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

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的演變

隨著實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)變得不可或缺，尤其是對(duì)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)必須考慮制動(dòng)距離和人員反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，防撞系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通知駕駛員并且激活制動(dòng)系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)之間的通信變得非常關(guān)鍵，因?yàn)樵谥苿?dòng)過程中出現(xiàn)延遲可能會(huì)導(dǎo)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(jī)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(yùn)行的診斷系統(tǒng)的文件傳輸，都將通過一個(gè)共同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)間約束，但諸如自動(dòng)制動(dòng)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(huì)擴(kuò)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(gè)TSN標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

時(shí)間感知整型器（shaper）

汽車網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具備可預(yù)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(shí)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(duì)列不會(huì)被阻塞。這是通過一個(gè)時(shí)間門來實(shí)現(xiàn)的，該時(shí)間門能夠讓時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)不受阻礙地流動(dòng)和處理，同時(shí)阻塞非時(shí)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(shí)間門必須打開和關(guān)閉的時(shí)間間隔。時(shí)間感知整形器在以太網(wǎng)MAC中實(shí)現(xiàn)。

搶占

搶占也可用于減少時(shí)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(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀中斷非時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀的傳輸。一旦時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀到達(dá)了其目的地，非時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀就恢復(fù)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(dòng)系統(tǒng)為例。假設(shè)兩個(gè)以太網(wǎng)MAC傳輸著時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀（綠色）和非時(shí)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(shí)時(shí)抵達(dá)其目的地。系統(tǒng)隨后進(jìn)行制動(dòng)，也是實(shí)時(shí)進(jìn)行，而不管網(wǎng)絡(luò)上的其他數(shù)據(jù)幀狀態(tài)如何。時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀搶先于非時(shí)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(yù)測的延遲。

循環(huán)排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)

無論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙绾?，循環(huán)排隊(duì)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)，“循環(huán)排隊(duì)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(jì)算出通過某個(gè)橋接網(wǎng)絡(luò)的確定性延遲，而不管網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙绾?。這是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的一種改進(jìn)，它能夠更簡單地確定網(wǎng)絡(luò)延遲，減少傳輸抖動(dòng)（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(jìn)行過濾和管制

根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行過濾和管制（policing）能夠讓網(wǎng)橋或端點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)被分配了一定數(shù)量的帶寬，當(dāng)由于組件故障或惡意行為而致使該帶寬被超過時(shí)，就可以采取措施來保護(hù)該網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)包括執(zhí)行幀計(jì)數(shù)、過濾、管制等功能的程序。管制和過濾功能特別有價(jià)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(fù)制和消除

幀復(fù)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(yàn)（CRC）錯(cuò)誤、斷線以及連接松動(dòng)所引起的問題。時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)幀被進(jìn)行擴(kuò)展以包括一個(gè)序列號(hào)，并在每個(gè)幀遵循網(wǎng)絡(luò)中的一條單獨(dú)路徑的情況下進(jìn)行復(fù)制。在網(wǎng)絡(luò)中的任何網(wǎng)橋或合并點(diǎn)上，當(dāng)這些單獨(dú)的路徑再次匯合到一起時(shí)，將從數(shù)據(jù)流中消除重復(fù)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(dāng)自適應(yīng)巡航控件向控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)以保持特定速度并與前方車輛保持一定距離時(shí)，就可以在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建多個(gè)單獨(dú)的路徑，以使這一信號(hào)與來自其他應(yīng)用程序的信號(hào)都能夠無縫地傳輸。一旦信號(hào)合并到一起，重復(fù)的幀就被剔除，從而實(shí)現(xiàn)不間斷的信號(hào)傳輸。IEEE定義了三種方式來實(shí)現(xiàn)幀復(fù)制和消除，其中發(fā)送器（talker）發(fā)送信號(hào)，而偵聽器（listener）接收信號(hào)：

• 發(fā)送器復(fù)制，偵聽器刪除重復(fù)

• 網(wǎng)橋復(fù)制，偵聽器刪除重復(fù)

• 網(wǎng)橋復(fù)制，網(wǎng)橋刪除重復(fù)
  

增強(qiáng)型通用精確計(jì)時(shí)協(xié)議

增強(qiáng)型通用精確計(jì)時(shí)協(xié)議通過以下兩種方式同步網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘，從而支持時(shí)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(gè)大主控。該系統(tǒng)有一個(gè)用來同步時(shí)鐘的主控（master），還有一個(gè)用來參考網(wǎng)絡(luò)根時(shí)間的大主控。在單一大主控模式中，時(shí)鐘時(shí)間信息被傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中某個(gè)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(zhǔn)確的時(shí)鐘時(shí)間。在采用多個(gè)大主控的模式中，時(shí)鐘時(shí)間以不同的方向在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這樣一來，在出現(xiàn)中斷的情況下，準(zhǔn)確的時(shí)鐘時(shí)間在整個(gè)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(jì)人員對(duì)ADAS應(yīng)用的實(shí)時(shí)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(duì)SoC的組件提出了包含新的集成IP等更多的需求。