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汽车以太网,时间敏感网络(TSN)

对时间敏感的网络将实时应用到汽车以太网中。
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描述

汽车以太网是汽车系统内部或系统之间的有线连接。因为以太网开放标准是由谁管理的IEEE 802.3该技术已经存在了40多年,汽车版以太网被视为降低成本和复杂性的一种方式。此外,由于汽车以太网中使用的介质(电缆)是速度为2 Gbps的双线系统,这被视为减轻汽车电缆扩散的重量。汽车中的以太网可以减少车内网络的杂音,因为网络因域而异。“汽车内部的网络基础设施是基于领域的架构。每个关键功能都有不同的领域——一个用于车身控制,一个用于信息娱乐,一个用于远程信息处理,一个用于动力总成,等等。这些域通常混合使用不同的网络协议(例如,与可以以及其他人的参与),”Marvell Semiconductor汽车应用和架构高级总监Christopher Mash说。切换到区域架构以太网不需要网络系统之间的所有网关。此外,它还可以通过减少额外的布线来减轻重量。

时间敏感型组网
涉及安全关键功能的汽车以太网必须具有低延迟、确定性和有保证的带宽,这些都是家庭或办公室以太网不需要的特性。确定性以太网可以保证消息实时到达目的地,或者至少保证一定的时间。“如果你的车里有以太网,以太网是你的脚踏板和刹车之间的媒介,你不希望从你踩下刹车踏板到刹车反应的时间是随机的。你想知道它会在一定的时间内发生反应,”Cadence的雅各布森说第3部分他的以太网视频系列。这种类型的以太网被称为时间敏感网络(TSN),用于工业控制和汽车领域,因为它为工程师提供了设计具有可预测延迟和有保证带宽的汽车网络的工具。随着高级驾驶辅助系统(ADAS)在汽车上的改进,它们需要实时联网。IEEE和业界已经为以太网的TSN版本制定了标准,并在继续努力。

来源:Synopsys对此文章用于汽车ADAS应用的以太网时间敏感网络约翰·斯旺森,Synopsys公司2018年高级产品营销经理。

ADAS通常需要与汽车中的多个系统同步,需要通过网络部署大量数据。“例如,紧急制动系统必须考虑到制动距离和人的反应时间。当检测到障碍物时,防撞系统会通知司机,制动系统也会启动。探测系统和刹车系统之间的沟通至关重要,刹车延误可能会造成灾难性后果。”Synopsys的John Swanson。

TSN随着音频视频桥接(AVB)的引入而发展,AVB旨在用于包括汽车信息娱乐和车载网络系统在内的音频视频应用。“在AVB网络中,来自收音机的音频、来自信息娱乐系统的视频、来自汽车指挥中心的数据以及来自运行诊断的文件传输都通过一个公共网络进行流传输和桥接。这种网络的延迟不像自动制动系统等安全关键型ADAS应用的数据那样有关键的时间限制。此外,ADAS应用程序所需的数据量可能要大得多。由于这些原因,IEEE委员会扩展了最初定义为AVB的功能和特性,并将工作组重命名为TSN。IEEE工作组已经创建了多个TSN标准,如表1所示。

TSN的工作原理
TSN包含以下组件:

  • Time-aware牛头刨床
  • 抢占
  • 循环队列和转发
  • 每个流过滤和监管
  • 帧复制和消除
  • 增强的通用精确定时协议

Time-aware牛头刨床*:
汽车网络的设计具有可预测的有保证的延迟;这种类型的网络被称为工程网络。该时间感知型整形器用于工程网络,并允许调度,因此关键流量队列不会阻塞。这是通过一个时间门来完成的,它允许时间关键型数据流畅通无阻地进行,同时阻塞非时间关键型数据;所示图1.IEEE 802.1Qbv调度器的逻辑确定门必须打开和关闭的时间间隔。时间感知整形器在以太网MAC中实现。

抢占*:
抢占还可用于减少时间关键型数据流的延迟。在以太网网络中,抢占可以使时间关键数据帧中断非时间关键数据帧的传输。一旦时间关键数据帧到达目的地,非时间关键数据帧将继续其传输。任何碎片数据帧在继续传输之前都必须重新组合。看到图2

循环队列和转发*:
无论网络拓扑如何,循环排队和转发支持已知的延迟。它的主要作用是使网桥之间的网络延迟更加一致。看到图3.根据IEEE P802.1Qch标准,循环排队转发修正,指定了一种传输选择算法,该算法允许轻松计算通过桥接网络的确定性延迟,而不管网络拓扑如何。这是对现有技术的改进,可以更简单地确定网络延迟,减少交付抖动,并简化在桥接局域网上提供确定性服务。”

每个流过滤和监管*:
每个流的过滤和监管使桥接器或端点组件能够检测网络中的组件是否符合商定的规则。例如,一个节点被分配了一定的带宽,当由于组件故障或恶意行为而超过这个带宽时,可以采取措施来保护网络。该标准包括执行帧计数、过滤、监管等的程序。监管和过滤功能尤其有价值,可用于检测和随后消除破坏性传输,从而提高网络的鲁棒性和安全性。

帧复制和消除*:
帧复制和消除支持无缝数据冗余。它可以检测和缓解由循环冗余检查(CRC)错误、断线和连接松动引起的问题。时间关键型数据帧被扩展为包含序列号,并在每个帧在网络中遵循单独的路径进行复制。在网络中的任何桥接点或合并点,当分离的路径再次连接时,重复的帧将从流中消除,允许应用程序接收无序的帧。看到图4

增强的通用精确定时协议*:
增强的通用精确定时协议通过在网络上同步时钟来支持时钟冗余,有两种方式:使用单个master或多个master。系统有一个同步时钟的master和一个通过网络引用根计时的grand master。在单一master模型中,时钟时间信息被传输到网络的一个段上的侦听器,然后通信到同一网络的另一个段。只有宗师知道准确的时钟时间。在多大师模型中,时钟时间在整个网络中以不同的方向传输,因此在中断的情况下,整个网络仍然知道准确的时钟时间。

自动驾驶汽车的传输速度
汽车以太网连接将需要支持更高速率的数据传输,以满足自动驾驶汽车(av)的网络需求TE的连接写于2019年分析.他指出:“无线网络可以在AV内部和外部通信方面提供一些优势,但AV不能依赖任何可能出现延迟的网络,因此有线网络是最安全的赌注。”“目前具有半自动驾驶功能的汽车的网络速度在每秒500千比特到每秒1兆比特之间,但全自动驾驶汽车将要求网络速度接近每秒10-20千兆比特。”

*定义来源:Synopsys对此文章用于汽车ADAS应用的以太网时间敏感网络约翰·斯旺森,Synopsys公司2018年高级产品营销经理。

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