TSN流量记录器：验证汽车网络中的以太网聚合,经济高效的解决方案

Posted 2023-05-31 麦禾信通

在未来几年，汽车线束将从不同协议的异质网络转变为分层的同质以太网网络。在这种新情况下，模拟真实车辆网络的实验室测试台需要分析工具，以支持它们在车内通信过程中进行验证。

汽车向以太网聚合原因

随着汽车内部技术变得越来越复杂，相互间的联系变得越来越紧密，最新的应用程序和功能正在对带宽、延迟、同步、高可用性、QoS和降低成本提出更高的要求。而当前和传统上在汽车领域使用最广泛的协议（如CAN、LIN、MOST、FlexRay等）已不再能满足这些即将到来的需求。在这种情况下，以太网在IVN（车载网络）领域就显示出了它领先地位，因为与上述其他协议相比，以太网具有许多优势（见下表）。

表1 汽车领域中最常用协议的简要对比

与许多其他领域（航空航天、铁路、工业自动化等）一样，以太网的聚合在汽车领域也成为现实。MarketsAndMarkets预计，到2024年，汽车以太网市场将从2019年的16亿美元增长到44亿美元。Frost&Sullivan表示，到2022年，汽车以太网端口的总数预计将高于所有其他以太网端口的总和。

汽车IVN体系结构演变

从历史上看，汽车中的电子系统被划分为几个“领域”（主要是动力总成、底盘、车身、舒适性和诊断）。但近年来出现了一些新的“领域”，如信息娱乐、驾驶员辅助、车载体验、C-V2x、雾和云后端等。

图1“中央网关+域控制器”架构

在传统方法中，每个域都基于一个专用的ECU（电子控制单元），有一个独立的控制系统，是用于域内每个特定主要功能。如今，域之间有了更多的交互和依赖，但它们通常仍然有独立的控制系统。此外，由于历史问题，大多数传统域内的通信仍然基于非以太网协议。因此，“中央网关+域控制器”架构是未来汽车中最常用的架构之一。

如上图所示，这种基于中央网关的新型架构需要一个基于以太网的主干网（所谓的“聚合主干网”），连接分布在整个汽车中的所有不同域。该中央网关是一种以太网多端口路由器/交换机，具有额外的车辆控制级别功能。同时，有一个特定于域的网关将每个域与以太网骨干网连接起来。当域内的协议也是以太网时，该域网关就变成了一个域交换机，因为它以某种方式作为常规以太网交换机运行。

未来几年，汽车线束将从不同协议的异质网络（CAN、LIN、MOST、FlexRay等）转变为分层同质以太网网络。这种变化将使汽车内部的通信更加高效和统一。

挑战

一家Tier1公司开发一种新的域网关，用于将驾驶员辅助系统和信息娱乐域连接到车内的聚合骨干网络。这两个域使用一个单独的域网关，因为它们都属于一个汽车宏观功能，即ADAS服务。

这些域中使用的协议是支持AVB音频视频桥接的以太网。在这种情况下，域网关扮演着一个具有特定和应用程序定制功能的多端口以太网交换机的角色，例如以太网AVB支持。以太网上的AVB是对IEEE802.1规范的一组扩展，它使本地以太网能够使用传输时间并损失敏感的音频/视频数据。

图2 多端口以太网域网关

在该域网关的验证过程中，一旦在实验室测试台上反应真实的车辆网络，该公司就面临如下问题：

● 需要在测试台上记录流量，以便为域网关的模拟模型提供尽可能真实的流量。

● 需要在特定条件下记录特定的帧/数据包。例如，假设需要在IEEE802.1AS 平面上记录特定时间标记之后的所有IEEE802.1Qat帧。

出于这些目的，不仅有必要记录流量，而且有必要将时间戳与任何记录的数据包一起保存，并能够实时过滤和解析网络部分中的流量。

解决方案

为了满足汽车行业的类似需求，Relyum推出了RELY-REC，这是一种高度专业化的分析工具，可无缝捕获以太网流量，并可记录所有存储信息的时间戳。

图3 RELY-REC流量记录器外观

RELY-REC作为独立的设备以低功耗紧凑的结构嵌入了监视、过滤、时间戳和捕获最复杂以太网网络流量的所有逻辑。

对于本文档中描述的特定用例，RELY-REC将以TAP模式安装在“被测网络”网络链路中，允许通过其服务端口同时远程检索记录的流量（PCAP格式）。

图4 RELY-REC TAP配置

结论

第一个结论是以太网融合在汽车网络中已经成为现实。因此，在汽车网络中对新设备的验证和集成提出新的需求：

● 一致性测试。其目的是验证协议的一致性和互操作性，包括汽车堆栈和组件的TCP/UDP/IP一致性测试。

● 协议验证和性能测试。其主要目的是验证基于数据平面的应用程序性能，以及较低级别的同步平面精度和行为。

● 中央网关和域网关以太网交换功能测试；AVB能力，获得每个服务类别（Qos）预期丢包、带宽和延迟、链路故障后的切换和聚合时间、某些节点行为不当情况下的行为等。

将这些要求转化为更准确的测试项：

● 查看网络中传输的实时流量。
● 过滤动态流量
● 收集实时数据，根据车辆同步平面打时间戳（如IEEE 802.1AS）
● 基于多个可配置的用户定义事件触发数据捕获操作
● 将数据保存到数据记录器内部，然后传输到PC进行后期分析。

图 5 RELY-REC 触发条件和动作配置示例

RELY-REC是一款由Relyum开发的独立数据记录设备，符合上述所有功能。

另外它是一种支持TSN的设备，为汽车IVN网络的下一步测试服务。

RELY-REC设备

在关键系统中，能够在帧级别分析网络通信以进行测试和取证是至关重要的。此外，这种分析的有效性将受到基础设施将帧与公共时间参考相关联的能力的限制。为此，Relyum开发了RELY-REC，这是一种能够检查、标记和记录常规以太网和TSN以太网流量的设备，使用与所分析网络相同的IEEE802.1AS协议。

该设备主要优点是其适应性强，可适用于任何场景，这要归功于其多媒体多速率以太网端口，该端口基于SFP模块，支持汽车行业中使用各类接口。

该设备包括一个强大的触发工具，可以根据嵌套条件（AND、OR）定义触发器，并将多个操作链接到一个触发器。

支持多种输入类型的条件（模拟/数字输入信号、来自第三方系统的告警和信号、时间表、同步丢失、数据包检查），并连接到输出操作（流量记录、电子邮件通知、SNMP陷阱、syslog消息、告警输出）。

为了简化对存储流量的访问，RELY-REC支持用于存储优化和高效监控的可配置过滤器。这些过滤器可以由最终用户基于Wireshark语义进行定制，也可以使用基于第2层和第3层的预定义字段。

此外，RELY-REC允许通过服务端口远程访问内部存储的记录。设备中提供的带有时间戳的事件日志简化了触发器与相应记录的相关性。

详细技术参数请访问：www.softtest.cn 邮箱：[e-mail] 电话：[phone]

Valkyrie-TSN浅析：如何在实现TSN规范下的802.3CB测试，（满足工业通信，汽车以太网等TSN网络的测试要求）

TSN 802.1CB测试
概述
本文的目的是介绍TSN 802.1CB测试定义如何实现。

• 目录
• 1.简介
• 2.问题需求的关键词
• 3.问题需求定义
• 4.Xena Valkyrie的要求
• 4.1 TSN 802.1CB测试硬件
• 4.2 802.1CB测试界面
• 4.3 802.1CB测试CLI 
• 4.4 物理接口 
• 4.4.1 界面选项 
• 4.4.1.1 线速要求
• 4.5 时钟品质 
• 4.6 参考规范标准 
• 4.7  10G-5S-6P-TSN的802.1CB测试功能 
• 4.7.1 测试案例1：接收复制的数据包 
• 4.7.2 测试案例2：发送复制的数据包 
• 4.7.3 测试案例3：发送和接收复制的数据包 
• 4.7.4  10G-5S-6P-TSN和SUT 的同步
• 4.7.5  802.1CB数据包头 
• 4.7.6 结果记录 
• 4.7.7 报告结果 

1.简介
本文档定义了用于测试802.1CB的Valkyrie产品系列的测试功能-可靠性的帧复制和消除。
2.反映需求的关键词
本文档中的关键词“必须”，“不得”，“必须”，“应”，“应禁止”，“应”，“不应”，“推荐”，“可以”和“可选”是按照BCP 14，RFC 2119中的描述进行解释。RFC 2119定义了这些关键字的使用，以帮助使标准跟踪文档的意图尽可能清晰。尽管本文档使用这些关键字，但本文档不是标准的跟踪文档。
3.问题定义
802.1CB标准的一般目的是复制发送的数据包，以确保它们通过通信路径。 802.1CB在图7-1中对此进行了说明。

图1：来自802.1CB的图7-1
TSN 802.1CB测试的总体要求是通过系统发送复制的数据包，并验证是否删除了多余的数据包。复制数据包时，发送方（“ Talker”）必须添加在802.1CB中定义的标头，该标头将允许接收方识别重复数据，并且仅转发/使用所发送数据的一个实例。
4.Xena Valkyrie-TSN的要求

4.1  TSN 802.1CB测试硬件
802.1CB测试功能将在Odin-10G-5S-6P-CU测试模块（带有专用固件的模块）的特殊版本上实现。目前，该模块将命名为Odin-10G-5S-6P-TSN。

4.2。 802.1CB测试界面
10G-5S-6P-TSN UI应与ValkyrieManager集成。

 

4.3。 802.1CB测试CLI
10G-5S-6P-TSN必须提供类似于Valkyrie CLI的CLI（命令行界面）。

 

4.4。物理接口
4.4.1 界面选项
接口是电口Copper（RJ45）接口。理想情况下，应该支持专用的汽车接口BroadReach，但是标准的以太网电接口就足够了。
4.4.1.1 线速
要测试的线速：10G，5G，2.5G，1G，100M

4.5 时钟品质
一个标准的以太网测试仪时钟（类似于Odin-10G-5S-6P-CU测试模块中使用的时钟）将足以作为10G-5S-6P-TSN的时钟。

4.6 标准品
10G-5S-6P-TSN 802.1CB测试功能必须符合以下标准：
 802.1CB –帧复制和可靠性消除

4.7。 10G-5S-6P-TSN的802.1CB测试功能
4.7.1 测试案例1：接收复制的数据包
最重要的测试设置是Xena测试端口充当复制数据的“监听器”（接收器），如下所示：

图2：接收复制的数据包
“侦听器”（接收者–“ B”）必须“解码”由“话务员”（发送者–“ A”）添加的报头进行复制，并检查是否接收到相同数量的重复（从A点发送）通过两条路径（流3和4）。
点A和B可以直接连接。
流3和4有望在两个物理端口上到达“侦听器”。但是，应该可以在一个物理端口上接收两个流。
来自“侦听器”（“ B”）的预期统计信息：

 接收到的数据包对的数量（正确的功能，即带有双链）
 接收到的没有duplet的数据包数量（功能不正确）
 丢包数
 迟到的数据包数量–在802.1CB窗口之外。注意：请参阅注1
 内容无效（特别是无效的VLAN标签）的数据包数量
 数据包延迟和抖动。注意：请参阅注1
 常规每个流的接收统计信息：
o每秒数据包，每秒L1位，每秒L2位，L1率（％），总数据包，总位
注1：此要求基于Molex的反馈。我无法在802.1CB中找到“窗口”的定义。此外，此功能将要求“ Talker”添加的标题包含时间戳，并且“ Talker”和“ Listener”必须同步。我看不到这是在802.1CB中指定的。如果我的发现是正确的，则必须忽略此要求。
4.7.2。测试案例2：发送复制的数据包
以下配置也将是相关的：

图3：发送复制的数据包
“ Talker”必须在每个发送的流中插入一个802.1CB有效报头。有待研究如何验证“ B”动作盟军执行所需的帧消除。如果可能，可以按照图4所示进行操作，要求“ B”具有一个输出，通过该输出可以将消除了帧的流量转发到Xena测试端口。

图4：发送复制的数据包并消除后接收数据包
“通话者”必须发送标准Xena流（包括）。添加了802.1CB标头的TPLD。
流1和2有望从“Talker”在两个物理端口上发送。但是，应该可以在一个物理端口上发送两个流。
来自“ G”的预期统计信息（如果有）：

 丢包数
 收到的重复数据包数量（功能不正确）
 晚收到的数据包数量–在802.1CB窗口之外NB：请参见注释2
 数据包延迟和抖动
 常规接收统计信息：
 每秒数据包，每秒L1位，每秒L2位，L1率（％），总数据包，总位
来自“ Talker”（“ A”）的预期统计数据：

 General按流传输统计信息：
 每秒数据包，每秒L1位，每秒L2位，L1率（％），总数据包，总位
注意2：此要求基于Molex的反馈。我无法在802.1CB中找到此“窗口”的定义。此外，此功能将要求“ Talker”添加的标题包含时间戳，并且“ Talker”和“ Listener”必须同步。我看不到这是在802.1CB中指定的。如果我的发现正确，则此要求必须更改为：
 迟到的数据包数量–超出用户定义的阈值
4.7.3。测试案例3：发送和接收复制的数据包
下面说明的第三个支持配置也将是相关的：

图5：发送和接收复制的数据包
流1和2有望从“Talker”在两个物理端口上发送。但是，应该可以在一个物理端口上发送两个流。
流3和4有望在两个物理端口上到达“侦听器”。但是，应该可以在一个物理端口上接收两个流。
“通话者”必须发送标准Xena流（包括）。添加了802.1CB标头的TPLD。
来自“侦听器”（“ B”）的预期统计信息：

 接收到的数据包对的数量（正确的功能，即带有双链）
 接收到的没有duplet的数据包数量（功能不正确）
 丢包数
 晚收到的数据包数量–在802.1CB窗口之外NB：请参见注释2
 内容无效（特别是无效的VLAN标签）的数据包数量
 数据包延迟和抖动
 常规每个流的接收统计信息：
 每秒数据包，每秒L1位，每秒L2位，L1率（％），总数据包，总位
来自“ Talker”（“ A”）的预期统计数据：

 General按流传输统计信息：
 每秒数据包，每秒L1位，每秒L2位，L1率（％），总数据包，总位
4.7.4。 10G-5S-6P-TSN和SUT的同步
注意：请参阅注1
对于第4.7.1节中定义的测试用例1，将要求10G-5S-6P-TSN和SUT同步，如下所示：

图6：gPTP同步
4.7.5。 802.1CB数据包头
在802.1CB第6章中，定义了“流识别” 4“流识别功能”。应支持所有4个。用户必须选择将其用于特定测试。
4.7.6。结果记录
测试可能会运行多个小时（例如，24小时跨夜测试），并且需要记录测试期间的结果。这意味着10G-5S-6P-TSN测试结果必须包含在ValkyrieManager的“统计信息”日志记录功能中。
4.7.7。结果报告
必须有可能针对10G-5S-6P-TSN的结果生成报告。这意味着这些结果必须包含在ValkyrieManager的“报告生成器”功能中。