车载以太网和TSN的那些事儿

谈思实验室 2025-02-11 17:52

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要说以太网最常见的场合,还得是本地局域网(LAN),它所触及到的本地设备,都能方便地交互信息(如车内局域网)。多个局域网又能组成广域网(WAN),诶?怎么又扯到互联网去了。

扯到也无妨,正好说下,以太网和互联网有所不同,咱不能混淆。

以太网的内核,是IEEE的802.3标准(正如802.11是针对WLAN的)。它只定义了物理层和数据链路层,不限制中上层协议,以太网的上层,可以是TCP/IP,也可以是FTP,UDP等其他协议。

互联网的基础,在于TCP/IP协议。它主要在网络层和传输层,对底层也不设限制,也就是说,它既能跑在以太网上,也能跑在FDDI光纤接口上。

那它俩究竟是啥关系呢,说白了,以太网是互联网最常见的物理形态,而互联网又基于TCP/IP协议,因此,以太网也是TCP/IP最常见的物理载体。车载应用也是如此。

回过头来,咱再说说以太网协议规定的物理层和数据链路层:

物理层,包括线缆和接口PHY设备。最初,以太网用同轴线(如细同轴10BASE-2,粗同轴10BASE-5),后来逐渐发展到用双绞线和光纤。其中,双绞线最为常见,以下为以太网双绞线的进化史:

数据链路层,包含“逻辑链路层(LLC)”和“介质访问控制层(MAC)”。如果咱把数据传输比作上楼层,那么,LLC就像是电梯操作板,当你按下按钮,它会理解你的意图,并管理数据(如添加控制信息,为网络层提供统一接口),而后再把数据交给MAC,MAC会亲手把它分配的地址等信息,给数据贴上,而后将它送至电梯(PHY),把数据发送出去。

汽车为啥要用以太网

车上的通信接口,丰富至极,Roy随便一列就是一大堆,比如:CAN、LIN、FlexRay、MOST、A2B、GMSL、LVDS等等。尤其是传统汽车,从接口到线缆,能让人看得眼花缭乱。

一、重量、成本和归一化。

不同接口,大都也会需要不同的线束。这不但不利于归一化设计,还会带来较高的部署成本(包括人工成本、BOM成本和供应链管理成本)。之前有人曾做过一个统计,说汽车线束的总重量,可以排到汽车零部件的前三。

当前的车市,早已进入白热化竞争状态。大部分车企和Tier1都希望能将车内的总线技术,压缩到2~4种,以便其EE平台的归一化设计,进一步降低BOM成本和管理成本。

二、速率/带宽、可扩展性。

据说,早年间,宝马有个场景,要在一定时间内,给车内电子系统刷入1GB的数据。用当时的CAN总线,需要数小时,而走以太网(100Base-TX),几分钟就搞定了。后来,随着汽车智能化程度越来越高,传统接口在速率和集成方面,渐渐都有些力不从心了。

这时,以太网似乎成了不二之选。2008年,宝马将以太网用到了OBD上(这也促进了DoIP协议的诞生),又一次尝到了甜头。后来也有其他玩家陆续跟进,车载以太网似乎要开始普及了,但100BASE-TX有一个痛点,让大伙儿如鲠在喉:它需要两对双绞线,并且很难满足CISPR-25 Class5发射极限值,EMC是个挑战。

有问题,一定就有答案。宝马和博通等公司通力合作,最后整出了100BASE-T1以太网技术,它只需要一对双绞线,EMC问题也得到了极大的改善。其实,直到100BASE-T1的问世,车载以太网才算开始普及。(比如,2013年宝马的X5)

时至今日,100BASE-T1的速率也不够用了,于是乎,1000BASE-T1和10GBASE-T1也登上了车载舞台。甚至有的视频信息也在考虑走以太网传了(如DVR行车记录仪,通常带压缩),值得注意的是:超过1Gbps,线缆就要用屏蔽双绞线了,超过10Gbps,就得上超六类或以上的线缆了。

另一方面,10BASE-T1S(10Mbps)也在悄悄发芽,不过它和以太网前辈们的星形架构不同,它和CAN一样,是总线架构。以太网的野心,几乎就是摆到明面上了。

三、同步与安全性。

说到这,就不得不提咱们下一篇的重头戏TSN(Time-Sensitive Networking)了,它是由IEEE 802.1定义的一套协议标准,目的是为了在以太网中实现数据通信的实时性和确定性,改善传统以太网的抖动性。

TSN既能用在传统以太网上,也能用在车载以太网上,它通过时间同步、数据整形、对信息流的过滤与监控,可以保证数据的硬实时性。这在汽车应用也很重要,比如传感器数据和汽车动力系统之间、系统音视频的捕捉,它们都会需要严格的信息同步,以保证系统安全。

如此,TSN不仅可在“车载以太网”上大展拳脚,它甚至也可以在“机载以太网”中大杀四方。它很多具体做法,还是很精彩的,Roy会在下期和大家细聊,这里就先不赘述了。

底层方面,车载以太网针对车载应用的需求,在民用的以太网协议基础上,改变了物理层的电气特性,也定制了一些新标准。

上层协议,“车载以太网”也是可以直接从“传统以太网”拿来用的,这不,久经考验的TCP/IP,现在也是车载以太网的主心骨了。

随着汽车智能化的发展,以及车载应用对数据带宽的需求,VLAN等技术也被广泛用到了车载领域,它也帮车载应用,实现域间解绑,提升信息处理效率和网络安全。

车载以太网,这个冉冉升起的太阳,逐渐成为了车内的骨干网络。而TSN作为它的法宝之一,又会有哪些惊人的贡献呢?

TSN

直译过来,TSN(Time-Sensitive Networking)是:时间敏感网络。只看这个名字,还真不好猜它到底是个啥。

其实啊,所谓“时间敏感”,就是“对时间敏感”的意思,泛指“对实时性要求高”的意思。简单讲,TSN(时间敏感网络)也就是:在通信过程中,能一直保持数据实时性和可靠性的网络。

TSN本质上,就是IEEE 802.1开发的一堆协议标准。它在标准以太网的基础上,通过一系列协议和技术手段,提供了低时延、高可靠性的数据传输服务。你也许会纳闷儿,啥场合需要这种服务?

举个例子,你在高速上正常行驶时,突然有辆车横撞过来,经车内的智驾系统判断,此刻需立即刹车,于是,智驾域立即向动力域发出指令,刹车系统收到指令立即制动。整个过程中,一旦信号出现延迟卡顿,后果将不堪设想。

有了TSN,它就像个魔法师一样,确保所有安全系统(如智驾域、座舱域、刹车和转向)的精确执行,为车载以太网这个小局域网,统一时间基准,保你毫发无损。

再比如,在智能工厂流水线,一条机械臂负责切割金属,另一条负责焊接,下一个机器负责其他,整个工序要严丝合缝地进行。TSN也能让它们之间精确同步,大家一起,都在对的时间,做对的事儿。

相比之下,咱传统的家用以太网,可就没那么准了,主打一个“尽力而为”。回忆一下,你在家上网玩游戏时,有没有遇到过网速不稳定的情况?

电脑的以太网可以崩,但在汽车以太网可是万万不能崩的。车载应用对可靠性、安全性的要求极高。因此,它需要更多法宝,为它保驾护航。于是,多年前的多媒体领域的AVB标准,就映入眼帘了。

玩过数字音频的朋友,应该都听过AVB(Audio Video Bridging),以及Dante系统。Roy第一次见到AVB接口时,就曾脱口而出:我去,这不就是网口吗?的确是。

其实用网口传音视频,也不新鲜。专业领域的Dante系统,就能在一条网线上同时收发多路音频数据,而且还能保证各路的同步,其架构就符合AVB标准。AVB的音视频带宽占比,也是能自定义的,如:百兆以太网走AVB时,常会留75Mbps传音视频,25Mbps传其他信息。

那AVB又是何人呢?这么说吧,论资历,TSN得叫它一声大哥。因为AVB协议正是TSN的前身,它由IEEE于2005年提出,为的就是通过以太网,传输同步、低延迟的音视频数据。

到了2012年,7岁的AVB改名为TSN,它的应用范围,也从音视频应用,拓展到了工业、汽车等领域。时至今日,TSN已然成为下一代网络技术的演进方向,除了工业界、汽车界,就连航空界都被它圈粉了。

既然如此,想必TSN一定有它的过人之处,在细说它的魅力之前,咱先理解几个概念:

1、TSN主要作用于数据链路层,可实现亚微秒/微秒级的时间精度。

2、TSN既可用于车载/工业以太网,也能用于传统以太网。

3、TSN能让“时间敏感数据”和“非时间敏感数据”共享同一网络传输。

4、TSN是一大堆协议的组合,包括但不限于:

有TSN功能的设备,不必支持所有TSN协议标准,按需选择即可(但需声明)。

下面,Roy用例子大法,来降低这些知识的摩擦力:说明TSN的几大模块,以及它们所包含的协议。

一、延迟和抖动的概念

网络传输中,既有延迟,又有抖动。那该怎么区分它们呢?

TSN的主要目的是,减少抖动,而非延迟。一般而言,在实际以太网传输中,延迟相对可控也可补偿,而抖动要比延迟大得多,且不可预测。所以,咱要尽量减少抖动,才能确保数据的准时交付。

抖动产生的主要原因,是低优先级数据占用了带宽,导致高优先级数据的传输受限,这主要发生在交换机上,毕竟这里是大量数据并发之地,数据阻塞、处理能力不足时,就会带来延迟。

二、时间同步:802.1AS协议

TSN的时间同步(gPTP: Generalized Precision Time Protocol),又叫通用精密时钟协议,它是IEEE1588的子集,gPTP在PTP的基础上,做了针对性的修改,更适用行业应用。

对TSN网络而言,时钟是绝对的核心,网络中的各节点的时钟,都由gPTP来同步。具体同步原理,很像一道高中数学题,Roy在下期会提到,此处先不赘述了。但是,要怎么理解时钟同步呢?

例子:你们公司,每天09:30之前都要打卡上班。你和你同事们的手表时间,可能快慢都不一样,那么问题来了:09:30这个打卡deadline,究竟要以谁的时间为准?毫无疑问,以打卡机的时间为准。所以,大家要按打卡机,来调整自己手表的时间。

在这个例子中,打卡机时间就是TSN网络的主时钟(GM: Grand Master),大伙儿按打卡机,调自己手表时间的行为,就是gPTP时间同步做的事。调完后,大家的手表时钟就都同步了。假如你公司还有个变态的规定:早上10点10分零3秒,所有人一起跺脚,那大家真的就能精确的地在同一时刻,整齐划一的跺脚了。

话说回来,在车载应用中,这种整齐划一的步伐可太重要了。以自动驾驶为例,它对数据传输的实时性和可靠性要求极高,任何数据传输的延迟或丢失都可能导致严重的安全事故。

TSN在各种协议的互相配合之下,能确保系统中的关键数据,如传感器数据、控制指令等,在极低的延迟下可靠传输,满足了智驾系统的严格要求,在很大程度上,保证了车辆行驶的安全性。

TSN硬件相关的另外两大法宝:“延迟管理”和“可靠性”。

一、时间与抖动

二、时间同步协议(802.1AS): 网络世界的指挥家

三、流量整形协议(802.1Qav):数据洪水的“稳压器”

数据有时就像突发的洪水,一下就涌过来了。而咱可怜的网络管道,就像个小水管,遇到大水流时,它时常承接不住。于是,大数据流,时常会把咱的网络撑到崩溃(如在公司局域网中,大家同时下载大量文件)。

802.1Qav流量整形协议,就是为缓解 “数据洪水”而生的。它为数据的稳定传输,煞费苦心,还准备了个水库做Buffer,遭遇汹涌而至的数据流时,它会先把这些数据引入水库,先存起来。等待合适的时机,再适度开闸放水,让数据均匀稳定地流出,避免了网络数据阻塞。

四、流量调度协议(802.1Qbv):数据道路的“交规”

假如,咱把网络中的数据,比作马路上的车辆。要知道,车流中除了私家车、出租车,同样也有救护车、消防车。这些车辆是要分轻重缓急的,如果它们都被无序地混在一起,那可就乱了套了。

802.1Qbv流量调度协议,为数据交通规则而生。它将以太网数据分为固定长度、连续重复的周期。这些周期又被分成时隙,在每个时隙中,数据通过不同优先级标签传输。确保不同优先级的数据互不干扰,以及高优先级数据对资源的优先享用。

也就是说,它为不同数据,设计不同车道(公交车专用道、应急车道等),也为不同数据,贴上了不同的标签。比如,它会为“救护车”贴上“VIP”标签(时间敏感流),为普通数据贴上“普通”标签(Best effort流)。保证高优先级数据,能安全准时地抵达目的地。

五、优先级博弈协议(802.1Qbu): 数据红绿灯

网络犹如一座城市的交通系统,不同类型的车辆川流不息,有的像救护车一样紧急(实时数据),也的像私家车一样普通(常规数据)。即使车道和车辆标签都设计井然有序,但要是没了红绿灯,路口也一样会乱成一锅粥。

802.1Qbu数据循环与排队协议,就是专为数据交通打造的“红绿灯”。它用了eLQ(Enhanced Local Queueing)队列管理技术,通过 “抢占机制”处理数据流。例:必要时,它会暂停正在传输的低优先级数据,让高优先级数据先传输。就像当救护车鸣笛赶来时,其他车辆会暂时停下,让救护车先行。

同时,它还能 根据网络的实时状况,动态调整数据传输顺序,就像“智能红绿灯”根据路口车流量实时调整时间一样,确保资源得到最合理的利用。

六、冗余协议(802.1CB):数据的备胎计划

假如,你要给朋友送一份特别重要的文件,为了确保朋友一定能收到,你不仅发了电子邮件,还通过微信又发了一次。在网络世界中,数据传输偶尔会掉链子(数据拥堵或线缆损坏),802.1CB 协议也是干这个的,它给数据传输上 “双保险”,让数据稳稳当当送到目的地。

802.1CB协议使用了FRR (Fast Reroute)技术,当网络主要路径出问题时,它可迅速切到备用路径传,以确保数据的连续传输。正所谓,逢山铺路,遇水架桥。这是通过“帧复制”和“帧消除”机制,来实现的。

帧复制:数据分身术

802.1CB 协议在发数据时,会把数据 “复制” 好几份。然后让它们从不同的路径,一起往接收设备那儿传送。比如,一个摄像头要把拍摄的监控视频数据传给后台服务器,它就会用802.1CB协议把视频数据复制几份,从不同线路传。

帧消除:多选一

接收端一般会收到好几份一样的数据,这时候它得挑出一份有用的,把其他的扔掉就行啦,802.1CB 协议会给每个数据都贴上编号,接收设备就根据编号,挑出一份,把其他重复的都 “消除” 掉就OK了。

车载应用中,自动驾驶汽车,得和周围的车、红绿灯、路边的传感器不停地交换数据。要是数据传错或传丢,就可能有危险。有了802.1CB 协议,它给数据也上了个 “双保险”,这一点,与汽车界的功能安全,也有异曲同工之妙。

七、数据过滤与监管协议(802.1Qci):服务质量监督员

顾名思义,它就像是个服务质量监督员,确保网络中的数据传输质量。以确保重要信息能更快、更安全地传输,而不会被其他普通信息干扰。

值得注意的是:带TSN功能的设备,不必支持所有TSN协议标准,只需按具体需求选择即可(但需声明,其支持的具体协议名称)

总体来说,TSN中的这些协议,就像是一套复杂的管理系统,它们协同工作,确保网络中的设备,能按统一的时间表和规则去传数据,保证数据传输的鲁棒性和确定性。

来源:车规半导体硬件

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