引言
TSN是時間敏感網路（Time-Sensitive Network）的英文縮寫，是IEEE 802.1 TSN工作組開發的一系列資料鏈路層協議規範的統稱，用於指導和開發低延遲、低抖動，並具有傳輸時間確定性的乙太網區域網，是傳統乙太網在汽車等特定應用環境下的增強功能實現。
一、乙太網的歷史
乙太網的壽命是驚人的。記錄網路技術演變成乙太網的備忘錄被記於1973年5月。隨著計算機多年來的發展，出現了許多變化，但乙太網仍然是網路技術的選擇。這是因為乙太網不斷地更新、進化新的能力來適應當前快速變化的計算機行業，在這個過程中變成了全世界應用最廣泛的網路技術。
1973年5月22日，在加州施樂帕羅奧托研究中心工作的鮑勃·梅特卡夫在備忘錄上記述他發明的用於連線高階計算機工作站的網路系統，稱之為：“Xerox Altos”，該網路系統能夠在高階計算機工作站之間傳輸資料，也可用於高速鐳射印表機。PARC的發明還包括第一個個人計算機的鐳射印表機，隨著乙太網的誕生，第一個高速本地區域網（LAN）技術將所有連線在了一起。
圖：鮑勃·梅特卡夫的備忘錄
該革命性變化的先驅就是乙太網LAN能在計算機之間通訊。伴隨著網際網路和網路的發展，這種新型的計算機互動模式將通訊技術的新世界推向了現實。
圖：乙太網進化史
二、傳統乙太網的劣勢
大多數情況下，由於頻寬通常是由多個裝置共享的，這也是乙太網的優勢所在。而且所有的傳送端沒有基於時間的流量控制，那麼這些傳送端永遠是盡最大可能傳送資料幀（盡力而為）。這樣來自不同裝置的資料流就會在時間上產生重疊，即我們通常所說的衝突。如圖所示，在這種情況下，因為所有資料流重疊/衝突的部分會遵循QoS優先機制進行轉發，一部分的資料包肯定會被丟棄。
圖：重疊資料被丟棄
乙太網的發明時間太早，並沒有考慮實時資訊的傳輸問題。儘管RTP（Real-time Transport Protocol）能在一定程度上保證實時資料的傳輸，但並不能為按順序傳送資料包提供可靠的傳送機制。因此，想要對所有的資料包進行排序，就離不開對資料的緩衝。但一旦採用緩衝的機制就又會帶來新的問題—極大的延時。
換句話說，當資料包在乙太網中傳輸的時候從不考慮延時、排序和可靠交付。傳統乙太網最大的缺點是不確定性或者說非實時性，由於Ethernet採用CSMA/CD方式，網路負荷較大時，網路傳輸的不確定性不能滿足車載控制的實時要求，故傳統乙太網技術難以滿足控制系統要求準確定時通訊的實時性要求，一直被視為“非確定性”的網路。儘管傳統二層網路已經引入了優先順序（Priority）機制，三層網路也已內建了服務質量（QoS）機制，仍然無法滿足實時性資料的傳輸。
此外，在傳統乙太網中，只有當現有的包都處理完後才會處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車內應用的需求。更何況目前是Mbit/s的速率，延遲最多可能達上百毫秒，這肯定是無法接受的。
三、車載乙太網的變革
隨著音影片娛樂大量進入汽車座艙，IEEE著手開發用於音影片傳輸的乙太網，這就是AVB。AVB-音影片橋接技術（Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任務組於2005開始制定的一套基於新的乙太網架構的用於實時音影片的傳輸協議集。
比如在一個頻寬裡，有非實時資料和3個實時資料流。未經整形的頻寬，極易產生重疊：
圖：多重資料流產生重疊
而經過流量整形每個流所佔的頻寬會在同一個時間節點，所有的非實時流可以見縫插針提高對頻寬的佔用率，這就是AVB的基本原理。
圖：經過流量整形的資料流
AVB主要在針對多媒體資料，適用面太窄，2012年11月，AVB工作小組改名TSN工作小組。TSN是一系列標準的集合，TSN的核心應用是異構性網路的實時、高可靠性，高時鐘同步性資料交換。也就是說主要用於骨幹傳輸網，而非節點。
TSN主要支持者包括思科、英特爾、瑞薩、庫卡、三星、哈曼、寶馬、通用汽車、現代汽車、博世、博通、德州儀器、NXP、三菱電機、LG、Marvell、通用電氣等。TSN是一系列標準，非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇。
汽車、工業自動化是主要應用場合，這些場合至少有兩種的傳輸匯流排，通常是CAN和乙太網，汽車則還有MOST、Flexray、LIN、CAN-FD等，這些是使用者習慣、成本和研發成果複用性決定的，不可能改變。如果非異構性網路，TSN優勢不明顯。
四、TSN技術的關鍵
TSN標準包括時鐘同步、低延遲、可靠性、資源管理四大類。
圖：TSN標準全覽
1
時鐘同步
所有通訊問題均基於時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題，TSN工作組開發基於IEEE1588的協議，並制定新的標準IEEE802.1AS-Rev。它用於實現高精度的時鐘同步。對於TSN而言，其最為重要的不是“最快的傳輸”和“平均延時”，而是“最差狀態下的延時”—這如同“木桶理論”，系統的能力取決於最短的那塊板，即對於確定性網路而言，最差的延時才是系統的延時定義。
圖：“木桶理論”
IEEE1588 協議，又稱 PTP（ precise time protocol，精確時間協議），可以達到亞微秒級別時間同步精度。它的主要原理是透過一個同步訊號週期性地對網路中所有節點的時鐘進行校正同步，可以使基於乙太網的分散式系統達到精確同步，IEEE 1588PTP時鐘同步技術也可以應用於任何組播網路中。
圖：802.1AS時鐘實時冗餘
目前主流的802.1AS增加了時鐘冗餘和時鐘傳輸路徑冗餘的實現，對滿足車輛功能安全的需求提供了統一的解決方案。
如圖示例，TSN可以確保主控單元、後座娛樂系統以及功放控制器這三個模組的精確時鐘同步，確保每一幀畫面和音訊的同步播放，從而有效保障了車載環境中的影音播放質量，給予終端消費者完美的娛樂體驗。
2
低延遲
汽車控制資料可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic，Scheduled Traffic如底盤控制資料，沒有任何的妥協餘地，必須按照嚴格的時間要求送達，有些是只需要盡力而為的如娛樂系統資料，可以靈活掌握。汽車行業一般要求底盤系統延遲不超過5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，這也是車載乙太網與通用乙太網最大不同之處，要求低延遲。
在TSN標準裡，資料則被分為4級，最高的預計延遲時間僅為100微秒，低延遲的核心標準是IEEE802.1Qbv時間感知佇列。
透過時間感知整形器（Time Aware Shaper）使TSN交換機能夠來控制佇列流量（queued traffic），乙太網幀被標識並指派給基於優先順序的VLAN Tag，每個佇列在一個時間表中定義，然後這些資料佇列報文的在預定時間視窗在出口執行傳輸，其他佇列將被鎖定在規定時間視窗裡。因此消除了週期性資料被非週期性資料所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，可知的。而在TSN網路的資料包文延時被得到保障。
在網路進行配置時佇列分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對於Schedule而言則直接按照原定的時間規劃透過，其他則按優先順序，Best-effort通常排在最後。Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時資料的傳輸，以及其他非實時資料的交換。
對於特別重要的資料，TSN規定了一個搶佔機制，它由802.1Qbu/802.3br共同構成。對於IEEE802.1Qbu的搶佔而言，正在進行的傳輸可以被中斷，報文按等級可被分為可被搶佔和搶佔幀，搶佔生成框架，最小乙太網幀受到保護的，127位元組的資料幀（或剩餘幀）不能被搶佔。IEEE802.1br定義了，設計了快速幀的MAC資料通道，可以搶佔Preemptable MAC的資料傳輸。
舉個例子，某些關鍵的自動駕駛資料可以透過搶佔機制，透過類似高速的應急通道對普通資料進行加速超車，從而提高了整體網路的靈活性。
3
高可靠性
TSN中保證高可靠性主要依靠802.1CB標準。這也是無人駕駛必須用TSN的主要原因，也只有TSN能讓整個系統達到功能安全的最高等級ASIL D級。同樣，與自適應AUTOSAR的捆綁程度也比較高。
眾所周知，L4級無人駕駛需要一個冗餘處理器，但是主處理系統和冗餘處理系統之間的通訊機制如何建立？這就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是兩套系統間的冗餘，晶片之間的冗餘還是多采用PCIE交換機的多主機fail-operational機制，兩者有相似之處。
對於非常重要的資料，802.1CB會多傳送一個資料備份，這個備份會沿著最遠離主資料路徑交集的路徑傳輸。如果兩個資料都接收到，在接收端把冗餘幀消除，如果只接收到一幀資料，那麼就進入後備模式。在ISO/IEC 62439-3中已經定義了PRP和HSR兩種冗餘，這種屬於全域性冗餘，成本較高，802.1CB只針對關鍵幀做冗餘，降低了成本。
域控制器階段，TSN的必要性還不是太突出，但是ADAS領域的域控制器，TSN的優勢明顯，未來進入到SOA架構階段，即混合域和Zonal階段，TSN交換機和物理層IC都是不可或缺的。一旦轉進到SOA架構，TSN很快將取代AVB成為主流。
4
資源管理
TSN的網路資源管理主要標準是802.1Qcc，802.1Qcc用於實現對網路引數的動態配置，以滿足裝置節點和資料需求的各種變化。
802.1Qci主要為防止網路攻擊和流量過載設計，又稱之為Ingress Policing，它對每個流量都進行過濾和管理，簡稱PSFR，資料流濾波器包括資料ID、優先權、濾波值、Meter（計量）ID、計數器。
圖：802.1Qci保證無人車網路安全的入口管理
802.1Qci專門對付DDoS這樣的網路攻擊，假如一個資料流流量突然增大，有可能擠壓另一個資料流的頻寬時，入口管理政策會將資料流整形，強制回到資料流爆發前的狀態。此外，802.1Qci還可以對付ARP欺騙攻擊，802.1Qci可以識別這種欺騙，並阻止錯誤資訊的傳送。
五、TSN晶片的應用
2010年後，IEEE著手將乙太網全面升級為TSN網，整個過程可能需要20年。TSN應用範圍很廣，涵蓋6個領域，分別是：
1. 乙太網音影片橋即AVB，802.1BA標準；
2. 5G射頻前傳FrontHaul，即802.1CM/de標準；
3. 工業自動化即IEC/IEEE 60802標準；
4. 車載TSN即802.1DG標準；
5. 服務供應商Service Provider即802.1DF標準；
6. 航天Aerospace Onboard即IEEE P802.1DP/SAE AS6675標準。
早在二十一世紀的第一個十年，一個叫作航空電子全雙工交換式乙太網（AFDX，Avionics Full Duplex Switched Ethernet）的技術已經在民用客機上落地。目前為止，空客A380、A350，波音B787都使用了AFDX。
AFDX的思路就是用以太構建飛機上的骨幹網，混合承載多種流量。透過對流量的源端整形，在網路裝置上使用優先順序排程，運用確定性網路演算（DNC，Deterministic Network Calculus）技術計算出所有流量的時延上界——該上界滿足各流量相應的需求，這是飛機透過有關當局適航驗證的必要條件之一。值得一提的是，TSN中，使用CBS、ATS等方案保障時延，也依賴於網路演算技術計算精準的時延上界。有了AFDX作為成功案例，機載網路準備“擁抱”TSN也就顯得順理成章。相對於AFDX，TSN可以提供更多更靈活的排程機制和更豐富的功能。
圖：空客A380機載網路採用環網乙太網
當前車內網路匯流排種類繁多、佈線成本高，而且線纜總重量很大。車內最重的，除了引擎和底盤，就是線纜了。隨著汽車技術的發展，高階輔助駕駛系統（ADAS）、車載娛樂、車聯網應用等都引入了新的流量。隨著車內電子電氣架構革新，車載網路以太化、基於交換式以太構建車內骨幹網路，成為大趨勢。
車載網路對時延有要求的流量，一類是控制流量，例如控制天窗，時延較大會影響使用者的體驗，還有一類是感測資訊、媒體類的流量，同樣地，既有來自如鐳射雷達、毫米波雷達、影片攝像頭的流量，這些與安全相關，也有車載娛樂相關的音影片流量。顯而易見的是，這些流量的特徵和需求各異，有的佔頻寬大、有的佔頻寬小，有的是週期性的、有的是事件觸發的，有的要求有界低時延和極高可靠性，有的僅要求一定的有界時延。因此，僅僅是普通的乙太網車載網路，不足以滿足上述需求，TSN自然而然地成為了首選。另外，AVB已經是當前汽車上幾種音影片方案的選項之一，也為向TSN的過渡打下基礎。
TSN乙太網上基於AS實現時鐘同步，建立了一個有彈性可擴充套件的架構，之後與同步相關的需求都可以納入同一個框架裡輕鬆解決，在可行性和前瞻性中間達到了一個平衡，以不變應萬變。綜上以太環網加TSN的解決方案會在未來成為一個必選項。
圖：華為CCA架構的理想形態
六、TSN晶片的未來
乙太網技術誕生40多年，在很多領域其實是以挑戰者的身份出現最後佔據了統治地位，比如在電信網路中挑落ATM技術，在高效能運算網路中擊敗Infiniband技術，車載網路裡面對MOST乙太網也是後來居上。
乙太網所依仗的優勢無非這幾點：（速率）量大管飽，沒有專利牆，協議簡單，行業應用廣泛可以互相借鑑。這裡所有點其實都命中同一個關鍵詞就是“省錢”。儘管現階段車載乙太網的成本優勢不夠大，但隨著滲透率的提高，TSN乙太網在不久的將來會成為最經濟的選擇。
當前滲透率最高的攝像頭通訊是SerDes（GMSL是其中一種實現方式）佔據主流，那乙太網還有機會嗎？其實是有的，比如Marvell就一直在推乙太網傳攝像頭資料的方案。
圖：Marvell的乙太網傳輸感測器資料的方案
原因在於：
未來乙太網成本降低會帶來經濟性方面的優勢，近一兩年湧現的車載算力集中化的實現可能將過往攝像頭自帶的影象處理/影片壓縮等能力轉移到自駕域控上，而無壓縮原始影片的傳輸會對通訊鏈路提出更高的頻寬需求（1Gbps to 10/25Gbps），而這超出了SerDes的能力範圍。
基於車載應用的日新月異，未來會存在感測器間互動的需求，基於分組交換的乙太網比點到點的SerDes實現起來方便多了，這也是當前在具身智慧領域內網通訊普遍採用乙太網的原因－感測器間互動頻繁。
綜上TSN乙太網在自駕域乃至整個車載網路中的地位可以說“絕對權重，未來可期”。
未來Zonal架構下，單車搭載7片以上的TSN乙太網交換晶片，對應千元級別的單車價值量。
圖：TSN為骨幹網的Zonal架構
雖然當前國內車載乙太網晶片的市場規模已超百億，但國內車載TSN乙太網交換晶片的供應大多來自美滿電子和博通，國內自主供應處於空白。一方面是行業壁壘較高，需要對通訊有較深的積累，另一方面雖然當前國內汽車智慧化進度領先，但在此之前美資廠商博通和美滿電子在底層應用和技術上與海外主機廠配合較多，擁有一定話語權。
圖：小鵬P7自駕域控制器，綠色框為Marvell的車載乙太網晶片88EA6321
圖：理想L9自駕域控制器，3號藍框為Marvell的車載TSN乙太網晶片88Q5072，4號藍框為Marvell的車載TSN乙太網晶片88Q6113
2024年底，美國商務部以維護國家安全為由，宣佈了新的出口管制規定，將140家中國企業列入實體清單，將更多半導體裝置、高頻寬儲存晶片等半導體產品列入出口管制。
包括中國汽車工業協會、中國半導體行業協會在內的多個官方組織表示：“美國政府隨意修改管制規則，嚴重影響了美國晶片產品的穩定供應，中國汽車行業對採購美國企業晶片產品的信任和信心正在被動搖，美國汽車晶片產品不再可靠、不再安全。為保障汽車產業鏈、供應鏈安全穩定，協會建議中國汽車企業謹慎採購美國晶片。”
隨著《國家汽車晶片標準體系建設指南》白皮書的出臺，國內的車規晶片廠商相繼開始破冰，據主機廠供應鏈訊息，多家主機廠正在匯入國內廠商奕泰微的車載TSN乙太網交換晶片。
圖：主機廠匯入中的國產車載TSN交換晶片
在可以預見的未來，與國內智慧化領先的主機廠攜手，我們相信會走出一批世界一流的國產車規晶片廠商。
