車載乙太網第二彈|測試之實錘-AVB測試實踐
背景
AVB（Audio Video Bridging）音影片橋接，是由IEEE 802.1標準委員會的IEEE AVB任務組制定的一組技術標準，包括精確時鐘同步、頻寬預留和流量調度等協議規範，用於構建一個低延遲、高可靠的車載乙太網網路。
2012年11月，AVB任務組變更為「TSN（Time-Sensitive Networking）——時間敏感網路」任務組。TSN在AVB的基礎上進一步延伸，從專業音影片領域擴展到工業自動化、移動通訊、汽車等領域。因此掌握AVB協議，可為理解TSN協議打好基礎。圖1為TSN對AVB的繼承和擴展。
圖1 AVB和TSN協議對比
AVB/TSN協議標準
AVB包括多個不同的協議，在具體應用時可根據實際情況進行裁剪和選擇，取決於功能場景的需求及開發難度（註：實現整個AVB協議族的開發難度很大）。
圖2 IEEE 802.1協議標準
為了便於音影片數據的可互操作性，在AVB核心標準基礎上，IEEE定義了1722和1733（時間敏感應用傳輸協議）用於傳輸音影片數據，滿足Talker和Listener之間實時的、高品質的音影片數據傳輸要求。為保證AVB節點之間的互操作性，IEEE定義了一個應用層協議1722.1，用於滿足1722終端設備之間的發現、枚舉、連接管理和控制。
圖3 IEEE 1722/1733協議標準
AVnu車載乙太網AVB功能和互操作性規範
為將AVB協議應用於車載設備，AVnu聯盟發布車載乙太網AVB功能性和互操作性基礎規範——「AVB汽車配置文件」，定義AVB在汽車資訊娛樂系統和前視、後視等輔助攝像系統中的應用場景。
AVnu互操作性規範對車載AVB設備以及汽車特定的應用場景做如下約定：
網路和設備啟動
- 埠自協商應被禁止
- 為了獲取AVB設備的內部狀態，定義三種車載AVB設備狀態：Ethernet_Ready、AVB_Sync和AVB_Media_Ready。通過狀態報文獲取每種狀態的資訊，其中狀態報文必須攜帶進入該狀態的時間戳
- 為了約束車輛啟動時設備的啟動時間，定義車載乙太網網路的最大啟動時間，以及進入三種狀態的最大時間要求
gPTP
- 預先配置車載網路中GM（Grandmaster）節點，無需使用BMCA（最佳主時鐘演算法）
- GM節點啟動後應儘可能快的發送同步報文
- 固定的時鐘生成樹，Bridge節點的master埠不需要測量路徑對等延時
- 定義Bridge節點對同步報文丟失、不連續、同步恢復等異常情況的處理
媒體格式
- 減少需要支援的音影片格式，僅定義AVTP音頻格式（AAF）、壓縮影片格式（H.264、MJPEG）、非壓縮影片格式（MPEG2-TS）和時鐘參考格式（CRF）相關需求
流預留類別
- 靜態配置所有AVB流預留
- 對於汽車特定的應用，除了支援標準的SR A和SR B類流，衍生出兩個優化的流類，其發送時間間隔為：1333.33µs（64Sample/Frame，48kHz）和1451.25µs（64Sample/Frame，44.1kHz）
異常處理和診斷
- 定義需要監控並報告的異常處理：乙太網鏈路狀態事件和數據丟失，IEEE 802.1AS異常處理，以及IEEE 1722媒體流異常處理
- 定義一些主要的診斷事件計數，包括乙太網介面、乙太網橋接、AVB協議，以及IEEE 1722傳輸
AVnu車載乙太網AVB測試認證
為確保AVB設備之間的互操作性，AVnu聯盟為汽車行業制定了車載AVB部件級一致性測試計劃，用於驗證AVB協議標準以及AVnu車載AVB互操作性規範中定義的特殊要求。
圖4 汽車行業車載AVB部件級一致性測試計劃與對應的IEEE標準
Automotive gPTP
用於驗證IEEE 802.1AS-2011標準實現於車載AVB設備的gPTP協議一致性測試，主要包括以下內容：
- gPTP參數和配置測試
- 基於IEEE 802.1AS標準定義的gPTP協議狀態機測試
- gPTP-Bridge特定測試三部分
Automotive EndStation
用於驗證IEEE P1722/D16-2015標準實現於車載AVB設備的AVTP協議一致性測試，主要包括以下內容：
- AVTP通用需求測試
- MPEG-TS和61883-4影片格式測試
- AVTP音頻格式測試
- MJPEG和H.264壓縮影片格式測試
- 音頻時鐘參考格式測試
- 流預留類測試
Automotive Bridge FQTSS and SR Classes
用於驗證IEEE 802.1Qav-2009標準實現於車載AVB Bridge的FQTSS協議一致性測試，主要包括以下內容：
- 埠數據轉發測試
- 基於信用的整形演算法驗證測試
- Bridge埠優先順序重映射測試
車載AVB協議一致性測試實踐
AVB協議配置測試
由於車內採用靜態網路拓撲，所有AVB流預留採用靜態配置，因此AVnu並未針對汽車AVB設備發布SRP協議一致性測試規範。所以針對OEM/Tier1自定義需求，需對基本的配置和協議參數進行測試驗證。
我們通過德國Vector公司的VN5640硬體與被測對象相連接，利用CANoe 12.0+Option Ethernet軟體對AVB數據進行實時採集和監控。CANoe可解析gPTP和AVTP的報文頭格式，以檢測被測對象發送的報文是否符合需求定義。
- 測試結果分析
如圖5所示，選中Trace窗口中的Follow_up幀，左側窗口會顯示該報文數據的解析內容：
- 目標MAC地址為01:80:C2:00:00:0E，符合802.1AS需求定義
- Log Message Interval的值為-3，表示Sync和Follow_Up報文的發送周期為2-3=125ms，符合此次需求定義
- Precise Origin Timestamp為Sync報文離開乙太網收發器的時間戳，可解析為UTC時間格式顯示
圖5 gPTP報文解析圖
如圖6所示，選中Trace窗口中的AVTP幀，左側窗口顯示該報文數據的解析內容：
- 目標MAC地址為91:E0:F0:00:FE:01，符合MAAP需求定義
- Stream ID為MAC ID + Unique ID，符合此次需求定義
- 該音頻數據的資訊為：44.1kHz取樣率，雙聲道，16位深度，每幀取樣樣本為64個樣本（AVTP的報文周期為1,451µs）
圖6 AVTP報文解析圖
AVnu AVB節點的協議一致性測試
在一個gPTP域里，存在End Station和Bridge兩種節點類型，同時End Station又分為GM節點和非GM節點。我們採用思博倫的車載AVB一致性測試套件進行測試驗證，確保測試活動完全符合AVnu測試計劃的要求。
以某非GM節點的gPTP協議一致性測試舉例說明。
- 測試環境
End Station節點的測試環境如圖7所示。
圖7 AVB部件級測試環境示意圖
- 測試結果分析
部分測試用例的測試報告如圖8所示。
圖8 End Station（非GM節點）測試報告
對非GM節點進行測試時，需要Tester模擬GM節點發送同步報文，同時還需正確應答非GM節點發送的請求報文。從圖8中可以看到此次測試執行中有25條失敗條目，其中一半是在測試被測節點的PdelayReq狀態機時失敗，測試失敗項包括wrong sequence ID in Pdelay Response、Lost and late Pdelay Response以及Invalid Pdelay Response等。通過數據分析及確認發現，由於此被測節點的異常處理記錄功能存在未實現和實現有誤的情況，因此導致對應的測試項失敗。
AVnu AVB節點級性能測試和系統級測試
如圖9所示，車內不同應用場景對延時有不同的要求。所以除上述的配置測試和一致性測試，還需對AVB節點進行性能測試，包括節點的時間穩定性等。
圖9 不同應用場景對時延的要求
對於系統級測試，時間和同步特性同樣是測試的重點，包括系統的啟動時間、時間同步、時間抖動和延遲等測試場景，這對測試通訊硬體介面設備的性能指標（例如被測設備接入後所產生的額外時延等）提出非常高的要求。
我們採用德國TSN Systems公司的TSN Tools軟體和TSN Box硬體，實現AVB數據的採集以及時延分析等功能。系統級測試連接示意圖如圖10所示。
點擊下圖10可了解如何通過TSN Systems系統平台構建IEEE1733協議的演示和驗證系統。
圖10 AVB系統級測試接線示意圖
小結
當前AVB在汽車行業尚未廣泛應用，一方面是從技術必要性的角度考慮，更大的障礙是開發難度的問題。隨著基於域控（Domain）/區控（Zone）的網路架構和更高等級自動駕駛對通訊的實時性、魯棒性和安全性提出的更高需求，AVB的升級版TSN將逐漸成為趨勢。筆者通過多份技術文檔的相互佐證，深信某Global OEM基於新一代E/E架構開發的車型（近期已上市），應用了AVB/TSN部分標準（比如gPTP等），對於AVB/TSN的應用和測試也是為未來進行技術和經驗儲備。
本文所使用的方案和工具鏈同步支援AVB/TSN部件、系統和實車級的測試需求，與君共勉，期待進一步交流和合作。
