后，获取到时刻，此时请求方节点获取到、、时刻的数值。应答方节点在发送完Pdelay_resp命令后，接着发送一个Pdelay_Resp_Follow_Up命令，该指令中携带的值，请求方节点收到Pdelay_Resp_Follow_Up命令后，此时请求方节点便获取到、、、时刻的4个值。

假设路径延迟对称，时钟同步请求方节点可计算路径传输延时（path_delay）以及自己与应答方时钟的偏差（clock_offset）。

路径传输延时为：path_delay=（-+-）/2

请求方节点根据clock_offset，path_delay实现与应答方节点的时钟同步，交换机节点依据路径传输延时的计算数值，将该值放在补偿信息中，用于实现端到端的路径延时计算。

2.2 流预留协议

IEEE Std 802.1Qat，流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP），SRP协议管理系统对带宽的预留，确保了音视频流节点间端到端的带宽可用性。音视频流发送节点在发送数据流之前进行带宽注册发布，对AVB系统中的路径节点进行管理评估。在SRP中，流服务的提供者叫做Talker，流服务的接收者叫做Listener，SRP利用多注册协议（Multiple Registration Protocol，简称MRP）来传递消息，详细描述流的状况，在Talker发送流服务之前保障发送效果，从而达到确定性传输，如果所需的路径带宽可用，整个路径上的所有节点将会对此资源进行锁定。同一个Talker提供的流服务可同时被多个Listener接收，SRP允许只保障从Talker到Listener的单向数据流流动，只要从Talker到多个Listener中的任意一条路径上的带宽资源经协商并锁定，Talker就可以开始提供实时的音视频流服务。通常符合SRP标准的交换机节点能够将整个网络可用带宽资源的75%用于AVB链路，剩下25%的带宽留给传统的以太网流量。

2.3 队列及转发协议

IEEE Std 802.1Qav，队列及转发协议（Forwarding and Queuing for time-sensitive streams，简称FQTSS），为了避免普通的以太网数据流量与AVB流量之间对网络资源的竞争，确保传统的以太网数据流量不会干扰AVB实时音视频流。AVB交换机节点对时间敏感的音视频流和普通以太网数据流进行了差异化处理，交换机节点将收到的数据帧分别进行排队，并且赋予时间敏感帧高优先级。在保证高优先级的时间敏感帧传输发送的条件下，再提供普通的非时间敏感数据帧的传输发送。队列及转发协议，在AVB交换机节点内完成，从而用于避免数据包堆积和不超出链路的最大允许传输延时，并且可保障75%的带宽资源用于AVB数据流的传输。

2.4 AVB数据包格式

AVB以太网传输协议，只是从传输层面上提出了一个新的规范，但是在AVB内部传输的流媒体数据则是按照IEC61883规定的格式进行的。数据流发送端将音视频多媒体数据流压缩后，按照AVTP协议实时地在网络上传输，保证了音视频传输的实时性。AVB数据包格式见图4。

图4 AVB数据包

AVB数据中的IEC61883数据包可包含的数据格式有：61883-2 SD-DVCR标清视频记录数据流格式；61883-4 MPEG2-TS压缩视频数据流格式；61883-6非压缩音频数据格式，即IEEE1394传输格式；61883-7卫星电视MPEG压缩格式；61883-8 Bt.601/656视频流格式；IIDC非压缩工业级摄像头视频流传输格式。针对不同的音视频格式，AVTP数据包有不同的Header和Payload格式。

3 AVB协议测试

AVB协议测试主要分为部件级测试和系统级测试，部件级进行协议一致性的测试，目的是验证各层协议实现的正确性。系统级测试侧重于协议配置及自定义需求的正确性。

AVB协议部件级测试主要依据AVnu联盟制定的测试计划。AVnu联盟是致力于在不同应用中使用开放标准，实现精准时间和低延时需求的互操作性生态系统的国际联盟组织。为确保AVB设备之间的互操作性，AVnu联盟为车载AVB部件级协议一致性测试制定了6项测试计划，用于验证AVB协议一致性以及车载AVB互操作性等，见表1。

表1 AVB协议一致性测试计划

Automotive Generalized Precision Time Protocol用于验证IEEE 802.1AS标准实现于车载AVB设备的gPTP协议一致性测试，主要包括gPTP参数和配置测试，基于IEEE 802.1AS标准定义的gPTP协议状态机测试，gPTP-Bridge特定测试3部分；Endstation Test Plan for AutomotiveMedia Formats and SR Classes用于验证IEEE P1722标准实现于车载AVB设备的AVTP协议一致性测试，主要包括AVTP通用需求测试，MPEG-TS和61883-4视频格式测试，AVTP音频格式测试，MJPEG和H.264压缩视频格式测试，音频时钟参考格式测试，流预留类测试等；Bridge Test Plan for Automotive SR Classes and Forwarding and Queuing用于验证IEEE 802.1Qav标准实现于车载AVB Bridge的FQTSS协议一致性测试，主要包括端口数据转发测试，基于信用的整形算法验证测试，Bridge端口优先级重映射测试等。由于车内采用静态网络拓扑，AVB流预留采用静态配置，因此AVnu并未针对汽车AVB设备发布SRP协议一致性测试规范，故需对AVB协议配置、协议参数进行测试验证。

车载以太网AVB部件级协议一致性测试的详细测试项目和测试过程以及测试判据可查阅对应的测试计划，其部件级测试环境的连接方式见图5。

图5 部件级测试连接示意图

AVB技术的应用是为了满足车辆上的功能需求，为实现对应的功能需求及车辆使用场景，针对主机厂自定义的应用需求、协议配置及系统的特殊要求进行系统级测试至关重要，具体详细的测试内容与判定标准需依据主机厂设计的系统级测试规范，其系统级测试环境连接方式见图6。

图6 系统级测试连接示意图

对于系统级测试，AVB节点的相关时间参数和同步特性同样是测试的重点，包括系统的启动时间、时间同步、时间抖动和延迟等测试场景，验证是否满足系统配置需求及参数的定义、功能场景应用需求等。

4 测试示例

本示例为AVB协议配置参数的验证，测试AVB系统中各节点发送的gPTP报文的以太网报文类型，目的MAC地址和VLANID是否满足设计需求。测试前，参照图6搭建测试环境，连接测试设备CANoe，完成CANoe软硬件配置。

系统上电，使AVB系统处于正常运行模式中。采用CANoe工具，进行被测节点的数据采集，依次捕获至少10帧主时钟节点主端口发送的Sync报文、Follow_up报文，捕获至少10帧从节点从端口发送的Pdelay_req报文，捕获至少10帧主时钟节点主端口发送的Pdelay_resp和Pdelay_Resp_Follow_Up报文，在CANoe软件中查看捕获的gPTP报文（Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up报文）的以太网帧类型是否为0x88F7，目的地址是否为01-80-C2-00-00-0E，VLANID数值是否无。如图7所示。

图7 gPTP报文数据信息

采用CANoe采集车载以太网AVB系统中被测节点的gPTP报文数据信息，查看并分析所采集的gPTP报文类型为0x88F7，目的地址为01-80-C2-00-00-0E，无VLANID数据信息，被测节点的该项测试通过。同样，按以上所述测试要求及步骤，完成车载以太网AVB系统上各被测节点的Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_Resp_Follow_Up报文的采集、数据分析与测试结果的判定。

5 结束语

车载以太网AVB技术的出现将推动车载安全、多媒体网络的发展，也为车内和车间网络通信提供新的思路，并且随着基于域控（Domain）、区控（Zone）的网络架构和自动驾驶对通信的实时性、鲁棒性和安全性的更高需求，AVB的升级版TSN将逐渐成为趋势，车载以太网的测试也会更加偏重于应用方面的测试。对于AVB测试方法也需要结合标准协议的更新及应用需求，不断地改进和完善。