Echtzeit-Ethernet als Automotive-Netzwerk

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Zeit-Synchronisation ist entscheidend für Audio- und Video-Qualität

Die Zeit-Synchronisation ist entscheidend, um die Qualität von Audio- und Video-Datenfluss innerhalb eines Ethernet-Netzwerks zu gewährleisten. IEEE-802.1as basiert auf der IEEE-1588 Zeitsynchronisations-Spezifikation, die derzeit bei Präzisions-Industrie-Steuer-Anwendungen eingesetzt wird. IEEE-802.1as nutzt UDP-Pakete (User Datagram Protokoll) über IP zur Synchronisation des Netzwerks durch eine gemeinsame 8-kHz-Taktquelle.

Präzisionsquellen takten die Hauptknoten im Netz

Um eine Synchronisation mit dem Rest des Netzwerks zu erreichen, muss jeder Knoten ermitteln, welche Taktquelle er verwenden soll. Alle Knoten führen den „Best Master Clock“-Algorithmus aus, um die Zeitmessung zu wählen. Wird der Knoten zu einem Hauptknoten für viele andere Knoten im Ring, so wird eine hohe Präzisionsquelle verwendet, z.B. GPS. Wird der Knoten nicht zum Hauptknoten bestimmt, so wird er die zeitliche Terminierung aus dem Netzwerk über das PTP (Precise Time Protokolll) extrahieren. Fällt die Extrahierung der Zeitinformation aus dem Netzwerk aus, wird der lokale On-Board-Oszillator verwendet. Der Hauptknoten ist dafür verantwortlich, allen Nebenknoten im Netzwerk seine Position azuzeigen. Wenn der Nebenknoten keine Anzeige vom Hauptknoten erhält, wird er sich selbst zum Hauptknoten erklären.

PTP basiert auf der IP-Mehrfachsendung. Der Switch muss PTP-Pakete identifizieren und eingehende und ausgehende PTP-Pakete mit einem Zeitstempel versehen. In Eingangsrichtung leitet der Switch eingehende PTP-Pakete direkt an den Prozessor-Port weiter.

Synchronisation in zwei Phasen

Der Synchronisationsvorgang ist in zwei Phasen unterteilt. Zunächst wird der Zeitversatz zwischen Haupt- und Nebenknoten berechnet und korrigiert. Um diese Funktion durchzuführen, sendet der Hauptknoten ständig in definierten Abständen, meist alle 10 ms, eine eindeutige Meldung an den Nebenknoten. Die zweite Phase der Synchronisation ist die Verzögerungsmessung. Der Nebenknoten wird eine „Verzögerungsanfrage“ an den Hauptknoten senden, die zurückgesendet wird und die Hin-und Zurückverzögerung wird aus den Zeitstempeln berechnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Verzögerung zwischen Haupt- und Nebenknoten immer symmetrisch ist.

Bild 2 zeigt ein Beispiel für die Verschiebungs- und Verzögerungsphasen des PTP- Synchronisationsprozesses.

Ethernet-Bausteine unterstützen IEEE-1588v2 und IEEE-802.1as

Micrel hat kürzlich die hochintegrierten Ethernet-Bausteine der KSZ84xx-Familie vorgestellt, die sowohl IEEE-1588v2- als auch IEEE-802.1as-Zeitsynchronisations-Protokolle unterstützen. Zeitgenauigkeit in der Größenordnung von unter 100 ns kann bequem erreicht werden und ist um einen Faktor 10 leistungsstärker als die auf IEEE basierenden Standards (1 µs). Die Familie der PTP-Bausteine wird in Form eines 3-Port-Switches mit MII oder RMII, 2-Port- und Single-Port-Controller mit 8/16-Bit-Host-Prozessor-Schnittstelle angeboten. Alle Bausteine verfügen über integrierte Ultra-Low-Leistungs-PHY-Transceiver und zeitgenaue GPIO in einem kompakten 64-Pin-LQFP-Gehäuse mit den Maßen 10 mm x 10 mm.

Bild 3 zeigt das Blockschaltbild des 3-Port-Switches KSZ8463 mit IEEE-1588v2/ 802.1as-PTP-Unterstützung.

Bandbreite und Puffer-Ressourcen werden für spezifische Verkehrssysteme reserviert

Die IEEE-802.1Qat-Datenfluss-Reservierung ermöglicht, dass Netzwerk-Bandbreite und Puffer-Ressourcen für spezifische Verkehrssysteme mit SRP (Stream Reservation Protokoll) reserviert werden. SRP wird in zwei Teilen, Anmeldung und Reservierung, durchgeführt; „Listerner“ registrieren sich für einen Datenfluss und Quellen reservieren die erforderliche Ressource, um den Datenfluss bereitzustellen. Ein „Listener“ wird zunächst eine Registrierungsnachricht senden, die sich durch die Bridges in die ARP-Wolke ausbreitet, bis sie den „Talker“ erreicht. Wenn die Identität des „Talkers“ keiner der Bridges entlang der Route bekannt ist, werden sie die Nachricht an alle Ports senden. Ausser der Weiterleitung der Registrierungsnachricht wird jede Bridge einen temporären Eintrag in ihrer Datenbank vornehmen, um die damit verbundene Antwort auf die Reservierungsnachricht zurück an die Quelle zu senden. Abonniert ein anderer „Listener“ einen Stream, der bereits von der Brücke weitergeleitet wird, so wird die Bridge als Proxy fungieren und eine Reservenachricht erzeugen.

Trennung des Verkehrs in zeitkritische und nicht-zeitkritische Pakete

IEEE-802.1Qav-Warteschlangen und -Weiterleitungs-Methoden (Queuing & Forwarding) basieren auf Trennung des Verkehrs in isochrone (zeitkritische) und asynchrone (nicht-zeitkritische) Pakete und Priorisierung während eines Zeit-Zyklus, der durch die 8-kHz-synchronisierte 802.1as-Taktquelle zur Verfügung gestellt wird.

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