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有關(guān)車(chē)載TSN的碎碎念

發(fā)表日期:2024/11/22 瀏覽次數(shù):

平常和客戶交流,經(jīng)常被問(wèn)到的跟車(chē)載TSN相關(guān)的問(wèn)題,借著回答闡述一下我對(duì)車(chē)載TSN的理解,希望能給大家一些啟發(fā)。

1. TSN的應(yīng)用場(chǎng)景是什么?給我一個(gè)理由我現(xiàn)在上。

這是我最經(jīng)常聽(tīng)到的一個(gè)問(wèn)題。業(yè)界對(duì)于TSN在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)部署前景的擔(dān)憂,大部分來(lái)自于對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的不確定。我個(gè)人完全理解這樣的看法。TSN應(yīng)用場(chǎng)景的缺乏,可以進(jìn)一步細(xì)分到兩個(gè)層面:

a. 現(xiàn)階段對(duì)高帶寬+確定性需求最大的自駕域部分,以太網(wǎng)并不是主要的基礎(chǔ)設(shè)施,自然也就談不上TSN的應(yīng)用了。

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Figure1 華為CCA架構(gòu) - 摘自東吳證券研報(bào)

我們來(lái)看華為CCA架構(gòu)。以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)確實(shí)部署了,但自駕相關(guān)的傳感器(攝像頭/毫米波雷達(dá)/激光雷達(dá))并沒(méi)有上環(huán)網(wǎng)而是直連MDC,數(shù)量最多且重要性最高(基于純視覺(jué)路線的流行)的攝像頭用的是名為GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link)的串行鏈接技術(shù),毫米波雷達(dá)用的是CAN,只有激光雷達(dá)使用以太網(wǎng)且是點(diǎn)到點(diǎn)直連,這種架構(gòu)下TSN毫無(wú)用武之地。

b.即使有符合TSN特點(diǎn)的使用場(chǎng)景,架構(gòu)設(shè)計(jì)人員依然有其他選項(xiàng)可以繞過(guò)。

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Figure2 基于區(qū)域控制器的架構(gòu)示意圖-1

如上圖所示,假如兩個(gè)紅五星標(biāo)記的執(zhí)行器基于應(yīng)用需求要做同步,由于他們接到了不同的區(qū)域控制器,問(wèn)題便轉(zhuǎn)換為區(qū)域控制器之間的同步,使用TSN協(xié)議族中的IEEE 802.1AS通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制器間的同步是一個(gè)理所當(dāng)然的選項(xiàng)。但還有沒(méi)有其他路徑呢?當(dāng)然有。

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Figure3基于區(qū)域控制器的架構(gòu)示意圖-2

如上圖,只要控制器上有足夠的端口,直接把右車(chē)身的執(zhí)行器連到左后區(qū)域控制器就行了,同一控制器處理端口間同步是相對(duì)容易的事情。這個(gè)操作增加了線束成本的同時(shí)減少了協(xié)議部署的成本和網(wǎng)絡(luò)與控制器協(xié)同工作的成本,從可行性的角度上看完全說(shuō)的過(guò)去。所以TSN又悲催的被退居二線了。

綜合以上兩點(diǎn),那TSN在車(chē)載領(lǐng)域就沒(méi)戲了嗎?我從一個(gè)跨界人士的視角出發(fā)斗膽說(shuō)兩句,其實(shí)也沒(méi)那么悲觀。

首先咱們明確一個(gè)觀點(diǎn):應(yīng)用為王,網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)輔助應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的。這在哪行哪業(yè)都一樣,道理很簡(jiǎn)單,應(yīng)用是C端可見(jiàn)用來(lái)賣(mài)錢(qián)的,網(wǎng)絡(luò)本身是賣(mài)不出錢(qián)的,所以根據(jù)應(yīng)用需求來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)是天經(jīng)地義的。但應(yīng)用是一成不變的嗎?不僅不是,而且肉眼可見(jiàn)迭代的速度越來(lái)越快。這時(shí)候如果還本著“能跑就行”的原則來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò),無(wú)異于一個(gè)老媽子追在應(yīng)用屁股后面摞補(bǔ)丁,用稍微長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)的眼光來(lái)看其實(shí)是不經(jīng)濟(jì)的。比如前面提的執(zhí)行器同步的例子,這版需求是滿足了,下一版需求如果是四個(gè)角上的執(zhí)行器同步咋辦,再拉兩根線?反之在以太網(wǎng)上基于AS實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步,看似大炮打蚊子,實(shí)則建立了一個(gè)有彈性可擴(kuò)展的架構(gòu),之后跟同步相關(guān)的需求都可以納入到同一個(gè)框架里輕松解決,以不變應(yīng)萬(wàn)變。高瞻遠(yuǎn)矚加腳踏實(shí)地,在可行性和前瞻性中間找一個(gè)平衡,有難度但很有價(jià)值。綜上所述我認(rèn)為,以太環(huán)網(wǎng)加TSN的解決方案至少會(huì)長(zhǎng)期作為一個(gè)選項(xiàng)存在。

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Figure4 華為CCA的理想形態(tài) - 摘自東吳證券研報(bào)

其次,我對(duì)TSN的信心也部分來(lái)自于對(duì)于以太網(wǎng)技術(shù)的信心,相信他在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中占的地盤(pán)未來(lái)還能再擴(kuò)一擴(kuò)。以太網(wǎng)技術(shù)誕生40多年,在很多領(lǐng)域其實(shí)是以挑戰(zhàn)者的身份出現(xiàn)最后占據(jù)了統(tǒng)治地位,比如在電信網(wǎng)絡(luò)中挑落ATM技術(shù),在高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中擊敗Infiniband技術(shù),車(chē)載網(wǎng)絡(luò)里面對(duì)MOST他也是后來(lái)居上。以太網(wǎng)所依仗的優(yōu)勢(shì)無(wú)非這幾點(diǎn):(速率)量大管飽,沒(méi)有專(zhuān)利墻,協(xié)議簡(jiǎn)單(CAN更簡(jiǎn)單,但速率上有先天劣勢(shì)),行業(yè)應(yīng)用廣泛可以互相借鑒。大家發(fā)現(xiàn)沒(méi)有,這里所有點(diǎn)其實(shí)都命中同一個(gè)關(guān)鍵詞就是“省錢(qián)”。盡管現(xiàn)階段車(chē)載以太網(wǎng)的成本并沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì),我還是相信隨著滲透率的提高,以太網(wǎng)在不久的將來(lái)會(huì)成為最經(jīng)濟(jì)的選擇。

回到前文提到的自駕域,滲透率最高的攝像頭通信目前SerDes(GMSL是其中一種實(shí)現(xiàn)方式)占據(jù)主流,那以太網(wǎng)還有機(jī)會(huì)嗎?我認(rèn)為是有的,比如Marvell就一直在推以太網(wǎng)傳攝像頭數(shù)據(jù)的方案。

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Figure5 基于以太網(wǎng)的攝像頭通信 - from Marvell

原因可能有幾個(gè)。未來(lái)以太網(wǎng)成本降低會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)。近一兩年涌現(xiàn)的車(chē)載算力集中化的實(shí)現(xiàn)可能將過(guò)往攝像頭自帶的圖像處理/視頻壓縮等能力轉(zhuǎn)移到自駕域控上,而無(wú)壓縮原始視頻的傳輸會(huì)對(duì)通信鏈路提出更高的帶寬需求(1Gbps to 10/25Gbps),而這超出了SerDes的能力范圍。另外基于車(chē)載應(yīng)用的日新月異,我無(wú)責(zé)任拍個(gè)腦袋,也許未來(lái)會(huì)有傳感器間互動(dòng)的需求?那基于分組交換的以太網(wǎng)比點(diǎn)到點(diǎn)的Serdes實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便多了。

綜上所述,以太網(wǎng)在自駕域乃至整個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中的地位可以說(shuō)“未來(lái)可期”,作為以太網(wǎng)小弟的TSN日子也不會(huì)太差,大家要有信心。

2. 忙活半天把網(wǎng)絡(luò)延遲抖動(dòng)從毫秒級(jí)別降到微秒級(jí)別,結(jié)果應(yīng)用層軟件直接引入了幾十毫秒的延遲抖動(dòng)。那我折騰TSN意義何在?

這個(gè)一般是深入研究和動(dòng)手實(shí)踐過(guò)TSN的人會(huì)提的問(wèn)題,我之前也有相同的認(rèn)知,但仔細(xì)想想,其實(shí)還是有進(jìn)一步推敲的空間。首先我們要明確在這個(gè)場(chǎng)景中應(yīng)用TSN的目標(biāo),追求的究竟是低時(shí)延,還是低抖動(dòng)(確定性)?

如果追求的是低時(shí)延,那可以說(shuō)這個(gè)抱怨是個(gè)偽命題,我舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn):我所在的寫(xiě)字樓,寄過(guò)來(lái)的包裹都是統(tǒng)一發(fā)到大樓物業(yè),物業(yè)保安每三天才給我送一次,那我會(huì)拒絕隔天能到的順豐而選用2-3天能到的郵政嗎?反正都一樣?那顯然是不會(huì)的,最后這一段我可以有各種辦法,可以投訴保安讓他們勤點(diǎn)送,可以要求改規(guī)則讓順豐直接送上來(lái),我自己跑跑腿去取也是可以的,肯定不會(huì)選擇的是接受那個(gè)慢的快遞。同樣道理,當(dāng)上層軟件拖累了整體系統(tǒng)的時(shí)延指標(biāo),要做的事肯定是去優(yōu)化上層軟件而不是反過(guò)來(lái)質(zhì)疑網(wǎng)絡(luò)。木桶的裝水量取決于最短的那塊板,但正常的思路是去補(bǔ)短板,而不是對(duì)著長(zhǎng)板說(shuō)“你們的意義何在”。

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Figure6 順豐特快

如果追求的是確定性,那確實(shí)是個(gè)問(wèn)題,因?yàn)榉菍?shí)時(shí)系統(tǒng)從理論上就無(wú)法保障時(shí)延的確定性。所以我們應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層面做把關(guān),對(duì)于有整體確定性要求的系統(tǒng),光靠TSN是無(wú)法滿足的,必須搭配實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

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Figure7 RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

3.TSN該怎樣測(cè)試?測(cè)試能給我?guī)?lái)什么好處?

TSN作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的底層協(xié)議被用于承載時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)流,跟TSN相關(guān)的測(cè)試包含兩類(lèi),第一類(lèi)是針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施本身的測(cè)試,第二類(lèi)是給定基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)針對(duì)業(yè)務(wù)的測(cè)試,本文主要討論第一類(lèi)測(cè)試。

針對(duì)TSN本身的測(cè)試,首要的自然是功能測(cè)試。我們很多時(shí)候也說(shuō)一致性測(cè)試,這個(gè)說(shuō)法是從其他以太網(wǎng)協(xié)議比如TCP/IP協(xié)議測(cè)試?yán)^承過(guò)來(lái)的,從測(cè)試目標(biāo)上來(lái)看他跟功能測(cè)試是一回事。由于TSN協(xié)議族比較龐大,車(chē)載應(yīng)用一般并不需要用到所有的協(xié)議,因此挑選需部署的協(xié)議進(jìn)行測(cè)試即可。IEEE 802.1 TSN協(xié)議族中的絕大部分均已凍結(jié),所以功能測(cè)試用例本身一般沒(méi)有太大爭(zhēng)議。

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Figure8 TSN協(xié)議族

接下來(lái)是性能測(cè)試,這點(diǎn)爭(zhēng)議就大很多,因?yàn)榻^大部分標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定這個(gè)。此時(shí)讓我們call back前文的兩個(gè)觀點(diǎn):“TSN是用來(lái)輔助應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的”,“應(yīng)用迭代的速度越來(lái)越快”。定一個(gè)相對(duì)較高的性能要求,有助于降低未來(lái)面對(duì)應(yīng)用迭代時(shí)被迫調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的可能性。典型的性能要求包括時(shí)鐘同步精度/時(shí)隙精度/單跳網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延抖動(dòng)最大值等。

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Figure9 IEEE 802.1AS時(shí)鐘同步精度要求

最后還有可靠性/穩(wěn)定性/魯棒性測(cè)試。這里需要針對(duì)corner case進(jìn)行設(shè)計(jì),如各種故障(鏈路/節(jié)點(diǎn)),非法消息,突發(fā)流量等等。我特別建議增加長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性驗(yàn)證的測(cè)試,一些在前面功能/性能測(cè)試中沒(méi)有顯現(xiàn)的問(wèn)題有可能在這一步被篩出來(lái),也有助于減少后續(xù)系統(tǒng)測(cè)試甚至實(shí)車(chē)測(cè)試中遇到各種奇怪問(wèn)題的概率。

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Figure10 AS系統(tǒng)中鏈路與主節(jié)點(diǎn)均故障的corner case

文章內(nèi)容來(lái)源于:TSNLAB   文/劉倚昕