用于汽車ADAS應(yīng)用的以太網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡(luò)

時間敏感網(wǎng)絡(luò)的演變

隨著實時網(wǎng)絡(luò)變得不可或缺，尤其是對于諸如ADAS等安全關(guān)鍵性網(wǎng)絡(luò)變得日益重要，帶有TSN的以太網(wǎng)成為理想的網(wǎng)絡(luò)選擇。為了支持ADAS，多個系統(tǒng)必須經(jīng)常保持同步，這將需要在網(wǎng)絡(luò)上部署大量數(shù)據(jù)。例如，緊急制動系統(tǒng)必須考慮制動距離和人員反應(yīng)時間。當檢測到障礙物時，防撞系統(tǒng)應(yīng)當通知駕駛員并且激活制動系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)與制動系統(tǒng)之間的通信變得非常關(guān)鍵，因為在制動過程中出現(xiàn)延遲可能會導致災(zāi)難事件發(fā)生。

TSN的發(fā)展始于音頻視頻橋接（AVB）的引入。AVB旨在用于汽車信息娛樂和車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等音頻視頻應(yīng)用。在AVB網(wǎng)絡(luò)中，來自收音機的音頻、來自信息娛樂系統(tǒng)的視頻、來自汽車指揮中心的數(shù)據(jù)以及來自正在運行的診斷系統(tǒng)的文件傳輸，都將通過一個共同的網(wǎng)絡(luò)進行流式傳輸和橋接。這種聯(lián)網(wǎng)方面的延遲并不存在關(guān)鍵性的時間約束，但諸如自動制動系統(tǒng)等安全關(guān)鍵性的ADAS應(yīng)用數(shù)據(jù)卻面臨這方面的約束。而且，ADAS應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)量可能更大。由于這些原因，IEEE委員會擴展了最初定義為AVB的功能和特性，并將相關(guān)工作組重新命名為TSN。 此IEEE工作組已經(jīng)制定了多個TSN標準，如表1所示。

時間感知整型器（shaper）

汽車網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計應(yīng)當具備可預見的、有保證的延遲；這種類型的網(wǎng)絡(luò)被稱為工程網(wǎng)絡(luò)。時間感知整形器用在工程網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行調(diào)度工作，以便使得關(guān)鍵流量隊列不會被阻塞。這是通過一個時間門來實現(xiàn)的，該時間門能夠讓時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)不受阻礙地流動和處理，同時阻塞非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)，如圖1所示。IEEE 802.1Qbv調(diào)度程序（scheduler）的邏輯決定了這些時間門必須打開和關(guān)閉的時間間隔。時間感知整形器在以太網(wǎng)MAC中實現(xiàn)。

搶占

搶占也可用于減少時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流的延遲。在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，搶占允許時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀中斷非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀的傳輸。一旦時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀到達了其目的地，非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀就恢復其傳輸。任何碎片化的數(shù)據(jù)幀都必須重新組裝后才能繼續(xù)傳輸。見圖2。

我們以緊急制動系統(tǒng)為例。假設(shè)兩個以太網(wǎng)MAC傳輸著時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀（綠色）和非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀（橙色）。具有搶占功能的MAC能夠讓綠色幀先于橙色幀通過，從而實時抵達其目的地。系統(tǒng)隨后進行制動，也是實時進行，而不管網(wǎng)絡(luò)上的其他數(shù)據(jù)幀狀態(tài)如何。時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀搶先于非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀，這能夠顯著改善延遲現(xiàn)象，但更重要的是，它提供了可預測的延遲。

循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)

無論網(wǎng)絡(luò)拓撲如何，循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)都能夠支持已知的延遲。它的主要作用是讓整個網(wǎng)橋中的網(wǎng)絡(luò)延遲更加一致。參見圖3。根據(jù)IEEE P802.1Qch標準，“循環(huán)排隊和轉(zhuǎn)發(fā)修正版”“規(guī)定了一種傳輸選擇算法，該算法有助于輕松計算出通過某個橋接網(wǎng)絡(luò)的確定性延遲，而不管網(wǎng)絡(luò)拓撲如何。這是對現(xiàn)有技術(shù)的一種改進，它能夠更簡單地確定網(wǎng)絡(luò)延遲，減少傳輸抖動（jitter），并簡化跨橋接LAN提供確定性服務(wù)?！?/p>

根據(jù)數(shù)據(jù)流進行過濾和管制

根據(jù)數(shù)據(jù)流進行過濾和管制（policing）能夠讓網(wǎng)橋或端點組件檢測出網(wǎng)絡(luò)中的組件是否遵守商定的規(guī)則。例如，假如某個節(jié)點被分配了一定數(shù)量的帶寬，當由于組件故障或惡意行為而致使該帶寬被超過時，就可以采取措施來保護該網(wǎng)絡(luò)。該標準包括執(zhí)行幀計數(shù)、過濾、管制等功能的程序。管制和過濾功能特別有價值，可用于檢測并在隨后消除破壞性的傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性和安全性。

幀復制和消除

幀復制和消除能夠支持無縫數(shù)據(jù)冗余。它能夠檢測并減輕由于循環(huán)冗余校驗（CRC）錯誤、斷線以及連接松動所引起的問題。時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀被進行擴展以包括一個序列號，并在每個幀遵循網(wǎng)絡(luò)中的一條單獨路徑的情況下進行復制。在網(wǎng)絡(luò)中的任何網(wǎng)橋或合并點上，當這些單獨的路徑再次匯合到一起時，將從數(shù)據(jù)流中消除重復的幀，從而允許應(yīng)用程序無序地接收數(shù)據(jù)幀。見圖4。

例如，當自適應(yīng)巡航控件向控制系統(tǒng)發(fā)送信號以保持特定速度并與前方車輛保持一定距離時，就可以在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建多個單獨的路徑，以使這一信號與來自其他應(yīng)用程序的信號都能夠無縫地傳輸。一旦信號合并到一起，重復的幀就被剔除，從而實現(xiàn)不間斷的信號傳輸。IEEE定義了三種方式來實現(xiàn)幀復制和消除，其中發(fā)送器（talker）發(fā)送信號，而偵聽器（listener）接收信號：

• 發(fā)送器復制，偵聽器刪除重復

• 網(wǎng)橋復制，偵聽器刪除重復

• 網(wǎng)橋復制，網(wǎng)橋刪除重復
  

增強型通用精確計時協(xié)議

增強型通用精確計時協(xié)議通過以下兩種方式同步網(wǎng)絡(luò)中的時鐘，從而支持時鐘冗余：一種方式是采用單一大主控（grand master），另一種方式是采用多個大主控。該系統(tǒng)有一個用來同步時鐘的主控（master），還有一個用來參考網(wǎng)絡(luò)根時間的大主控。在單一大主控模式中，時鐘時間信息被傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中某個網(wǎng)段上的偵聽器，然后傳送到同一網(wǎng)絡(luò)中的其他網(wǎng)段。只有大主控知道準確的時鐘時間。在采用多個大主控的模式中，時鐘時間以不同的方向在整個網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這樣一來，在出現(xiàn)中斷的情況下，準確的時鐘時間在整個網(wǎng)絡(luò)中仍然是已知的。

上述TSN規(guī)范以及諸如IEEE P802.1Qcc和P802.1Qcr等其他規(guī)范經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)能夠滿足汽車設(shè)計人員對ADAS應(yīng)用的實時聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)需求。以太網(wǎng)最開始是用于診斷和軟件更新，音頻視頻橋接（AVB）。目前，TSN已經(jīng)成為高端ADAS SoC必不可少的特性，這對SoC的組件提出了包含新的集成IP等更多的需求。