一、基本介绍

车载以太网AVB/TSN技术，简单来说，就是为了让标准以太网能够满足汽车内部对时间敏感数据的传输需求而开发的一套协议标准。它的核心目标是解决传统以太网“尽力传输”所带来的不确定性，为音频、视频以及关键的车辆控制数据提供确定性低延迟和高可靠性的通信保障。

这项技术经历了从AVB到TSN的演进过程，下面这张图可以清晰地展示它们之间的关系和核心组成：

📜 从AVB到TSN：技术的演进

1. AVB阶段：音视频的“专属通道”
   最初，为了解决车内娱乐系统音视频传输的同步和延迟问题，IEEE工作组在2008年左右开始制定AVB标准。它就像一个为音视频数据开辟的“专属通道”，通过以下机制保证了服务质量：
   • 精准时钟同步：使用广义精确时间协议（gPTP, IEEE 802.1AS），让网络中的所有设备都能共享一个精确的时钟，误差控制在微秒甚至纳秒级，确保声音和画面“步调一致”。
   • 带宽预留：通过流预留协议（SRP, IEEE 802.1Qat），在数据开始传输前就“预订”好所需的网络带宽，避免了拥堵。
   • 流量整形：采用基于信用值的整形器（CBS, IEEE 802.1Qav） 来平滑数据流的发送，避免突发流量对网络造成冲击。
2. TSN阶段：通用时间敏感数据的“高速公路”
   随着汽车智能化的发展，不仅音视频，像高级驾驶辅助系统（ADAS） 的控制指令、传感器数据等也对实时性提出了严苛要求。因此，AVB任务组在2012年正式更名为时间敏感网络（TSN）任务组，将AVB的能力进行了大幅扩展和增强，使其成为一个更通用、更强大的时间敏感数据传输方案。TSN可以看作是AVB的超集和演进。

🛠️ TSN的核心技术“武器库”

TSN为实现其确定性低延迟的目标，主要依赖以下几个核心技术，它们就像一套精密的“武器库”：

• 精准时间同步：在AVB的gPTP基础上进一步增强，实现了纳秒级的同步精度，并增加了时钟冗余等功能，即使主时钟失效也能快速切换，保证系统稳定。
• 流量调度与整形：这是TSN最关键的部分，确保关键数据能准时到达。
  • 时间感知整形器（TAS, IEEE 802.1Qbv）：为网络中的数据传输制定了一个精确的“时刻表”。交换机像一个智能“门卫”，只在预定的时间窗口打开“大门”让关键数据通过，从而保证了它们的传输延迟是完全可以计算的。
  • 帧抢占（IEEE 802.1Qbu / 802.3br）：当一个正在传输的非关键数据帧（比如一个大的文件）遇到紧急的关键数据需要发送时，它可以被“打断”和“拆分”，优先让关键数据插队先走。等关键数据发送完毕，再恢复传输刚才被打断的数据帧。这大大降低了关键数据的等待时间。
• 可靠性与冗余：对于安全至关重要的数据，TSN提供了“双保险”。
  • 帧复制与消除（FRER, IEEE 802.1CB）：在发送端将关键数据包复制一份，通过两条完全不同的物理路径发送到接收端。接收端会接收最先到达的那一份，并丢弃后到达的重复包。这样，即使一条路径发生故障，数据也能通过另一条路径无损到达，实现了“无缝冗余”。

🚗 AVB/TSN在汽车上的典型应用

这项技术在智能汽车上有着广泛的应用场景，可以概括为以下几类：

二、应用场景

场景一：在车载信息娱乐系统中的应用

在这个领域，AVB/TSN主要解决的是如何让高品质的音视频在车内复杂环境中流畅、同步地播放。

• 典型应用场景
  • 沉浸式音频：如杜比全景声，需要将数十个音频流精准地发送到车内各个扬声器，如果 timing 稍有偏差，声场就会混乱。
  • 多屏互动：后排乘客玩游戏、观看电影时，画面需要与声音严格同步，且多个屏幕之间（如中控屏与后排屏）的内容切换不能有卡顿或延迟。
  • 音效增强：如主动降噪或引擎声浪模拟，需要麦克风采集噪音后，在极短时间内通过扬声器发出反向声波，这对端到端的延迟要求极高（通常在几十微秒级别）。
• 主要使用的AVB/TSN技术
  • 精准时钟同步（gPTP，IEEE 802.1AS）：这是基础。所有扬声器、放大器、屏幕都同步到一个主时钟，确保它们以完全一致的节奏工作，从根本上解决了“音画不同步”的问题。
  • 流量整形（CBS，IEEE 802.1Qav）：音频数据流通常是恒定且平滑的，但视频数据可能是突发的。CBS（基于信用值的整形器）机制能确保在传输视频数据时，不会挤占音频数据所需的带宽，保证了音质的纯净。
  • 协议封装（IEEE 1722）：定义了一种标准化的方式，将音视频数据“打包”成可以在AVB/TSN网络上传输的数据包。它类似于一个通用容器，确保不同厂商的设备（如索尼的音响和三星的屏幕）能够读懂彼此的数据。
• 技术关注点
  • 用户体验：关注的是带宽保证、低延迟（人耳对声音延迟极其敏感）和零丢包。
  • 即插即用：用户可能会加装不同的音视频设备，系统需要能够自动发现并配置这些设备，保证其正常工作。

场景二：在高级驾驶辅助系统（ADAS）中的应用

在这个领域，TSN承载的是与行车安全息息相关的数据，其核心目标是保证数据传输的确定性和高可靠性。

• 典型应用场景
  • 传感器数据融合：摄像头、毫米波雷达、激光雷达采集到的海量数据，需要汇集到域控制器中进行融合处理，以构建车辆周围完整、实时的环境模型。任何一路数据的延迟或丢失，都可能导致感知出现盲区。
  • 控制指令下发：当域控制器计算出碰撞风险后，需要立刻向制动系统、转向系统发出执行指令。这条指令的传输延迟必须是可预测的，不能因为网络上同时有音乐下载或其他数据流量而被阻塞。
  • 环视系统：360°全景影像需要将四个摄像头的画面拼接成一幅完整的俯视图，这要求四个画面的时间戳必须严格对齐，否则拼接处会出现错位。
• 主要使用的AVB/TSN技术
  • 时间感知整形（TAS，IEEE 802.1Qbv）：这是实现确定性的关键。可以为ADAS控制指令这类最高优先级的数据，开辟一个专用的、受保护的“时间窗口”。在这个窗口内，交换机只转发控制数据，其他数据（如娱乐数据）即使已经到了也只能等待。这保证了控制指令的传输延迟是固定的、可计算的。
  • 帧抢占（IEEE 802.1Qbu / 802.3br）：这是一个更灵活的补充。当紧急的ADAS控制数据需要发送时，如果发现线路上正在传输一个长的、不太紧急的数据包（例如一个软件升级包），它可以强行“打断”这个包，优先把自己发送出去。被打断的包稍后会恢复传输。
  • 帧复制与消除（FRER，IEEE 802.1CB）：这是针对功能安全（ISO 26262）的设计。对于刹车、转向这类关键指令，系统会生成两份相同的数据包，通过两条物理上独立的路径（例如两条不同的线束或光纤）发送给接收端。接收端只接收先到达的那个包。如果一条路径因为线路故障或电磁干扰导致数据损坏或丢失，另一条路径的数据仍然能完好无损地到达，实现了零延迟的无缝冗余。
• 技术关注点
  • 功能安全：关注的是极低的、可计算的延迟上限，以及在出现故障时的容错能力（冗余）。
  • 带宽效率：ADAS数据本身可能不大，但要求极高实时性，如何在不影响普通数据通信的前提下，为这些关键数据提供“绿色通道”是核心。

总结一下：

总的来说，AVB为娱乐系统提供了高质量的服务保障，而TSN则在AVB的基础上，为ADAS这类安全关键型应用提供了“确定性”这一最关键的属性。