布谷鸟产研-即将成为主流的汽车以太网——TSN

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2020-09-22 15:23:53 * 浏览: 40

TSN汽车以太网工作小组前身为Ethernet AVB工作小组,2012年11月改名为TSN工作小组,核心标准已经全部到位,包括6月份刚完成的802.1AS-2020.TSN的核心是时钟同步一致性,超高可靠与可用性,超低延迟。是汽车和工业自动化这种异构网络实时通讯的最佳选择,也是软件定义汽车或者说SOA架构的必然选择,将是未来的主流。本文由布谷鸟科技-产研首席分析师周彦武老师编写。

为什么传统以太网不能用在车上?传统的以太网是Besteffort,就像一窝蜂去挤地铁,人多的时候肯定会有挤不上车的,这样就意味着可能有重要信号丢失。传统以太网是针对静态信号的对延迟不敏感领域开发的。

汽车以太网最早的前身要追溯到2002年的IEEE1588,以太网在1985年成为IEEE802.3标准后,计算机和网络业界也在致力于解决以太网的时钟同步能力不足的问题,开发出一种软件方式的网络时间协议(NTP),提高各网络设备之间的定时同步能力。2000年底倡议成立网络精密时钟同步委员会,2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所(NIST)的支持,该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过,即IEEE1588标准。IEEE1588标准既有软件也有硬件,灵活度比较差,为了在以太网上传输动态数据,802.3工作组与IEEE1588委员会合作在2005年11月成立802.1 AVB小组,AVB于2009年7月颁布了草案,并在2010年和2011年陆续完成,它由四个基础标准:IEEE 802.1AS(PTP)、 IEEE 802.1Qat (SRP)、IEEE 802.1Qav (Qav)和 IEEE802.1BA组成。这就是今天常见的车载以太网:EthernetAVB(下简写为EAVB)。其背后主要支持者是宝马和哈曼。哈曼主要是致力于音频系统的以太网传输。宝马则在2013年的X5上第一个用EAVB做360环视,实际诊断用车载以太网关在2008年就已经量产,核心处理器是飞思卡尔的MPC5667,X5的360环视核心处理器是飞思卡尔的MPC5604E,至今还有人使用。

EAVB主要在针对多媒体数据,适用面太窄,2012年11月,EAVB工作小组改名TSN工作小组。TSN是一系列标准的集和。TSN的核心应用是异构性网络的实时、高可靠性,高时钟同步性数据交换。也就是说主要用于骨干传输网,而非节点。汽车、工业自动化是主要应用场合,这些场合至少有两种以上的传输总线,通常是CAN和以太网,汽车则还有MOST、Flexray、LIN、PSI5、CAN-FD等,这些是用户习惯、成本和研发成果复用性决定的,不可能改变。如果非异构性网络,TSN优势不明显。TSN也可用于5G,5G的前传Fronthaul采用的就是TSN 802.1CM标准。



上图为汽车E/E架构演进路线图,Vehicle Computer阶段实际就是Zonal架构,Centralization中央化就是域控制器架构。这都离不开TSN。


TSN为骨干网的Zonal架构


Zonal架构可算是SOA架构的典型代表,可以说SOA架构离不开TSN。ADAS/座舱/车身三个运算单元类似大众MEB里的ICAS。


大众的MEB架构


网关中最核心的则是对应TSN的交换机


Zonal网关的内部框架图



CAN到以太网,即SOME/IP-UDP-IP-MAC,或TCP-IP-MAC。这也意味着经典Autosar或自适应Autosar不可或缺。TSN、Autosar是SOA不可或缺的成分。



帧的分组,包括目的地,优先级,截至周期等。



TSN标准包括时钟同步、超高可靠性、低延迟、资源管理四大类,紫色字体为尚未完成,截至2020年1月,2020年6月19日,802.1AS-2020版已经完成。

下面介绍TSN的关键标准。

时间同步

所有通信问题均基于时钟,确保时钟同步精度是最为基础的问题,TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟,并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言,其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”,而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”,系统的能力取决于最短的那块板,即,对于确定性网络而言,最差的延时才是系统的延时定义。

IEEE1588 协议,又称 PTP( precise time protocol,精确时间协议),可以达到亚微秒级别时间同步精度,于 2002 年发布 version 1,2008年发布 version 2。它的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步,可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步,IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。



IEEE1588 协议的同步原理,所提出的 Delay Request-Response Mechanism(延时响应机制)如上图,IEEE1588 把所涉及到的报文分为 事件报文 和 通用报文,分类依据是:是否在收发报文时需要记录精确时间戳,根据上文中所描述的几种报文,可以进行如下分类:

事件报文(event message) < 收发时候需要记录精确时间戳 > :sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。

通用报文 (generalmessage)< 收发时候不需要几率精确时间戳 > :Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Siganling。Pdelay_Req/Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通过peer延迟机制测量两个时钟端口之间的链接延时,链接延时被用来更正Sync和Follow_Up报文中的时间信息。



IEEE802.1AS-Rev是为以太网第二层所定义的1588规范加以扩展,它的扩展包括了所有域常用peer延迟服务,支持精细时间测量FTM,对链路聚合(802.1AX)的支持,改善的使用范围-包括1步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持,更好的响应能力,这包括了更快的主站交互、降低BMCA收敛时间。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息传输以及冗余支持能力(可配置冗余路径和冗余主站)。对无线网络采用时间测量提供更好的支持。IEEE802.1AS-Rev的制定得到了AVNU联盟的大力支持,AVNU联盟由英特尔、思科和三星哈曼发起,是EAVB协议的主要提供者,AVNU联盟为IEEE802.1AS-Rev的实施提供协助,能够提供完整的协议栈和测试认证。

低延迟



汽车控制数据可以分为三种,Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic,Scheduled Traffic如底盘控制数据,没有任何的妥协余地,必须按照严格的时间要求送达,有些是只需要尽力而为的如娱乐系统数据,可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过5毫秒,最好是2.5毫秒或1毫秒,这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处,要求低延迟。



在TSN标准里,数据则被分为4级,最高的预计延迟时间仅为100微秒。

低延迟的核心标准是IEEE802.1Qbv时间感知队列。



通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交换机能够来控制队列流量(queued traffic),以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag,每个队列在一个时间表中定义,然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的,可知的。而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。TAS介绍了一个传输门概念,这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间进度表network schedule进行定义。对没有进入network schedule的队列流量关闭,这样就能保障那些对传输时间要求严格的队列的带宽和延迟时间。TAS保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰,它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当优先级非常高时,抢占机制可以被使用。



在网络进行配置时队列分为Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三种,对于Schedule而言则直接按照原定的时间规划通过,其它则按优先级,Best-effort通常排在最后。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计,其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输,以及其它非实时数据的交换。



对于特别重要的数据,TSN规定了一个抢占机制,它由802.1Qbu/802.3br共同构成。对于IEEE802.1Qbu的抢占而言,正在进行的传输可以被中断,报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧,抢占生成框架,最小以太网帧受到保护的,127字节的数据帧(或剩余帧)不能被抢占。IEEE802.1br定义了,设计了快速帧的MAC数据通道,可以抢占Preemptable MAC的数据传输。IEEE802.3br也同样可以与IEEE802.1Qbv配合进行增强型的数据转发。



高可靠性

TSN中保证高可靠性主要依靠802.1CB标准。这也是无人驾驶必须用TSN的主要原因,也只有TSN能让整个系统达到功能安全的最高等级ASIL D级。同样,与自适应AUTOSAR的捆绑程度也比较高。



众所周知,L4级无人驾驶需要一个冗余处理器,但是主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制如何建立?这就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是两套系统间的冗余,芯片之间的冗余还是多采用PCIE交换机的多主机fail-operational机制,两者有相似之处。



对于非常重要的数据,802.1CB会多发送一个数据备份,这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到,在接收端把冗余帧消除,如果只接受到一帧数据,那么就进入后备模式。在ISO/IEC 62439-3中已经定义了PRP和HSR两种冗余,这种属于全局冗余,成本较高,802.1CB只针对关键帧做冗余,降低了成本。802.1CB标准的制定主要依靠思科和博通。



802.1CB也可以缩写为FRER。



FRER不仅能提供双失效冗余,也可以提供多失效冗余。



802.1CB也有简单的失效原因分析机制。



域控制器阶段,TSN的必要性还不是太突出,但是ADAS领域的域控制器,TSN或者说802.1CB的优势明显,未来进入到SOA架构阶段,即混合域和Zonal阶段,TSN交换机和物理层IC都是不可或缺的。一旦转进到SOA架构,TSN很快将取代EAVB成为主流。