Időkritikus járműfedélzeti hálózatok Ethernet-AVB alapon

Az Ethernet AVB/TSN hálózatok alapelvei automotív környezetben

A jelenkor irodaügyviteli hálózatai szinte elképzelhetetlenek az Ethernet nélkül. Előnyeire számot tartanak a kiszámíthatatlan időzítésekre és az adatvesztésre kényes ipari és automotív rendszerek is. Cikkünk az Ethernet előnyeit megőrző, és a hátrányait kiküszöbölő továbbfejlesztésekből mutat be néhányat.

A különböző hálózattípusok közötti hidakon át megvalósuló, csomagalapú kommunikáció mára világszabványnak tekinthető. Napjainkban a legkülönbözőbb méretű és bonyolultságú rendszerekben használatos például szerverekben és repülőgépekben éppúgy, mint kis méretű, távirányított eszközökben, távérzékelőkben és „a dolgok internete” (Internet of Things – IoT) számos alkalmazásában.

Az Ethernet-keretek vagy IP-csomagok akadálytalanul továbbíthatók a különféle fizikai hordozókon, mivel az Ethernet „lecsatolódott”, függetlenedett az eredeti fizikai rétegétől. Ezáltal a különféle hálózattípusokra csatlakozó eszközök zavartalanul kommunikálhatnak egymással, mint például egy celluláris hálózatra csatlakozó mobiltelefon is képes kommunikálni egy autó fedélzetén elhelyezett, ISO21806 szabványú INICnet™-hálózattal a jármű telematikai egysége – más néven átjárója (gateway) – segítségével. Az IP-csomagok így zavartalanul továbbítódnak az adótól a vevő felé.
Ez így rendben is lenne, de mi a helyzet az átviteli időkkel, azok „lappangási idejével” (latenciájával) az adattovábbítás közben, a kézbesítési idő bizonytalanságával és az elveszett adatcsomagokkal? Sajnos az eredeti Ethernet-szabvány nem determinisztikus, azaz nem tudjuk ellenőrzésünk alatt tartani, mikor és mennyi adat továbbítása engedélyezett az eszközök számára, sem pedig azt, hogy az adó által elküldött csomagok milyen útvonalat járnak be, míg eljutnak a vevőig. Az eszközök közötti adattovábbítási idők is folyton változnak, sőt, ha a hálózat túlterhelt, egyes adatcsomagok el is veszhetnek. Ez a viselkedés nem fér össze a kritikus alkalmazások igényeivel, ahol garantálni kell az alacsony latenciaidőt, valamint az adatcsomagok biztos kézbesítését.
Az alacsony latenciaidejű és determinisztikus viselkedésű hálózatok alkalmazása csak részben jelent megoldást. Minden piacon növekszik az igény a szabványosított és nyílt technológiák iránt, amelyek függetlenek bármiféle gyártó egyedi megoldásaitól. Ráadásul elvárás az is, hogy a szabványos technológiák használatához ne legyen szükség sem különleges szakértelemre, sem pedig bonyolult és költséges gateway-eszközökre.
Mindezen követelmények teljesítése érdekében a szakmai közösség sok éve tanulmányozza az Ethernet gyenge pontjait. Az idők folyamán változatos megoldások születtek arra, hogy javítsák az Ethernet valós idejű képességeit, az AVB/TSN-követelmény­rendszernek való megfelelést is beleértve. A hang- és képinformáció megbízható továbbítására (Audio Video Bridging – ABV) szolgáló megoldás kidolgozását az IEEE egyik szabványosítási munkacsoportja kezdte el 2008-ban. Az akkor kitűzött cél az Ethernet azon képességeinek javítása volt, amelyek révén időkritikus hang- és képinformációt lehet továbbítani. Az „AVB” fogalom nemcsak az IEEE 802.1BA szabványra terjedt ki, hanem az alábbiakat is magába foglalta:

• IEEE 802.1AS: az időszinkronizációról,
• IEEE 802.1Qav: az adási és közbenső adatkeret-tárolás (bufferelés) szabályozásáról adatkapcsolókban,
• IEEE 802.1Qat: a dinamikus sávszélesség-hozzárendelésről az audo- és video-adatáramláshoz,
• IEEE 1722: az átviteli protokollról, és végül az
• IEEE 1722.1: az AVB-képességű hálózatok és hálózati eszközök dinamikus konfigurálásáról.

A szabványt 2011-ben véglegesítették és publikálták. Kezdetben a multimédia-alkalmazások sokaságában került felhasználásra, később az ipari alkalmazásokban – különösképpen az időkritikus parancsok és szenzoradatok továbbításánál – is teret nyert. Amint a „nem multimédia”-alkalmazásokban is észlelték az AVB iránti érdeklődés növekedését, az IEEE keretében egy új munkacsoport kezdte meg működését az időérzékeny hálózati alkalmazások szabványosítására (Time Sensitive Networking – TSN). A TSN-csoport befogadta az AVB-munkacsoport által létrehozott szabványokat, és egyben egy sokkal szélesebb alkalmazási kört célzott meg a professzionális audio- és videoátvitel, az ipari, az automotív, a repülési és űrtechnológia területén.
Az automotív területen az eredeti AVB-szabványok máig használatban vannak, de néhány esetben már ezeknek a TSN-munkacsoport által felülvizsgált változatait is alkalmazzák. Ez a cikk főként azokkal az AVB-szabványokkal foglalkozik, amelyek azonosnak tekinthetők a TSN-megfelelőikkel (1. ábra).

1. ábra Az AVB-rendszerek tipikusan ezen elemek különféle részhalmazai

Időszinkronizáció gPTP-protokollal

Az IEEE 802.1AS általánosított, precíziós időszinkronizáló protokoll (Generalized Precision Time Protocol – gPTP) az összes ABV-képességgel felruházott rendszer közös alapja. A rendeltetése emlékeztet a számítástechnika világából jól ismert hálózati időszinkronizáló protokolléra (Network Time Protocol – NTP). Az NTP biztosítja, hogy egy helyi hálózaton belül található óragenerátorok időadatai – legjobb esetben milliszekundum pontossággal – szinkronizálva legyenek egy viszonyítási alapként kijelölt (referencia) óra adataival. Ez a pontosság tökéletesen elegendő a számítógépek és szerverek esetében, de túlságosan pontatlan a szinkronizált vagy időkritikus alkalmazások igényei­hez viszonyítva.
A gPTP egy sokkal pontosabb időalap-szétosztást tesz lehetővé az Ethernet-eszközökből álló hálózatokon, rendszerint a mikroszekundumos – vagy jobb esetben akár nanoszekundumos – pontosságtartományban. A gPTP lényegében kétféle mechanizmust egyesít: a referenciaidő szétosztását és az átviteli idő beszámítását.
A referenciaidőt egy vagy több hálózati csomópont (vagy ahogy az IEEE-szabvány ezekre hivatkozik: gPTP master) osztja szét egy vagy több kliens (az IEEE-szabvány szerint gPTP slave) számára. Az IEEE 1588 kétlépcsős eljárásához hasonlóan a gPTP mindig két keretet küld egymás után: ezek a „Sync” és a „Sync Follow-Up” (2. ábra). A kliensek az ezekben foglalt időbélyeget használják arra, hogy a helyi órájukat a referenciaidőre beállítsák, amely biztosítja, hogy a hálózatra csatlakozó összes készülék pontosan ugyanazt az időalapot használja. Egy nagy pontosságú időalap azonban csak akkor hozható létre, ha a hálózati adatátviteli késleltetést is figyelembe veszi. Ez egy úgynevezett peer-delay méréssel valósul meg, amely páronként hajtódik végre a közvetlenül szomszédos hálózati csomópontokkal. A csomópontonként mért átviteli idők összege adja a peer delay értéket, amellyel a gPTP-idő értékét helyesbíti a rendszer.

2. ábra A gPTP időreferencia és a gPTP kliensek interakciója

Átviteli protokollok

• IEEE 1722 – AVTP
  Az AVTP (Audio Video Transport Protocol) az Ethernet AVB szabványos átviteli protokollja mind az audio-/video-, mind az időkritikus adatok továbbítására. Ez egy, az ISO/OSI hálózati hivatkozási modell 2. rétegére épülő, „pehelysúlyú” protokoll, amelyben az eszközöket azok MAC-címe azonosítja. Mivel ehhez nincs szükség az egész IP-protokollverem integrálására, jelentősen csökken a projektek és tervek mérete, költsége és bonyolultsága.
• IEEE 1733 – RTP/RTCP
  Az RTP és az RTCP (IETF RFC 3550) IP-alapú hálózati protokoll, amelyet audio- és videoadatok Ethernet-alapú továbbítására dolgoztak ki. Ezt már sok éve használják mindenféle ipari és fogyasztási alkalmazásban, köztük megfigyelő videokamerákban és kaputelefonokban. Az IEEE 1733 lényegében az RTP/RTCP adaptációja az IEEE-szabványrendszerbe, amellyel szinkron adatátvitelt lehet megvalósítani AVB-környezetben, és egyben az IEEE 1722 IP-alapú alternatívájának is tekinthető.

Forgalomszabályozás

Egy tipikus Ethernet hálózat számos végpontot (számítógépeket, készülékeket) és hidakat (kapcsolókat, gateway-eket stb.) tartalmaz. Tekintet nélkül a választott átviteli protokollra, az adatok Ethernet-keretekbe vannak csomagolva, amelyek az adótól számos híd („ugrópont”) érintésével jutnak el a vevőig. Az, hogy az adatok hogyan és mikor kerülnek továbbításra, előre meg nem határozható. Az útvonalba eső hidak a kereteket lassan („store and forward”, csak a teljes keret megérkezése után) vagy gyorsan („cut through”, a keret végét meg sem várva, amint lehet) továbbíthatják. Ha a hálózaban adattorlódás történik, a kereteket esetenként átmenetileg tárolják egy bizonyos ideig, sőt, a legrosszabb esetben egyes keretek el is veszhetnek. Az ipari és automotív rendszerek alacsony és kiszámítható (determinisztikus) latenciaidőt követelnek meg, mindenekelőtt megbízható adattovábbítással, keretvesztés kockázata nélkül. A forgalomszabályozás, az IEEE 802.1Q szabványnak a szolgáltatás minőségét (Quality of Service) tárgyaló része ezzel a követelménnyel is foglalkozik. A forgalomszabályozás azokat a stratégiákat határozza meg, amelyek szerint a kereteket a hidaknak kezelniük kell azok elsőbbségi igényei szerint. A forgalomszabályozásra vonatkozik néhány szabvány, mint például:

• IEEE 802.1Qav: az időzítésre érzékeny adatfolyamok továbbításáról és sorbaállításáról (Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams – FQTSS), amelyet néha kreditalapú forgalomszabályozásnak (Credit Base Shaper – CBS) is neveznek,
• IEEE 802.1Qbv: az ütemezett forgalomról, amelyet általában időtudatos forgalomszabályozásnak (Time Aware Shaper – TAS) neveznek,
• IEEE 802.1Qch: a ciklikus sorbaállításról és továbbításról, és az
• IEEE 802.1Qcr: az aszinkron forgalomszabályozásról.

Az automotív iparágban főként a CBS és a TAS használatos.

CBS – kreditalapú forgalomszabályozás (802.1Qav)

A kreditalapú forgalomszabályozást használó hálózatokban minden Ethernet-eszköz kap egy bizonyos „hitelkeretet” (kreditet), amellyel keretek küldésére használható időt „vásárolhat”. Amíg a maradék kredit pozitív, az eszköz folytathatja az adatkeretek küldését. Ha a „hitelkeret” kimerült, az eszköz nem küldhet további adatkereteket, hanem várnia kell, amíg a hitelkeretét újra feltöltik. Ez a stratégia az adatsávszélesség hatékony kihasználását teszi lehetővé. Nincsenek előre lefoglalt időrések. Azok a végpontok, amelyeknek csak időnként kell adatokat küldeniük, felhalmozhatják kreditjeiket, és egyszerre használhatják fel. A CBS-t használó AVB-rendszerek viszonylag egyszerűen konfigurálhatók.

TAS – időtudatos forgalomszabályozás (Time Aware Shaper 802.1Qbv)

A Qav-től eltérően az IEEE 802.1Qbv stratégiája időrésalapú modellre épül. Ahelyett, hogy az adatok továbbítására alkamas hálózati időt próbálná célszerűen felosztani, inkább az adások gyakoriságának tulajdonít nagyobb fontosságot. A csomópontoknak tehát nem áll rendelkezésére tetszőleges idő az adásaikhoz, viszont garanciát kapnak arra, hogy nagyon szigorúan szabályozott időközönként adási lehetőséghez jutnak. Ez azt jelenti, hogy a latenciaidő sokkal rövidebb és az adási lehetőség előre látható, determinisztikus.
A Qbv hátránya viszont, hogy a hálózati sávszélességet nem mindig használja ki jól. Ha egyes végpontok nem használják fel időrésüket, azok elvesznek, és elvész velük az általuk képviselt sávszélesség is. Ez a hátrány azonban ellensúlyozható a keretek prioritásának előzetes rangsorolásával (IEEE 802.1Qbu).

Együttműködés az AVNU által

A rendszertervezőknek az AVB megvalósításához rendszerkomponensek széles választéka áll rendelkezésre. Ehhez – a rendszerkövetelményektől függően – az AVB-megoldáskészlet különféle részhalmazai vehetők igénybe. Miközben ez segít a hardveralkatrészek minimalizálásában – hiszen csak azt kell megvalósítani, amire valóban szükség is van a működés során – ez együttműködési (interoperabilitási) problémákat okozhat, amennyiben a különféle gyártók termékei nem pontosan ugyanazokat az AVB-képességeket támogatják. A helyzetet tovább ronthatja, hogy a mérnökök esetenként különbözőképpen értelmezhetik az IEEE-szabványelőírásokat. Annak érdekében, hogy a különféle gyártók termékei együttműködhessenek egymással, az AVNU gyártói szövetség által kibocsátott „Ethernet AVB Functional and Interoperability Specification” (Az Ethernet AVB funkcionális és együttműködési specifikációja) című irányelv definiálja az automotív szektor által használt AVB-részhalmazok referenciáját, amelyet minden készülékben meg kell valósítani. Az AVB-képességű eszközök AVNU-kompatibilitását az AVB-termék gyártója külső szakértői intézményekkel vagy a gyártó saját termékvizsgáló alegységeivel is ellenőriztetheti.

Gyakorlati megvalósítás

A „való világbeli” alkalmazásokban az AVB-képességű hálózatok több alkotóelemből állnak össze: kapcsolókból, fizikai hordozószintből (PHY-rétegből) és végpontokból. Ahhoz, hogy a kívánt teljesítőképességet elérjük, minden kapcsolónak és végpontnak támogatnia kell az AVB-követelményeket.
Köszönhetően az IEEE-szabványoknak és az AVNU, valamint az OpenAlliance-specifikációknak (megjegyzés: ez utóbbiak esetében ellenőrizzük az R/TM jelzés meglétét), a különféle gyártóktól származó részegységek (például fizikai jelhordozók és kapcsolók) ma már magas fokon teljesítik az interoperabilitás feltételeit. Az AVB végpontokon belüli megvalósítása ennek ellenére mégis összetett és unalmas feladat.
Ezeket a rendszereket gyakran rendszercsipekre (System on Chip – SoC) vagy felső kategóriás mikrovezérlőkre alapozva szokás kidolgozni, amelybe számos szoftverkomponenst is be kell építeni: egy valós idejű operációs rendszert, az Autosar „de facto” szabványt követő szoftverelemeket és egy AVB-programvermet, amely utóbbihoz gyakran külső megoldásszállítók licencét kell megvásárolni. Az úgynevezett „AVB-végpont” alkatrészek, mint például a Microchip LAN9360 integrált áramköre, érdekes alternatívát kínálnak ennek a problémának a kezelésére. Ezek a végpontok egyfajta integrált AVB-protokollal kiegészített intelligens Ethernet-kontrollernek tekinthetők. Az AVB ezekben az esetekben tehát a hardverbe épített megoldásként azonnal használatba vehető, kiküszöbölve ezzel a szoftverfejlesztés szükségességét.

3. ábra Egy tipikus Ethernet-alapú AVB termékértékelő rendszer

Összefoglalás

Mióta az AVB csoport megalakult az IEEE keretében, az AVB/TSN magas érettségi fokot ért el. Az „AVB autók” már forgalomban vannak, és egyre több OEM veszi fel fejlesztési céljai közé ilyenek kidolgozását. Nyílt, szabványosított technológiájának köszönhetően számos interoperábilis hardver és szoftver már elérhető optimalizált, a kereskedelemben raktárról szállítható kivitelben. A múltban megkérdőjelezett, teljesen Ethernet-hálózattal működő, úgynevezett „All-Ethernet Car” vízió tehát ma már nem csak egy utópisztikus ötlet.

Szerző: Francis Ielsch, AIS termékmarketing vezető – Microchip Technology

www.microchip.com