沃尔沃：TSN以太网作为主干网所面临的挑战

1、  Volvo - 中央集成式EE架构

1. VIU提供从机电一体化Rim节点的特定网络接口到核心网络的转换，类似网关的作用；

2.机电一体化 Rim 中的ECU高度专业化，用于控制特定的设备，例如发动机、变速器、制动、转向、车门、车窗、座椅等；

3. VCU协调机电一体化 Rim中的基本功能，以提供整车层级的控制行为。例如，车辆动力控制、空调控制、外部照明、内部照明等；

图1. 基于区域的EE架构

 

2、以太网作为核心网的挑战

 

1）核心网络必须能够处理不同类型的流量 - 如何保证满足网络中不同应用程序领域的实时要求。

 

2）时间敏感流量和非时间敏感流量可能共享同一以太网链路 -  如何最大程度地减少网络中非时间敏感流量对时间敏感流量的干扰。

 

3）CAN-以太网网关 - 网关中CAN-以太网桥接策略。

图2. 设备 - VIU - VCU三者之间的连接

 

 

可能的解决方案：

 

AVB的应用

 

1）AVB已被应用于视频/音频传输：

—— 802.1AS - 时钟同步协议

—— 802.Qav - 流量整形协议

—— 802.1Qat - 流预留协议

 

2）我们如何处理Control traffic（控制流量）

a、控制流量通过UDP协议发送

—— 没有保证

—— 不能独占访问网络

b、如何找到一种配置和使用机制，使控制流量和音频与其他流量相比具有更高的优先级，即自CAN的所有控制流量都打包成UDP帧，并通过核心网络以最高优先级发送。

c、如何保证控制流量的实时性要求，同时为AVB流量保留带宽

图3. 不同类型流量优先级的配置

 

3）UDP是主要的网关协

 

 

添加TSN

 

1）控制流量 - 时间感知整形器（802.1 Qbv）

2）音频流量 - AVB  A级

3）视频流量 - AVB C级

4）Best-effort（尽力而为）流量 -  TCP/IP

图4. TSN模拟器

 

网络拓扑

 

1）VIU：车辆集成单元

2）SW_A,SW_B : 以太网网关模块

3）P1,P2, P3 : 处理器

4）AD：自动驾驶模块

5）SGA : 安全网关模块

图5. 网络拓扑

 

场景_AVB（TSN）

 

1）CT:控制流量 (通过UDP协议发送)

2）AVB_A(B,C): AVB流量A级，B级或C级

3）BE:尽力而为的流量

4）*：广播

图6. 场景_AVB（TSN）

 

 

3、小结

 

1）在下列条件下使用TAS显然不能获得所需性能：

—— 在我们的特定场景中

—— 当带宽利用率适中时

 

 2）使用AVB和基于可信因子的整形器（CBS）

—— 我们可以达到与TAS类似的性能

——不依赖于保留的网络时隙

—— 网络的“瓶颈”是处理器与VCU内部交换机之间的连接

 

3）简单且灵活的解决方案

——对所有流量队列应用简单的流量监管

    -- 限制进入速率和突发大小

    -- 定义用于入口缓冲的内存分区

—— 为每个端口的每个流量类别（队列）应用CBS（包括控制流量）

 

 

参考资料：

1. TSN ethernet as core network in the centralized EE architecture - Challenges and possible solution - Volvo