時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)：為自動(dòng)駕駛鋪平道路

在接下來的幾年里，向自動(dòng)駕駛（自動(dòng)駕駛）車輛的過渡將深刻地改變社會(huì)。它將重塑我們的物理環(huán)境，讓世界恢復(fù)數(shù)百萬小時(shí)的空閑時(shí)間并拯救生命。

與人工駕駛車輛相比，自動(dòng)駕駛車輛的安全性、可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)更高。盡管當(dāng)今的車輛包含大量處理器、傳感器和其他半導(dǎo)體組件，但對高帶寬切換的需求以及更嚴(yán)格的可靠性和同步要求的引入正在推動(dòng)對車載網(wǎng)絡(luò) (IVN) 的全面重新設(shè)計(jì)。為了全面滿足這些新要求，現(xiàn)代自動(dòng)駕駛 IVN 架構(gòu)正在過渡到 IEEE 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 標(biāo)準(zhǔn)集。這篇博客文章探討了 TSN 以太網(wǎng)，特別是 IEEE 802.1CB 幀復(fù)制和消除 (FRER)，如何提高 IVN 冗余和可靠性。

自動(dòng)駕駛的誕生

盡管自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)可以追溯到 1920 年代，但 DARPA 的“大挑戰(zhàn)”競賽在新千年的第一個(gè)十年舉行，并為任何能夠創(chuàng)造出自動(dòng)駕駛汽車的機(jī)器人工程師團(tuán)隊(duì)提供 100 萬美元的獎(jiǎng)金。完成專門設(shè)計(jì)的課程，標(biāo)志著現(xiàn)代自動(dòng)駕駛時(shí)代的開始。盡管沒有車輛在 2004 年完成莫哈韋沙漠 150 英里的路線，但在隨后的比賽中引入激光雷達(dá)技術(shù)提供了成功的關(guān)鍵，多個(gè)團(tuán)隊(duì)在極短的時(shí)間內(nèi)完成了該路線。自動(dòng)駕駛能力的快速發(fā)展讓業(yè)界有信心推出自動(dòng)駕駛汽車的大眾市場應(yīng)用。

汽車IVN架構(gòu)

在自動(dòng)駕駛汽車中，構(gòu)建“感知”網(wǎng)絡(luò)以用各種傳感器（相機(jī)、激光雷達(dá)、雷達(dá)、超聲波等，由圖 1 中的藍(lán)色和綠色元素表示）代替人類駕駛員，并與計(jì)算綜合體互連（由圖 1 中的紅色元素表示）。

圖 1 - 自動(dòng)駕駛感知網(wǎng)絡(luò)

Compute Complex 接收所有相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)，然后將其融合在一起以決定車輛應(yīng)該做什么，即轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速、滑行、信號(hào)。然后通過執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送決策，該網(wǎng)絡(luò)通過現(xiàn)有的汽車總線網(wǎng)絡(luò)連接到車輛的各種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)電子控制單元 (ECU)。

自動(dòng)駕駛趨勢

自動(dòng)駕駛IVN設(shè)計(jì)的主要架構(gòu)趨勢是：

• 從基于域的架構(gòu)到基于區(qū)域的架構(gòu)的轉(zhuǎn)變推動(dòng)了對高速 IVN 骨干網(wǎng)的需求，以互連區(qū)域以太網(wǎng)交換機(jī)和計(jì)算綜合體。
• 越來越多的連接傳感器、端點(diǎn)、相機(jī)和計(jì)算元件極大地增加了 IVN 帶寬。
• 采用 4K 和 8K 以太網(wǎng)攝像機(jī)轉(zhuǎn)移到以太網(wǎng)進(jìn)一步加速了 IVN 帶寬的增長。
• 越來越多的傳感器數(shù)據(jù)以原始形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，而不是以重新處理的格式，這也增加了 IVN 帶寬。

汽車IVN的演變

有幾種汽車總線技術(shù)已被廣泛使用，包括 LIN、Can CAN-FD、FlexRay 和 MOST，但這些技術(shù)陳舊、專有、帶寬低且缺乏許多所需功能。

一套基于以太網(wǎng)的強(qiáng)大 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)已成為現(xiàn)代自動(dòng)駕駛感知網(wǎng)絡(luò)的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。根據(jù) Kirsten Matheus 博士在 2019 年汽車以太網(wǎng)大會(huì)上的講話，該平臺(tái)提供了一套完整的解決方案：

• 可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)速率，從 10Mb/s –100Gb/s
• 拓?fù)潇`活性
• 廣播、多播和點(diǎn)對點(diǎn)流量的共存
• 明確尋址
• 支持多種 QoS 方法
• 強(qiáng)大的安全性
• 基于服務(wù)的通信
• 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)（即無網(wǎng)關(guān)通信）

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)代 IVN 的基礎(chǔ)

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，有多種網(wǎng)絡(luò)冗余解決方案，包括生成樹 (IEEE 802.1D)、快速生成樹 (IEEE 802.1w) 和以太網(wǎng)環(huán)保護(hù)交換 (ITU G.8032)。然而，這些解決方案受到相當(dāng)長的故障轉(zhuǎn)移時(shí)間的限制，其范圍從 50 毫秒到幾秒不等。在車輛應(yīng)用中，這種性能水平是不可接受的。例如，以 60 mph 的速度行駛的汽車每秒行駛 88 英尺，反應(yīng)延遲為 50 毫秒，對應(yīng)于 4.4 英尺的行駛距離。這可能是生與死的區(qū)別。

自動(dòng)駕駛是一項(xiàng)關(guān)鍵功能，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)冗余解決方案不足以滿足安全要求。IEEE 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 標(biāo)準(zhǔn)正在解決這個(gè)問題，該標(biāo)準(zhǔn)為通過確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)對時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)傳輸提供了一組機(jī)制。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：

• IEEE 802.1Qav - 時(shí)間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)增強(qiáng)
• IEEE 802.1Qat - 流預(yù)留協(xié)議
• IEEE 802.1Qcc - SRP 的增強(qiáng)
• IEEE 802.1Qch - 循環(huán)排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)
• IEEE 802.1Qci - 每流過濾和監(jiān)管
• IEEE 802.1Qbv - 時(shí)間感知調(diào)度 (TAS)
• IEEE 802.1Qbu - 幀搶占
• IEEE 802.1Qcr - 異步流量整形
• IEEE 802.1Qca - 路徑控制和預(yù)留
• IEEE 802.1CB - 幀復(fù)制和消除可靠性
• IEEE 802.1CB – 幀復(fù)制和消除以提高可靠性

對自動(dòng)駕駛平臺(tái)特別重要的是幀復(fù)制和消除機(jī)制，通常稱為無縫冗余 (SR)。該功能可確保在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)單一故障時(shí)零丟包，例如節(jié)點(diǎn)故障、鏈路故障、鏈路錯(cuò)誤或因網(wǎng)絡(luò)擁塞而丟包?；静僮鞲拍钊缦拢?/p>

• 每個(gè)數(shù)據(jù)包都被復(fù)制并在兩條不相交的路徑上向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸；
• 重復(fù)的數(shù)據(jù)包具有相同的序列號(hào)（SN），編碼在數(shù)據(jù)包頭中的 SR-Tag 中；
• 在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的第一個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)包（由 SN 標(biāo)識(shí)）被接受，并且在接收時(shí)丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)包。

圖 2 - IEEE 802.1CB 零故障轉(zhuǎn)移時(shí)間網(wǎng)絡(luò)冗余

如圖 2 所示，通過幀復(fù)制和消除，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不會(huì)意識(shí)到路徑故障，也不會(huì)對服務(wù)造成影響，無論是丟失數(shù)據(jù)包的形式，還是由于網(wǎng)絡(luò)故障轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的瞬時(shí)數(shù)據(jù)包流中斷。

超越一步

正如引言中所討論的，自動(dòng)駕駛汽車的標(biāo)準(zhǔn)將高于人類駕駛員。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)冗余技術(shù)，原本開發(fā)的企業(yè)組網(wǎng)環(huán)境，無法使用；單調(diào)駕駛的可靠性要求要求零故障轉(zhuǎn)移時(shí)間解決方案對于車輛的安全運(yùn)行是必不可少的。支持 IEEE 802.1CB 的 IVN 現(xiàn)在已成為賭注，以確保自動(dòng)駕駛能夠?qū)崿F(xiàn)更安全、更高效的交通任務(wù)。

Broadcom 將自動(dòng)駕駛視為以深刻而積極的方式塑造 21 世紀(jì)生活的機(jī)會(huì)，并致力于提供支持技術(shù)的關(guān)鍵部分。2016 年，Broadcom 推出了世界上第一個(gè) TSN 以太網(wǎng)交換機(jī) Quartz，該交換機(jī)現(xiàn)已被設(shè)計(jì)到全球許多關(guān)鍵的汽車自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)中。憑借在硬件中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 IEEE 802.1CB 功能，Quartz 可以以高達(dá) 25Gb/s 的線路速率運(yùn)行，從而將 TSN 性能擴(kuò)展到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基于軟件或 FPGA 的解決方案。2020 年，Broadcom 進(jìn)一步擴(kuò)展了其 TSN 創(chuàng)新，推出了 Quartz 系列的下一個(gè)成員——Quartz2。這款新設(shè)備增加了對 100 Gb/s 的支持，包括一個(gè)集中的線速 MACsec 加密/解密引擎，并顯著降低了功耗。這些新的創(chuàng)新解決了汽車自動(dòng)駕駛市場的關(guān)鍵要求。下表總結(jié)了 Quartz 和 Quartz2 的特性集：

表：Broadcom 用于汽車應(yīng)用的 TSN 以太網(wǎng)交換機(jī)匯總

審核編輯：符乾江