TSN 时间同步软件架构(上)

简介

车载网络中的时间同步对软件有很大的影响，特别是对时间和安全至关重要的应用程序的运行方式，以实现车载网络的鲁棒性和可靠性。 

IEEE802.1AS-2011 是最基本的时间同步版本，支持一个时间同步域，没有任何冗余功能。该时间同步版本主要用于故障安全车辆系统。 

IEEE802.1AS-2020 是 gPTP 的增强版，支持多个时域，以提高时间同步的可靠性。该时间同步版本主要用于故障运行车辆系统。

IEEE802.1ASdm 是 gPTP 的进一步增强版，可在各种车辆时间和安全关键 ECU 中实现更灵活的时间同步软件架构。

值得注意的是，选择合适的时间同步版本对于汽车制造商来说并非易事，因为他们需要确保满足可靠性要求。

本文将重点介绍各版本时间同步解决方案的软件架构，并对它们进行比较，以便汽车制造商和汽车供应商选择合适的解决方案。 

2011年IEEE802.1AS标准

当然，每个支持 IEEE802.1AS 2011 的 ECU 都应具备一定的硬件能力，特别是在硬件时钟精度以及媒体访问控制器中的硬件时间戳能力方面。

 

此外，还必须遵循 IEEE802.1AS 2011 标准中规定的专用软件架构。图 1 显示了执行不同算法所涉及的不同软件组件的详细信息，这些算法旨在纠正主节点和从节点之间的时钟偏差。 

图1：ECU IEEE802.1AS-2011 系统模型 

每个具有 IEEE802.1AS 功能的 ECU 应具有软件功能，可分为3个不同层： 

· 介质依赖层

· 介质无关层

· 应用层

介质依赖层

图2：介质依赖层 

介质依赖层负责构建时间同步帧，如sync、follow-up、pdelay-request、pdelay-response 和 pdelay-response-follow-up 帧。该层还负责接收这些帧，并为上层组件提取正确的信息。 

依赖于介质的软件组件按端口定义。它们转换从独立于介质层接收或发送的抽象 "MDSyncSend" 和 "MDSyncReceive" 结构，以及用于连接到端口的特定 LAN 的相应方法。

状态机基本上用于描述软件组件的行为。状态机如下

MDSyncReceive 状态机（如图2所示）：接收 Sync 和 Follow_Up 报文，并将这些报文中携带的时间同步信息发送给同一端口的 PortSync 实体（如图1所示）。

MDSyncSend 状态机（如图2所示）：接收来自同一端口的 PortSync 实体（如图1所示）的MDSyncSend结构，传输Sync报文，使用<syncEventEgressTimestamp>、经校正的 egressLatency 和 MDSyncSend 结构中包含的信息计算相应的 Follow_Up 报文所需的信息，并传输 Follow_Up报文。

MDPdelayReq：发送 Pdelay_Req 报文，接收与发送的 Pdelay_Req 报文相对应的 Pdelay_Resp 和 Pdelay_Resp_Follow_Up 报文，使用连续的 Pdelay_Resp 和 Pdelay_Resp_Follow_Up 报文中包含的信息计算连接链路另一端时间感知系统中 LocalClock 实体的频率与本时间感知系统中 LocalClock 实体的频率之比、  并使用从消息交换中获得的信息和计算出的频率比来计算连接链路上的传播延迟。

MDPdelayResp：接收来自所附链路另一端 MD 实体的 Pdelay_Req 报文，并用 Pdelay_Resp 和 Pdelay_Resp_Follow_Upm 报文进行响应。

LinkDelaySyncIntervalSetting 状态机（未显示）：接收包含报文间隔请求 TLV 的信令报文，并设置给出连续 Sync 和连续 Pdelay_Req 报文之间平均间隔持续时间的全局变量。

图 3 和图 4 显示了表征介质依赖层的状态机的详细信息。

图3：介质依赖层的状态机 

图4：对等延迟机制的状态机 

MDSyncSend 和 MDSyncReceive 结构定义如下：

MDSyncSend{

followUpCorrectionField,

sourcePortIdentity,

logMessageInterval,

preciseOriginTimestamp,

upstreamTxTime,

rateRatio,

gmTimeBaseIndicator,

lastGmPhaseChange,

lastGmFreqChange}

MDSyncReceive{

followUpCorrectionField,

sourcePortIdentity,

logMessageInterval,

preciseOriginTimestamp,

upstreamTxTime,

rateRatio,

gmTimeBaseIndicator,

lastGmPhaseChange,

lastGmFreqChange}

介质无关层

车辆 ECU 的介质无关层模型如图5所示。它包括用于整个时间感知系统的单个 SiteSync 实体、ClockMaster 实体和 ClockSlave 实体，以及用于每个端口的一个 PortSync 实体和一个 MD 实体。 

MD 实体执行与媒体相关的功能，这些功能在上一节中进行了描述。除了实体外，图5 还显示了通过 PortSyncSync、MDSyncSend 和 MDSyncReceivestructures 在实体间流动的信息。 

图5：媒体无关层 

SiteSync、ClockMaster、ClockSlave和PortSync 实体各自包含许多合作状态机，这些状态机将在后面进行描述。ClockMaster 实体通过应用接口从外部时间源（称为 ClockSource 实体（图1））接收信息，并将信息提供给 SiteSync 实体。

 

ClockSlave 实体从 SiteSync 实体接收 grandmaster 时间同步和当前 grandmaster 信息，并通过一个或多个应用服务接口将信息提供给外部应用（称为 clockTarget 实体（图1））。  

SiteSync 实体执行与整个时间感知系统相关的最佳主时钟选择部分，即使用每个端口上收到的最佳主时钟信息来确定哪个端口收到了最佳信息，并更新所有端口的角色。它还将从端口上收到的同步信息分发给所有角色为 Master 端口的端口。 

Slave 端口的 PortSync 实体从相关链路另一端的时间感知系统接收最佳 master 选择信息，将其与它所拥有的当前最佳 Master 信息进行比较，并将比较结果转发给 SiteSync 实体。