车载以太网第二弹|测试之实锤-AVB测试实践
背景
AVB（Audio Video Bridging）音视频桥接，是由IEEE 802.1标准委员会的IEEE AVB任务组制定的一组技术标准，包括精确时钟同步、带宽预留和流量调度等协议规范，用于构建一个低延迟、高可靠的车载以太网网络。
2012年11月，AVB任务组变更为“TSN（Time-Sensitive Networking）——时间敏感网络”任务组。TSN在AVB的基础上进一步延伸，从专业音视频领域扩展到工业自动化、移动通讯、汽车等领域。因此掌握AVB协议，可为理解TSN协议打好基础。图1为TSN对AVB的继承和扩展。
图1 AVB和TSN协议对比
AVB/TSN协议标准
AVB包括多个不同的协议，在具体应用时可根据实际情况进行裁剪和选择，取决于功能场景的需求及开发难度（注：实现整个AVB协议族的开发难度很大）。
图2 IEEE 802.1协议标准
为了便于音视频数据的可互操作性，在AVB核心标准基础上，IEEE定义了1722和1733（时间敏感应用传输协议）用于传输音视频数据，满足Talker和Listener之间实时的、高质量的音视频数据传输要求。为保证AVB节点之间的互操作性，IEEE定义了一个应用层协议1722.1，用于满足1722终端设备之间的发现、枚举、连接管理和控制。
图3 IEEE 1722/1733协议标准
AVnu车载以太网AVB功能和互操作性规范
为将AVB协议应用于车载设备，AVnu联盟发布车载以太网AVB功能性和互操作性基础规范——“AVB汽车配置文件”，定义AVB在汽车信息娱乐系统和前视、后视等辅助摄像系统中的应用场景。
AVnu互操作性规范对车载AVB设备以及汽车特定的应用场景做如下约定：
网络和设备启动
- 端口自协商应被禁止
- 为了获取AVB设备的内部状态，定义三种车载AVB设备状态：Ethernet_Ready、AVB_Sync和AVB_Media_Ready。通过状态报文获取每种状态的信息，其中状态报文必须携带进入该状态的时间戳
- 为了约束车辆启动时设备的启动时间，定义车载以太网网络的最大启动时间，以及进入三种状态的最大时间要求
gPTP
- 预先配置车载网络中GM（Grandmaster）节点，无需使用BMCA（最佳主时钟算法）
- GM节点启动后应尽可能快的发送同步报文
- 固定的时钟生成树，Bridge节点的master端口不需要测量路径对等延时
- 定义Bridge节点对同步报文丢失、不连续、同步恢复等异常情况的处理
媒体格式
- 减少需要支持的音视频格式，仅定义AVTP音频格式（AAF）、压缩视频格式（H.264、MJPEG）、非压缩视频格式（MPEG2-TS）和时钟参考格式（CRF）相关需求
流预留类别
- 静态配置所有AVB流预留
- 对于汽车特定的应用，除了支持标准的SR A和SR B类流，衍生出两个优化的流类，其发送时间间隔为：1333.33µs（64Sample/Frame，48kHz）和1451.25µs（64Sample/Frame，44.1kHz）
异常处理和诊断
- 定义需要监控并报告的异常处理：以太网链路状态事件和数据丢失，IEEE 802.1AS异常处理，以及IEEE 1722媒体流异常处理
- 定义一些主要的诊断事件计数，包括以太网接口、以太网桥接、AVB协议，以及IEEE 1722传输
AVnu车载以太网AVB测试认证
为确保AVB设备之间的互操作性，AVnu联盟为汽车行业制定了车载AVB部件级一致性测试计划，用于验证AVB协议标准以及AVnu车载AVB互操作性规范中定义的特殊要求。
图4 汽车行业车载AVB部件级一致性测试计划与对应的IEEE标准
Automotive gPTP
用于验证IEEE 802.1AS-2011标准实现于车载AVB设备的gPTP协议一致性测试，主要包括以下内容：
- 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特定测试三部分
Automotive EndStation
用于验证IEEE P1722/D16-2015标准实现于车载AVB设备的AVTP协议一致性测试，主要包括以下内容：
- 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
Automotive Bridge FQTSS and SR Classes
用于验证IEEE 802.1Qav-2009标准实现于车载AVB Bridge的FQTSS协议一致性测试，主要包括以下内容：
- 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
车载AVB协议一致性测试实践
AVB协议配置测试
由于车内采用静态网络拓扑，所有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。所以针对OEM/Tier1自定义需求，需对基本的配置和协议参数进行测试验证。
我们通过德国Vector公司的VN5640硬件与被测对象相连接，利用CANoe 12.0+Option Ethernet软件对AVB数据进行实时采集和监控。CANoe可解析gPTP和AVTP的报文头格式，以检测被测对象发送的报文是否符合需求定义。
- 测试结果分析
如图5所示，选中Trace窗口中的Follow_up帧，左侧窗口会显示该报文数据的解析内容：
- 目标MAC地址为01:80:C2:00:00:0E，符合802.1AS需求定义
- Log Message Interval的值为-3，表示Sync和Follow_Up报文的发送周期为2-3=125ms，符合此次需求定义
- Precise Origin Timestamp为Sync报文离开以太网收发器的时间戳，可解析为UTC时间格式显示
图5 gPTP报文解析图
如图6所示，选中Trace窗口中的AVTP帧，左侧窗口显示该报文数据的解析内容：
- 目标MAC地址为91:E0:F0:00:FE:01，符合MAAP需求定义
- Stream ID为MAC ID + Unique ID，符合此次需求定义
- 该音频数据的信息为：44.1kHz采样率，双声道，16位深度，每帧采样样本为64个样本（AVTP的报文周期为1,451µs）
图6 AVTP报文解析图
AVnu AVB节点的协议一致性测试
在一个gPTP域里，存在End Station和Bridge两种节点类型，同时End Station又分为GM节点和非GM节点。我们采用思博伦的车载AVB一致性测试套件进行测试验证，确保测试活动完全符合AVnu测试计划的要求。
以某非GM节点的gPTP协议一致性测试举例说明。
- 测试环境
End Station节点的测试环境如图7所示。
图7 AVB部件级测试环境示意图
- 测试结果分析
部分测试用例的测试报告如图8所示。
图8 End Station（非GM节点）测试报告
对非GM节点进行测试时，需要Tester仿真GM节点发送同步报文，同时还需正确应答非GM节点发送的请求报文。从图8中可以看到此次测试执行中有25条失败条目，其中一半是在测试被测节点的PdelayReq状态机时失败，测试失败项包括wrong sequence ID in Pdelay Response、Lost and late Pdelay Response以及Invalid Pdelay Response等。通过数据分析及确认发现，由于此被测节点的异常处理记录功能存在未实现和实现有误的情况，因此导致对应的测试项失败。
AVnu AVB节点级性能测试和系统级测试
如图9所示，车内不同应用场景对延时有不同的要求。所以除上述的配置测试和一致性测试，还需对AVB节点进行性能测试，包括节点的时间稳定性等。
图9 不同应用场景对时延的要求
对于系统级测试，时间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，这对测试通信硬件接口设备的性能指标（例如被测设备接入后所产生的额外时延等）提出非常高的要求。
我们采用德国TSN Systems公司的TSN Tools软件和TSN Box硬件，实现AVB数据的采集以及时延分析等功能。系统级测试连接示意图如图10所示。
点击下图10可了解如何通过TSN Systems系统平台构建IEEE1733协议的演示和验证系统。
图10 AVB系统级测试接线示意图
小结
当前AVB在汽车行业尚未广泛应用，一方面是从技术必要性的角度考虑，更大的障碍是开发难度的问题。随着基于域控（Domain）/区控（Zone）的网络架构和更高等级自动驾驶对通信的实时性、鲁棒性和安全性提出的更高需求，AVB的升级版TSN将逐渐成为趋势。笔者通过多份技术文档的相互佐证，深信某Global OEM基于新一代E/E架构开发的车型（近期已上市），应用了AVB/TSN部分标准（比如gPTP等），对于AVB/TSN的应用和测试也是为未来进行技术和经验储备。
本文所使用的方案和工具链同步支持AVB/TSN部件、系统和实车级的测试需求，与君共勉，期待进一步交流和合作。
