跨橋接網(wǎng)絡實現(xiàn)面向數(shù)據(jù)分組的通信已成為一項全球標準。如今，它廣泛應用于各種不同規(guī)模和復雜性各異的系統(tǒng)中,，例如服務器和飛機,、小型遙控設備、遠程傳感器以及許多物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用,。
由于以太網(wǎng)與物理層分離，所以可通過不同的物理介質(zhì)對以太網(wǎng)幀或IP數(shù)據(jù)包進行透明傳輸。因此,，通過不同網(wǎng)絡類型進行連接的設備彼此之間可以無縫通信。例如，使用蜂窩連接的手機和使用INICnet?（ISO21806）網(wǎng)絡的車載控制單元（通過汽車遠程信息處理單元或網(wǎng)關）進行通信,。IP數(shù)據(jù)包可從發(fā)送方路由到接收方,。
如此看來暫且還好，但是在傳輸時間,、延遲時間,、抖動和丟包方面，情況如何呢,？遺憾的是,，原始以太網(wǎng)存在不確定性，也就是說,，它無法控制允許設備發(fā)送數(shù)據(jù)的時間和數(shù)據(jù)量,，也無法控制數(shù)據(jù)包的傳輸路徑。兩個設備之間的傳輸時間總是變化,，并且在網(wǎng)絡擁塞時可能會發(fā)生丟包情況,。對于必須確保低延遲和信息傳遞的關鍵型應用，這樣的特性是不匹配的,。
專有的總線和網(wǎng)絡技術具有低延遲和確定性,，但只能成為一種有限的解決方案。所有市場都趨向于不依賴任何特定制造商的標準化開放技術,。此外,，標準技術既不需要特殊的專業(yè)知識，也無需復雜且昂貴的網(wǎng)關,。
因此,，業(yè)界社區(qū)多年來一直在研究以太網(wǎng)的弱點。隨著時間的推移,，市場上出現(xiàn)了各種用來改善以太網(wǎng)實時特性的解決方案,，其中包括AVB/TSN。
IEEE工作組于2008年開始制定音視頻橋接（AVB）技術,。當時的目標是為了改善通過以太網(wǎng)進行時間關鍵型音頻和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?。術語AVB不僅包含IEEE 802.1BA標準，還包含以下標準：
IEEE 802.1AS：時間同步
IEEE 802.1Qav：調(diào)節(jié)交換機中幀的傳輸和中間緩沖
IEEE 802.1Qat：音頻流和視頻流的動態(tài)帶寬分配
IEEE 1722：傳輸協(xié)議
IEEE 1722.1：支持AVB的網(wǎng)絡和設備的動態(tài)配置
該標準于2011年完成定稿并發(fā)布,，最初用于各種多媒體應用,，后來用于工業(yè)領域，專門用來傳輸時間關鍵型命令或傳感器數(shù)據(jù),。隨著AVB技術在非多媒體領域的應用逐漸引起更多關注,，IEEE成立了一個名為“時間敏感網(wǎng)絡”（TSN）的新工作組。TSN工作組采用了AVB工作組的標準,，并在專業(yè)音頻視頻,、工業(yè),、汽車和航空航天等領域解決了更廣泛的應用問題。
在汽車領域,，至今仍在沿用最初的AVB標準,，但在某些情況下已開始使用TSN工作組的修訂版。本文主要討論AVB標準,，此標準可視為等同于TSN標準,。
圖1：AVB系統(tǒng)通常可實現(xiàn)這些要素的不同子集
使用gPTP進行時間同步
通用精密時間協(xié)議（gPTP－IEEE 802.1AS）是所有支持AVB的系統(tǒng)的共同基礎,。其用途類似于計算機領域中廣為人知的網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）,。NTP確保計算機時鐘在本地網(wǎng)絡中與參考時間同步，在最佳應用條件下可達到毫秒級精度,。該精度可以完全滿足計算機和服務器的需求,，但對于同步或時間關鍵型應用來說則太不精確。
圖2：gPTP基準與gPTP客戶端之間的交互
gPTP可確保以太網(wǎng)設備中具有更加精確的時基,，通?？蛇_微秒級甚至納秒級。實質(zhì)上,，gPTP包括兩種機制：基準時間分發(fā)和傳輸時間計算,。
時間從一個或多個時間基準節(jié)點（根據(jù)IEEE標準為“gPTP主機”）分發(fā)到一個或多個客戶端（根據(jù)IEEE標準為“gPTP從機”）。類似于IEEE 1588的兩步過程,，gPTP總是連續(xù)發(fā)送兩個幀：“Sync”和“Sync Follow-Up”,。客戶端使用其中包含的時間戳將其本地時鐘重置為基準時間,，從而確保網(wǎng)絡中的所有設備都使用完全相同的時基,。
但是，只有將整個網(wǎng)絡所需的傳輸時間也考慮在內(nèi),，才能確保很準確的時基,。要實現(xiàn)這一點，應在直接相鄰的節(jié)點之間始終成對執(zhí)行對等延遲測量,。這樣,，每個節(jié)點所測傳輸時間的總和會產(chǎn)生對等延遲值,，繼而可根據(jù)該值校正gPTP時間,。
傳輸協(xié)議
IEEE1722-AVTP
音視頻傳輸協(xié)議是通過以太網(wǎng)AVB技術傳輸音頻/視頻數(shù)據(jù)以及時間關鍵型數(shù)據(jù)的標準傳輸協(xié)議。它是一種用于通過MAC地址訪問設備的輕量級ISO/OSI Layer2協(xié)議,。因此,，這種方式無需集成全部的IP協(xié)議棧，有助于最大限度地減小項目和設計的規(guī)模,、成本和復雜性,。
IEEE1733-RTP/RTCP
RTP和RTCP（IETF RFC 3550）均為基于IP的網(wǎng)絡協(xié)議,，適用于通過以太網(wǎng)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。這些協(xié)議多年來已廣泛用于各種工業(yè)級和消費類設備,，包括視頻監(jiān)控攝像頭和對講設備,。IEEE 1733是RTP/RTCP的改編版本，適用于通過AVB進行同步傳輸,，因此可作為基于IP的解決方案替代IEEE 1722,。
流量整形
以太網(wǎng)網(wǎng)絡通常由大量端點（計算機和電子設備）和網(wǎng)橋（交換機和網(wǎng)關等）組成。無論選擇哪種傳輸協(xié)議,，數(shù)據(jù)都會封裝成以太網(wǎng)幀,，然后從發(fā)送方通過多個網(wǎng)橋（躍點）路由到接收方。幀的傳輸方式和傳輸時間存在不確定性,。傳輸路徑上的網(wǎng)橋?qū)⒁暂^快或較慢的速度進行幀轉(zhuǎn)發(fā)（存儲轉(zhuǎn)發(fā)和直通轉(zhuǎn)發(fā)）,。在網(wǎng)絡擁塞的情況下，這些幀有時需要緩沖一段時間,，在最糟情況下甚至可能會丟失,。
工業(yè)和汽車系統(tǒng)應具有較低的確定性延遲，并且最重要的一點,，必須確保無丟幀風險的可靠傳輸,。流量整形（“IEEE 802.1Q－服務質(zhì)量”部分）可解決此需求。流量整形定義了網(wǎng)橋根據(jù)幀的優(yōu)先級對幀進行處理的策略,。流量整形有幾種標準,，例如：
IEEE 802.1Qav：時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊增強功能（FQTSS），有時稱為“基于信用值的整形器”（CBS）,。
IEEE 802.1Qbv：調(diào)度流量的增強功能,，通常稱為“時間感知整形器”（TAS）
IEEE 802.1Qch：循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)
IEEE 802.1Qcr：異步流量整形
汽車行業(yè)主要使用CBS和TAS。
CBS-基于信用值的整形器（802.1Qav）
使用基于信用值的整形器時,，每個以太網(wǎng)設備都會獲得一個用于發(fā)送幀的信用值,。只要信用值仍為正數(shù)，設備就可以繼續(xù)發(fā)送幀,。當信用值用完后,，設備將無法再發(fā)送幀。必須等到補充信用值后才能再次開始發(fā)送,。
該策略可確保帶寬的有效利用,。其中沒有預定義的時隙。如果端點需要間歇性地發(fā)送數(shù)據(jù),，則可以累積其信用值,，然后一次全部用完。使用CBS配置AVB網(wǎng)絡比較簡單,。
TAS-時間感知整形器（802.1Qbv）
與Qav不同,，IEEE 802.1Qbv策略依賴于時隙模型,。該策略并非基于要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，而是側(cè)重于傳輸?shù)念l率,。節(jié)點不能再進行任意時長的發(fā)送,，但允許進行很規(guī)律地傳輸。這意味著可以實現(xiàn)更低且更具確定性的延遲,。
而Qbv的缺點是,，無法確保網(wǎng)絡帶寬始終得到有效利用。如果端點不使用其時隙,，將會丟失這些時隙以及帶寬,。但這種影響可通過使用幀搶占模式進行抵銷（IEEE 802.1Qbu）。
與AVNU的互操作性
系統(tǒng)架構(gòu)師可以通過各種可用的組件來實現(xiàn)AVB,?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)要求實現(xiàn)不同的AVB子集。雖然這有助于最大限度地減少硬件組件（僅實現(xiàn)實際所需的組件）,，但也可能會導致一些互操作性問題,，因為不同供應商提供的設備不一定支持完全相同的AVB功能。而且,，工程師有時會以不同的方式來解釋IEEE標準,，從而使情況變得更加復雜。
為了確保供應商之間實現(xiàn)互操作性,，AVNU聯(lián)盟為汽車領域制定了“以太網(wǎng)AVB功能和互操作性規(guī)范”,，其中定義了每個設備中應實現(xiàn)的AVB子集和相關參數(shù)的基準。對于支持AVB的設備,，可以經(jīng)由外部測試機構(gòu)或使用內(nèi)部專用測試設備測試其AVNU兼容性,。
實際實現(xiàn)
圖3：典型的以太網(wǎng)AVB評估系統(tǒng)
在實際應用中，支持AVB的網(wǎng)絡包括多個組件：交換機,、PHY和端點,。所有交換機和端點都必須支持AVB才能實現(xiàn)所需的性能。
得益于IEEE標準,、AVNU和OpenAlliance（注：檢查R/TM標記）規(guī)范,，不同供應商提供的組件（如PHY和交換機）如今可實現(xiàn)高水平的互操作性。
但是,，在端點中實現(xiàn)AVB仍然是一項復雜而繁瑣的任務,。這些系統(tǒng)通常基于SoC或高端單片機而開發(fā),，其中需要集成許多軟件：實時操作系統(tǒng),、Autosar架構(gòu)以及AVB協(xié)議棧,，這些軟件通常需要從第三方獲得相應的授權(quán),。AVB端點（比如Microchip的LAN9360）是一個令人關注的替代方案,。這些端點由一種集成AVB協(xié)議的智能以太網(wǎng)控制器組成。因此,，AVB可以直接部署為基于硬件的解決方案,，而無需進行軟件開發(fā)。
自IEEE的AVB工作組成立以來,，AVB/TSN技術現(xiàn)在已達到很高的成熟度水平,。“AVB汽車”已經(jīng)上路,，越來越多的原始設備制造商開始參與其中,。得益于其開放式的標準化技術，許多具有互操作性的硬件和軟件已作為優(yōu)化的COTS產(chǎn)品供人們使用,。在過去,，“全以太網(wǎng)汽車”愿景曾備受質(zhì)疑，而如今它不再是遙不可及的空想,。
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