1. 汽車網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

那么，為什么會(huì)有如此強(qiáng)烈的趨勢(shì)將以太網(wǎng)用于車載通信呢？

當(dāng)今的汽車網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)對(duì)傳感器和電子控制單元 （ECU） 之間的數(shù)據(jù)傳輸具有很高的帶寬需求。例如，攝像頭數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)傳感器以及用于信息娛樂(lè)的音頻/視頻流都需要高吞吐量。在未來(lái)的汽車中，將會(huì)有更多的傳感器和攝像頭。此外，針對(duì)集中式區(qū)域基礎(chǔ)架構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)生了變化，這將減少物理 ECU 的數(shù)量并導(dǎo)致布線優(yōu)化，這是一個(gè)很大的好處，尤其是在涉及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下。以太網(wǎng)已經(jīng)無(wú)處不在。多年來(lái)，我們一直在家庭或辦公室環(huán)境中使用它。它經(jīng)過(guò) 40 多年的應(yīng)用實(shí)踐證明。以太網(wǎng)擁有完善的生態(tài)系統(tǒng)，大多數(shù)操作系統(tǒng)都提供支持它的網(wǎng)絡(luò)堆棧。以太網(wǎng)提供從 10Mbit/s 到 400GBit/s 的速度等級(jí)，并且獨(dú)立于物理層。這意味著，有不同的布線選項(xiàng)可用于汽車用例，例如光纖或單雙絞線銅線，例如 100BASE-T1 或 1000BASE-T1。那么，成為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的理想條件是什么？

我們需要小心，汽車以太網(wǎng)與 IT 或家庭中使用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不同。例如，必須在短時(shí)間內(nèi)處理來(lái)自 LiDAR 傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)時(shí)間需要是確定性的，否則無(wú)法保證安全運(yùn)行。有關(guān)汽車應(yīng)用的一些時(shí)序要求，請(qǐng)參見(jiàn)表 1。

圖像

表 1：時(shí)間約束示例

2. TSN - 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

最初在 IEEE 802 中定義的以太網(wǎng)不提供任何實(shí)時(shí)功能。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) （TSN） 是 IEEE 802.1 工作組維護(hù)的一組標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)展了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信能力。TSN 需要完成三個(gè)主要任務(wù)：時(shí)間同步、流量調(diào)度和配置，如圖 1 所示。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中最重要的一步是將每個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與者的時(shí)鐘同步到最精確的可用源。TSN 使用通用精確時(shí)間協(xié)議 （gPTP） 來(lái)完成此任務(wù)。為了滿足特定的延遲或保證數(shù)據(jù)流的特定優(yōu)先級(jí)，TSN 包含了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)定義了如何實(shí)現(xiàn)不同類型的流量調(diào)度。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還支持通過(guò)流預(yù)留協(xié)議 （SRP） 等高級(jí)協(xié)議交換配置屬性。看看表2選擇與 TSN 相關(guān)的重要標(biāo)準(zhǔn)。整套 TSN 標(biāo)準(zhǔn)確保了具有實(shí)時(shí)需求的流量的定義延遲。第 2.2 節(jié)將提供其中一些的逐項(xiàng)概述。總之，可計(jì)算的延遲、帶寬分配、整形和排隊(duì)算法，包括幀搶占，正在為依賴它的服務(wù)在現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中建立確定性。由于排隊(duì)算法、緩沖區(qū)要求和最壞情況延遲在數(shù)學(xué)上是可預(yù)測(cè)的，因此 TSN 非常適合與安全相關(guān)的應(yīng)用。

表 2：重要 TSN 標(biāo)準(zhǔn)的選擇

2.1 TSN 配置

如何配置支持 TSN 的硬件是高度特定于應(yīng)用程序的。例如，為了在瑞薩車載計(jì)算機(jī) 3 （VC3） 上配置 RSwitch2，選擇了基于 XML 的方法。基于 Linux 的操作系統(tǒng)提供自己的接口，例如 Qdisc（隊(duì)列規(guī)則）。但是可能有不同的方法可用，具體取決于應(yīng)用程序的需要。對(duì)于配置接口本身，底層硬件通常不需要特殊支持，最常見(jiàn)的是將輸入轉(zhuǎn)換為硬件接受的數(shù)據(jù)格式的軟件。在虛擬化的情況下，管理程序需要在客戶操作系統(tǒng)可以配置的功能和為特權(quán)系統(tǒng)級(jí)別保留的功能之間創(chuàng)建一個(gè)清晰的屏障。資源分配協(xié)議或 802.1Qcw – YANG 數(shù)據(jù)模型，用于計(jì)劃流量、幀搶占以及每流過(guò)濾和監(jiān)管。正如上面已經(jīng)提到的，實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是一個(gè)獨(dú)立于硬件的軟件，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本文的范圍。

2.2 TSN流量調(diào)度

TSN 流量整形算法使實(shí)時(shí)流量與常規(guī)盡力而為的流量在一個(gè)以太網(wǎng)內(nèi)共存。低延遲和確定性保證了時(shí)間關(guān)鍵的通信。這意味著，安全相關(guān)組件可以集成到啟用 TSN 的以太網(wǎng)中。TSN 中有多種標(biāo)準(zhǔn)可用于確保具有實(shí)時(shí)需求的流量的定義延遲。

802.1Qav 中指定的 Credit Base Shaper （CBS） 機(jī)制處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)。它根據(jù)優(yōu)先級(jí)為每個(gè)隊(duì)列分配信用額度。當(dāng)前信用在將幀添加到隊(duì)列時(shí)增加，在發(fā)送幀時(shí)減少。如果一個(gè)隊(duì)列的信用為負(fù)，則不再發(fā)送幀，并安排另一個(gè)隊(duì)列。此外，還考慮了基于最大幀大小和端口傳輸速率的限制。

另一種調(diào)度技術(shù)在 IEEE 802.1Qbv 中被指定為時(shí)間感知整形器 （TAS）。它在調(diào)度的時(shí)間關(guān)鍵流量之前實(shí)施保護(hù)帶。如果在流量窗口關(guān)閉之前無(wú)法完成傳輸，這可以防止傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)流量。此外，它提供了一種搶占機(jī)制，能夠在交易過(guò)程中停止幀傳輸。在這種情況下，執(zhí)行具有更高優(yōu)先級(jí)的另一個(gè)幀的傳輸。完成后，可以繼續(xù)原來(lái)的傳輸。該機(jī)制在 IEEE Std 802.1Qbu 和 IEEE 802.3br 中有描述。這只是 TSN 標(biāo)準(zhǔn)集提供的最重要解決方案的摘錄。流量調(diào)度由支持 TSN 的硬件輔助，例如 Renesas RSwitch2、正如我們剛剛概述的那樣，它允許多達(dá) 8 個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)和幾種仲裁算法。以下列表概述了 RSwitch2 硬件最重要的流量調(diào)度功能

轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì) （IEEE802.1Qav）

幀搶占（IEEE 802.1Qbu + IEEE 802.3br）

調(diào)度流量的增強(qiáng) （IEEE 802.1Qbv）

按流過(guò)濾、計(jì)量和監(jiān)管 （IEEE 802.1Qci）

多種 QoS 機(jī)制（優(yōu)先級(jí)控制、資源管理……）

2.3 TSN時(shí)間同步

時(shí)間敏感應(yīng)用的 TSN 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.1AS定時(shí)和同步

定義了通用精確時(shí)間協(xié)議 （gPTP）。該協(xié)議同步所有 TSN 參與者之間的時(shí)間，并選擇最好的主節(jié)點(diǎn)，稱為大師。同步機(jī)制通過(guò)在同步和延遲請(qǐng)求消息中交換時(shí)間來(lái)計(jì)算一個(gè)主機(jī)和從機(jī)之間的傳輸時(shí)間。圖 2顯示了兩種可能的方法。Master和Slave之間的時(shí)間差可以通過(guò)以下方式計(jì)算：

t S – t M = T S1 - T M1 – T延遲

圖像

圖 2：時(shí)間同步方法

然后可以通過(guò)往返時(shí)間計(jì)算延遲：

T延遲= （TM 延遲 + TS 延遲） / 2

T延遲= （T S1 - T M1 + T M2 - T S2 ） / 2

圖 3：幀時(shí)間戳的準(zhǔn)確性通用精確時(shí)間協(xié)議需要精確的傳輸時(shí)間戳才能準(zhǔn)確工作。時(shí)間戳可以在傳輸過(guò)程中涉及的幾個(gè)層之一進(jìn)行，但只有硬件輔助解決方案才能達(dá)到所需的精度。圖 3顯示了不同方法所達(dá)到的準(zhǔn)確度的近似值。

Renesas RSwitch2 帶有一個(gè)相關(guān)的 PTP 硬件時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘要么是主時(shí)鐘，要么是通過(guò) PTP 軟件堆棧同步到外部主時(shí)鐘。在傳輸時(shí)，RSwitch2 的 MAC 部分直接從這個(gè)高精度硬件時(shí)鐘中捕獲時(shí)間，并將時(shí)間戳添加到傳輸幀中。此外，軟件層可以通過(guò)通用寄存器訪問(wèn)方法訪問(wèn)相同的硬件時(shí)鐘，以將這種精確的同步時(shí)鐘提供給系統(tǒng)的其他組件。典型的應(yīng)用是系統(tǒng)時(shí)鐘的同步和同步音頻/視頻流的正確顯示時(shí)間的獲取，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)音頻/視頻傳輸協(xié)議 （AVTP） 實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)參閱圖 4以了解 RSwitch2 硬件時(shí)間戳設(shè)計(jì)的概述。

圖 4：RSwitch2 硬件時(shí)間戳

因此，這里已經(jīng)表明，TSN 的不同標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)為將實(shí)時(shí)敏感應(yīng)用帶入以太網(wǎng)世界做好了準(zhǔn)備。但是，向區(qū)域基礎(chǔ)架構(gòu)邁進(jìn)如何，這將減少物理 ECU 的數(shù)量？我們想展示一種方法，TSN 如何在一個(gè) SoC 內(nèi)的虛擬化、多域設(shè)置中工作。

3. 演示設(shè)置

在我們的演示設(shè)置中，我們希望在一個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片產(chǎn)品上展示多個(gè) ECU 的聚合。不管這種聚合如何，現(xiàn)在集成的每個(gè) ECU 都應(yīng)具有 TSN 功能，就像具有 TSN 網(wǎng)絡(luò)接口的物理 ECU 一樣。圖 5說(shuō)明了這種集成。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，此演示器設(shè)置僅使用兩個(gè)操作系統(tǒng)域。它與博文《網(wǎng)絡(luò)的藝術(shù)（系列 3）：虛擬化的力量》中展示的設(shè)置密切相關(guān)。有關(guān) XEN 管理程序設(shè)置和不同來(lái)賓操作系統(tǒng)之間共享隊(duì)列的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱本文。在這里，將展示如何在來(lái)賓操作系統(tǒng)中啟用 TSN 功能。

圖 5：ECU 整合旨在從單功能 ECU 方法（左）轉(zhuǎn)向多功能 ECU（右）

3.1 硬件布置

這種方法中使用的硬件是車載計(jì)算機(jī) 3 板 （VC3），配備了 Renesas R-Car H3 SoC 和 TSN 以太網(wǎng)交換機(jī) （R-Switch2）。以太網(wǎng)交換機(jī)在通過(guò) PCIe 連接到 R-Car 的 FPGA 上實(shí)現(xiàn)。VC3 是領(lǐng)先技術(shù)的演示平臺(tái)。當(dāng)然，任何其他集成了 RSwitch2 開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品，例如 R-Car S4，都提供了同樣出色的功能。對(duì)于時(shí)鐘同步，使用配備有 TSN 網(wǎng)絡(luò)接口卡的外部 PC。在所示場(chǎng)景中，這臺(tái) PC 是 PTP 大師，VC3 將其 PTP 硬件時(shí)鐘與其同步。PTP for Linux （PTP4L） 是用于通過(guò) gPTP 實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的軟件堆棧。

每個(gè)對(duì) RSwitch2 沒(méi)有直接硬件訪問(wèn)權(quán)限的函數(shù)通過(guò)虛擬化網(wǎng)絡(luò)接口交換其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，該接口將 RSwitch2 IP 的專用硬件隊(duì)列公開(kāi)給該域。因此，來(lái)自任何虛擬機(jī)的以太網(wǎng)幀都可以通過(guò) RSwitch2 IP 以相同的方式添加時(shí)間戳，例如具有物理訪問(wèn)權(quán)限的域。如前所述，多個(gè)操作系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列共享在之前的博文中有詳細(xì)描述。

3.2 軟件安排

對(duì)于軟件設(shè)置，選擇 Xen v4.14 作為管理程序。Xen（也稱為域）上運(yùn)行著兩個(gè)客戶操作系統(tǒng)：

dom0：一個(gè)特權(quán)域，可以直接訪問(wèn)大多數(shù) R-Car 外圍設(shè)備、RSwitch2 IP、PTP 硬件時(shí)鐘 （PHC）。此外，PTP for Linux （PTP4L） 軟件堆棧也在此域中運(yùn)行。它將 PTP 與外部大師同步。

domU：無(wú)特權(quán)的域，不能直接訪問(wèn)任何特定的硬件設(shè)備。但是，domU 可以訪問(wèn)兩個(gè) RSwitch2 隊(duì)列（一個(gè) RX 和一個(gè) TX），它們當(dāng)然支持硬件時(shí)間戳功能。它還可以通過(guò) PTP 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序以只讀方式訪問(wèn) PTP 硬件時(shí)鐘 （PHC），該驅(qū)動(dòng)程序使用 Xen IO 環(huán)從 dom0 中的 PTP 驅(qū)動(dòng)程序獲取時(shí)間。domU 中的這個(gè)虛擬化驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建的時(shí)鐘抽象進(jìn)一步稱為虛擬 PTP 硬件時(shí)鐘 （vPHC）。

整個(gè)設(shè)置如圖 6 所示。這兩個(gè)域作為多功能 ECU 集成功能的示例。在這兩個(gè)領(lǐng)域中，使用所提供的 （v）PHC 的示例應(yīng)用程序是chrony，這是一種將系統(tǒng)與外部時(shí)間源同步的軟件。在我們的例子中，chrony將域的系統(tǒng)時(shí)鐘與 （v）PHC 同步。由于兩個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器都基于相同的 Arm? 硬件系統(tǒng)計(jì)數(shù)器，因此 PHC 與相應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)器的偏差表明了這種安排可以實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量。由于 domU 僅限于 PHC 的只讀訪問(wèn)，因此它無(wú)法調(diào)整此時(shí)鐘。這意味著 dom0 和 domU 共享相同的時(shí)鐘域。當(dāng)然，如果只授予對(duì) PHC 的訪問(wèn)權(quán)限，時(shí)鐘同步可以從 dom0 移動(dòng)到任何其他域。如果需要更多時(shí)域，R-Car S4 等實(shí)現(xiàn)提供了兩個(gè)獨(dú)立的 PHC，可以分配給不同的域。

圖 6：使用虛擬化 PTP 硬件時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置

4. 時(shí)鐘偏差的測(cè)量

計(jì)時(shí)碼表應(yīng)用程序可以測(cè)量 PHC 和系統(tǒng)定時(shí)器之間的偏差。由于兩個(gè)域的系統(tǒng)計(jì)時(shí)器都從同一個(gè)硬件系統(tǒng)計(jì)數(shù)器延遲，并且兩個(gè) PHC 都從同一個(gè)物理硬件時(shí)鐘延遲，我們可以從我們得到的偏差值推導(dǎo)出我們實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量。圖 7 顯示了一段時(shí)間內(nèi)的偏差。每秒測(cè)量一個(gè)樣品。在 domU 中，虛擬化系統(tǒng)時(shí)鐘和 vPHC 之間可以觀察到的最大偏差要高得多。這是可以解釋的，因?yàn)橛懈嗟南到y(tǒng)服務(wù)和硬件驅(qū)動(dòng)程序在 Dom0 中運(yùn)行，這可能會(huì)延遲 domU 的調(diào)度一個(gè)簡(jiǎn)短但可測(cè)量的時(shí)間。盡管 domU 的抖動(dòng)通常較高，但由于依賴于相同的硬件計(jì)數(shù)器，兩個(gè)時(shí)鐘的漂移顯示出相似性，正如預(yù)期的那樣。當(dāng)然，為了進(jìn)行精確分析，需要對(duì)更多樣本進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估，以詳細(xì)分析漂移行為。除此之外，在實(shí)際場(chǎng)景中，應(yīng)該監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載對(duì)抖動(dòng)的影響。

總而言之，虛擬化環(huán)境內(nèi)的總偏差在典型傳感器應(yīng)用或 A/V 流的限制范圍內(nèi)是完全安全的，如表 1 開(kāi)頭所示。

圖 7：系統(tǒng)時(shí)鐘與 （v）PHC 的偏差

4.1 結(jié)論

我們已經(jīng)展示了如何在提供 RSwitch2 交換引擎的瑞薩平臺(tái)上方便地為虛擬化域提供 TSN 功能。由于 RSwitch2 的隊(duì)列可以由虛擬化域通過(guò)管理程序直接處理，因此這些域可以立即使用硬件時(shí)間戳。我們闡述了在多個(gè)域以相當(dāng)好的質(zhì)量共享相同時(shí)基的情況下，管理程序抽象如何提供對(duì) PHC 的只讀訪問(wèn)。此外，R-Car S4 等瑞薩電子 SoC 提供了一個(gè)額外的 PHC，可由一個(gè)域?qū)ｉT(mén)使用。借助 Renesas R-Car S4 SoC 等解決方案，將外部設(shè)備連接到汽車以太網(wǎng)交換機(jī)是完全可能的，但虛擬化過(guò)去需要專用微處理器的功能 （ECU） 甚至是可行的。得益于RSwitch2提供的完全集成和強(qiáng)大的交換技術(shù)，每個(gè)具有實(shí)時(shí)需求的虛擬化功能都可以通過(guò)TSN以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

審核編輯：郭婷