万字综述：域控制器四大支柱（上）

域控制器的四大支柱分别是车载以太网、自适应Autosar、高性能处理器和集中式E/E架构。

车载以太网之物理层

车载以太网有两个核心，一个是车载以太网物理层，另一个是车载以太网协议栈。前者让车载以太网不同于传统PC以太网，具备较低的重量和成本、较好的EMI性能和简单布线。后者让车载以太网达到车规级的可确定性、高可靠性、低延迟和时钟一致。  

   车载以太网OSI模型，资料来源：Marvell

车载以太网标准分两部分，一部分是最底层的PHY标准，另一部分是链路层标准。这两个标准都以IEEE的标准应用最广泛。

车载以太网PHY标准主要是制定单对双绞线标准，传统以太网与车载以太网最大不同是传统以太网需要2-4对线，车载以太网只需要一对，且是非屏蔽的，仅仅此一项，可以减少70-80%的连接器成本，可以减少30%的重量。这是车载以太网诞生的最主要原因。同时也是为了满足车内的EMC电磁干扰。

车载以太网PHY标准分布，资料来源：Marvell

车载以太网野心勃勃，10Base-T1S是试图取代传统的CAN网络的。10BASE-T1S即IEEE802.3cg也就是 OPEN Alliance 的TC14 ，100BASE-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000BASE-T1 ECU测试标准即OPEN Alliance的TC8， 1000BASE-T1即IEEE802.3bp也就是OPEN Alliance 的TC12 ，2.5/5/10GBASE-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance 的TC15标准。

车载以太网物理层IC，100Mbps的大约3-4美元，德州仪器、NXP传统汽车芯片大厂市场占有率高，传统网络芯片厂家博通也略强。1Gbps的大约15-20美元，Marvell在此领域实力超强，博通和Microchip也有一席之地。1Gbps以上基本只有Aquantia，Aquantia已经被Marvell以4.52亿美元收购。10Gbps有Aquantia的AQV107，大约40美元一片。

PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则（10Based-T的NRZ编码或100based-T的曼彻斯特编码）把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。网线上的到底是模拟信号还是数字信号呢？答案是模拟信号，因为它传出和接收是采用的模拟的技术。虽然它传送的信息是数字的，并不是传送的信号是数字的。  

通常交换器IC和MCU会集成低端（如CAN网络）的物理层，高端（如以太、Flexray网络）物理层一般都是单独的芯片。

车载以太网协议栈标准集:TSN

以太网是由鲍勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的，以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，目前通常使用双绞线（UTP线缆）进行组网。包括标准的以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)、千兆网(1Gbit/s)和10G（10Gbit/s）以太网。它们都符合IEEE802.3。(注：bps=bit/s) 。以太网中所有的传输都是串行传输，就是说在网卡的物理端口会在每一个单位时间内“写入”或是“读取”一个电位值(0或1)。那么这个单位时间对于1Gbps带宽来说就是1÷1000,000,000=1ns，每8个位(bit)相当于1个字节(Byte)。多个字节(Byte)可以组成一个数据帧。以太网传输数据是以帧为单位的。

以太网规定每一个数据帧的最小字节是64byte，最大字节是1518byte。实际上每个数据帧之间还会有一个12字节的间隔。由于带宽通常是由多个设备共享的，这也是以太网的优势所在。但是所有的发送端没有基于时间的流量控制，并且这些发送端永远是尽最大可能发送数据帧。这样来自不同设备的数据流就会在时间上产生重叠，即我们通常所说的冲突。因为所有数据流重叠/冲突的部分会遵循QoS优先机制进行转发，一部分的数据包肯定会被丢弃。在IT专业里有一个不成文的规定。

当某个交换机的带宽占用率超过40%时就必须得扩容，其目的就是通过提高网络带宽来避免拥堵的产生。

由于以太网的发明时间太早，并没有考虑实时信息的传输问题。尽管RTP（Realtime Transport Protocol）能在一定程度上保证实时数据的传输，但并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制。因此，想要对所有的数据包进行排序，就离不开对数据的缓冲（Buffer）。但一旦采用缓冲的机制就又会带来新的问题—极大的“延时”。换句话说，当数据包在以太网中传输的时候从不考虑延时、排序和可靠交付。传统以太网最大的缺点是不确定性或者说非实时性，由于Ethernet采用CSMA/CD方式，网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时要求，故传统以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被视为“非确定性”的网络。尽管传统二层网络已经引入了优先级(Priority)机制，三层网络也已内置了服务质量（QoS）机制，仍然无法满足实时性数据的传输。此外，在传统以太网中，只有当现有的包都处理完后才会处理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要几百微秒的延迟，满足不了车内应用的需求。更何况目前是Mbit/s的速率，延迟最多可能达上百毫秒，这肯定是无法接受的。普通以太网采用的是事件触发传输模式，在该模式下端系统可以随时访问网络，对于端系统的服务也是先到先服务。事件触发模式的一个明显的缺点是当几个端系统需要在同一传输媒介上进行数据通讯时，所产生的传输时延和时间抖动会累积。

随着音视频娱乐大量进入汽车座舱，IEEE开始着手开发用于音视频传输的以太网，这就是EAVB。AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。

EAVB主要在针对多媒体数据，适用面太窄，2012年11月，EAVB工作小组改名TSN工作小组。TSN是一系列标准的集和。TSN的核心应用是异构性网络的实时、高可靠性，高时钟同步性数据交换。也就是说主要用于骨干传输网，而非节点。汽车、工业自动化是主要应用场合，这些场合至少有两种以上的传输总线，通常是CAN和以太网，汽车则还有MOST、Flexray、LIN、PSI5、CAN-FD等，这些是用户习惯、成本和研发成果复用性决定的，不可能改变。如果非异构性网络，TSN优势不明显。TSN也可用于5G，5G的前传Fronthaul采用的就是TSN 802.1CM标准。

TSN标准包括时钟同步、超高可靠性、低延迟、资源管理四大类，紫色字体为尚未完成，截至2020年1月，2020年6月19日，802.1AS-2020版已经完成。

下面介绍TSN的关键标准

时间同步  

所有通信问题均基于时钟，确保时钟同步精度是最为基础的问题，TSN工作组开发基于IEEE1588的时钟，并制定新的标准IEEE802.1AS-Rev。它用于实现高精度的时钟同步。对于TSN而言，其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”，而是“最差状态下的延时”—这如同“木桶理论”，系统的能力取决于最短的那块板，即对于确定性网络而言，最差的延时才是系统的延时定义。

IEEE1588 协议，又称 PTP（ precise time protocol，精确时间协议），可以达到亚微秒级别时间同步精度，于 2002 年发布 version 1，2008年发布 version 2。它的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE 1588PTP时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。

IEEE1588 协议的同步原理，所提出的 Delay Request-Response Mechanism（延时响应机制）如上图，IEEE1588 把所涉及到的报文分为 事件报文 和 通用报文，分类依据是：是否在收发报文时需要记录精确时间戳，根据上文中所描述的几种报文，可以进行如下分类：

• 事件报文（event message） < 收发时候需要记录精确时间戳 > ：sync /Delay_Req/Pdelay_Req/Pdelay_Resp。
• 通用报文 (generalmessage)< 收发时候不需要几率精确时间戳 > ：Announce/Follow_up/Delay_resp/Pdelay_Resp_Follow_Up/Magnament/Siganling。Pdelay_Req /Pdelay_Resp/Pdelay_Resp_Follow_Up通过peer延迟机制测量两个时钟端口之间的链接延时，链接延时被用来更正Sync和Follow_Up报文中的时间信息。
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IEEE802.1AS-Rev是为以太网第二层所定义的1588规范加以扩展，它的扩展包括了所有域常用peer延迟服务，支持精细时间测量FTM，对链路聚合(802.1AX)的支持，改善的使用范围-包括1步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持，更好的响应能力，这包括了更快的主站交互、降低BMCA收敛时间。另外IEEE802.1AS-Rev支持了多域的同步信息传输以及冗余支持能力（可配置冗余路径和冗余主站）。对无线网络采用时间测量提供更好的支持。IEEE802.1AS-Rev的制定得到了AVNU联盟的大力支持，AVNU联盟由英特尔、思科和三星哈曼发起，是EAVB协议的主要提供者，AVNU联盟为IEEE802.1AS-Rev的实施提供协助，能够提供完整的协议栈和测试认证。

低延迟

汽车控制数据可以分为三种，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic，Scheduled Traffic如底盘控制数据，没有任何的妥协余地，必须按照严格的时间要求送达，有些是只需要尽力而为的如娱乐系统数据，可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过5毫秒，最好是2.5毫秒或1毫秒，这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处，要求低延迟。

在TSN标准里，数据则被分为4级，最高的预计延迟时间仅为100微秒。

低延迟的核心标准是IEEE802.1Qbv时间感知队列。

通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)使TSN交换机能够来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义，然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，可知的。而在TSN网络的数据报文延时被得到保障。TAS介绍了一个传输门概念，这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程-仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间进度表network schedule进行定义。对没有进入network schedule的队列流量关闭，这样就能保障那些对传输时间要求严格的队列的带宽和延迟时间。TAS保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰，它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当优先级非常高时，抢占机制可以被使用。

在网络进行配置时队列分为Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三种，对于Schedule而言则直接按照原定的时间规划通过，其它则按优先级，Best-effort通常排在最后。Qbv主要为那些时间严苛型应用而设计，其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv确保了实时数据的传输，以及其它非实时数据的交换。

对于特别重要的数据，TSN规定了一个抢占机制，它由802.1Qbu/802.3br共同构成。对于IEEE802.1Qbu的抢占而言，正在进行的传输可以被中断，报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧，抢占生成框架，最小以太网帧受到保护的，127字节的数据帧（或剩余帧）不能被抢占。IEEE802.1br定义了，设计了快速帧的MAC数据通道，可以抢占Preemptable MAC的数据传输。IEEE802.3br也同样可以与IEEE802.1Qbv配合进行增强型的数据转发。

高可靠性

TSN中保证高可靠性主要依靠802.1CB标准。这也是无人驾驶必须用TSN的主要原因，也只有TSN能让整个系统达到功能安全的最高等级ASIL D级。同样，与自适应AUTOSAR的捆绑程度也比较高。

众所周知，L4级无人驾驶需要一个冗余处理器，但是主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制如何建立？这就是802.1CB的用武之地了。802.1CB是两套系统间的冗余，芯片之间的冗余还是多采用PCIE交换机的多主机fail-operational机制，两者有相似之处。

对于非常重要的数据，802.1CB会多发送一个数据备份，这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到，在接收端把冗余帧消除，如果只接受到一帧数据，那么就进入后备模式。在ISO/IEC 62439-3中已经定义了PRP和HSR两种冗余，这种属于全局冗余，成本较高，802.1CB只针对关键帧做冗余，降低了成本。802.1CB标准的制定主要依靠思科和博通。

802.1CB也可以缩写为FRER。

FRER不仅能提供双失效冗余，也可以提供多失效冗余。

802.1CB也有简单的失效原因分析机制

域控制器阶段，TSN的必要性还不是太突出，但是ADAS领域的域控制器，TSN或者说802.1CB的优势明显，未来进入到SOA架构阶段，即混合域和Zonal阶段，TSN交换机和物理层IC都是不可或缺的。一旦转进到SOA架构，TSN很快将取代EAVB成为主流。

本文转载自公众号：焉知智能汽车