拥有SOA，POSIX，TSN三大技术的未来--车载以太网：趋势与挑战

以太网驱动着未来汽车的主要创新。之所以这么说，有两个主要原因，一是以太网拥有极高的可用带宽、极广的功能范围，二是该网络技术具有极强的灵活性。基于这些前提，现在是一个很好的时机来仔细研究三种与之有关的技术趋势：一、面向服务的架构（SOA）和车载以太网网络的搭建;二、车载以太网在基于POSIX操作系统上的ECU中的应用;三、基于时间敏感网络的可信通信（TSN）。

汽车领域不断丰富的需求鼓励着技术创新和进步，比如，创建时间敏感数据传输体系（时间敏感网络的搭建）。与此同时，以太网使得将面向服务的架构引入到汽车电子电气系统中这个工作变得容易很多。在IT行业中，基于服务的网络架构已经在分布式系统中被使用多年。现在，面向服务的设计在汽车行业中也变得十分重要起来。随着车载以太网的使用逐渐增多，汽车技术产生了许多相互影响的改变。

Figure 1: Service-oriented architecture and service distribution

面向服务架构（SOA）和车载以太网的建模

SOA创建了一个以明确定义的接口为表征的服务环境（Figure1）。理想情况下，这些接口应该在语法和语义上都被正确描述。此外，在SOA中，软件组件通过称为“服务总线”的中间件连接。此中间件在参与服务的两个角色——服务提供者和服务使用者之间进行调解。SOA提供了系统中服务角色之间的松散耦合。因此，它比单片软件架构更灵活。另外两个好处是更高的可重用性和对新服务组件更好的集成性。中间件调节了服务提供者和服务使用者之间的通信，当然也包括对该通信的建立，它通常还定义了以太网报文中数据的序列。此序列器决定了在发送端如何将数据序列化为串行比特流，然后在接收端如何反序列化。

现如今，接口有各种描述语言（IDL）。这些IDL通常是由独立于技术的组件来对服务进行描述，但是也可以包含特定的协议特性。独立于技术的属性包括可用的方法，字段和事件，包括可使用的数据类型。而中间件特定的启动行为则可以被视为依赖于技术的特性。这些特性包括服务发现（SD）以及数据序列化和协议特定标识符（ID）。接口描述语言一般是用分层结构的文本文件来表述的，特别适用于各个独立接口的正式描述和自动代码生成。但是，文本文件并不特别适合设计完整的SOA。因此，基于模型的设计工具变得更为流行。建模的一个优点是数据能够集中管理，因此大大减少了维护工作量。基于模型的设计还可确保数据在设计时格式是正确的。明确的定义也使得为服务建立架构体系成为可能。此外，较大的系统通常使用分层结构，使服务的依赖性更易理解、同时也代表着一种清晰的设计规范。当服务相互依存时，就需要一个必要的设计，称为“服务编排”。在基于模型的设计轮廓中，部分数据通信可以基于服务的建模来导出。同时，相比基于接口描述语言的方法，基于模型的设计能够更好地管理高复杂性服务。

SOA的使用允许在运行时动态建立通信关系。然而，在已经使用SOA的当前汽车系统中，由于有限的资源，服务通信通常仍然是被设计成静态的。归功于使用了中间件，服务提供者和服务使用者之间的连接是在运行时建立的 - 而不是像过去那样在系统设计时建立。在未来，我们可以假设全动态服务通信将占主导地位，尤其是在有高性能硬件的系统中。特别是信息娱乐和驾驶辅助系统正在推动这一趋势。用于在线地图服务或OTA更新的外部通信也支持这一趋势。与基于信号的通信相比，基于服务的通信在网络层需要更多的协议信息。由于需要较大带宽，以太网因此是基于服务通信中的主要网络技术。

基于POSIX的ECU中的车载以太网

上文中描述的面向服务的电子电气架构和车载以太网网络的建模已经与许多不同性能等级的ECU有关系了，包括了从智能传感器（如摄像头，雷达和激光雷达系统）一直延伸到实现传感器融合的高性能中央处理器和更高级别辅助驾驶的应用。中低性能级别的ECU通常基于传统的AUTOSAR软件架构。然而，高性能ECU就需要其他类型的操作系统了。一方面，需要能够支持一些相应的硬件加速器，例如图形处理单元。另一方面，需要在应用处理和数据更新方面具有更大的灵活性。这就是为什么该领域主要使用基于POSIX的操作系统。汽车领域最著名的软件解决方案包含了：1. Linux，为了进一步处理Linux环境下与功能安全相关的应用程序，需要Sysgo公司的PikeOS作为管理层；2. Green Hills公司的Integrity OS；3. QNX。但是，这些操作系统本身并不提供车载以太网的任何支持。为了满足汽车行业的需求，许多基于以太网和TCP/IP的特定协议被定义供车载应用使用。这些协议包括可扩展的面向服务的IP中间件（SOME/IP），用于车辆诊断的IP诊断通信（DoIP），基于UDP协议的网络管理（UDPNM），测量和标定协议（ XCP），以及IEEE 802.1AS中规定的时间同步协议。与AUTOSARClassic不同，POSIX标准系统本身对这些协议并没有支持，但是它们却可以支持集成这些协议功能。

Figure 2: Use of AUTOSAR Classic modules in ECUs with POSIX operating system

一种方式是在POSIX进程中执行经过验证的AUTOSAR Classic模块（Figure2）。在AUTOSAR Classic中，SOME/IP-SD，DoIP，UDPNM，XCP以及传统的基于信号和基于PDU的通信（PDU：协议数据单元）不直接访问AUTOSAR TCP/IP套接字，因为它们由接口适配器模块封装。但是，如果接口适配器使用Berkeley接口（BSD）而不是AUTOSAR接口，那么此模块以及上述汽车专用协议便可以在POSIX进程中执行。

如果我们更进一步模拟AUTOSAR操作系统，那么甚至可以在进程中使用实时运行环境（RTE）和其关联的SOME/IP转换器。第2层协议，诸如上述时间同步和根据IEEE1722的音频/视频传输协议（AVTP）等必须单独考虑。因为这些通信不是基于TCP/IP的，用于此种通信的BSD必须以特殊模式打开，以允许访问整个以太网帧。改进的以太网驱动和相应的AUTOSAR Classic模块可以在POSIX进程中实现和使用汽车专用的第2层协议。

第二种方式是使用AUTOSAR Adaptive。这是一个为POSIX操作系统进行了标准化规范的实时运行环境，将会用于许多新兴的汽车应用。AUTOSARAdaptive为完全动态的POSIX应用程序提供汽车专用扩展。在以太网通信领域，目前这些扩展包括了SOME/IP和DoIP，AUTOSAR组织正在开展工作以进一步支持其他协议。跟第一种方式类似，POSIX操作系统的BSD接口在AUTOSAR Adaptive中使用基于TCP/IP的通信，所以将基于TCP/IP的通信集成到AUTOSAR Adaptive中的工作是比较简单的。而在时间敏感网络（TSN）环境中支持第2层协议就没那么容易了，AUTOSAR Adaptive可能需要做OS的调整，因为通过标准POSIX接口无法获得所需的一些附加信息。

上述哪种方式最适合ECU项目取决于各种因素。比如，如果需要使用现有的AUTOSAR应用软件组件（SWC）或诊断实现，那么方式一是比较好的解决方案。但是，如果需要POSIX应用程序具有完全灵活性，则建议使用AUTOSAR Adaptive。

基于时间敏感网络（TSN）的可信通信

在车辆中，实时功能对于某些应用至关重要（Figure3）。 为确保这些实时功能可用，必须在以太网控制器中设置具有直接访问硬件资源的机制。TSN使构建可扩展的以太网网络成为可能。为此，不同的消息按照其可用性分为了不同的等级，并对其延迟和优先级进行了分类，每个消息类被分配到一个固定的带宽。此外，TSN还支持冗余以太网系统，并且，为确保稳定的数据交换，定义了安全标准。

Figure 3: TSN is extending Automotive Ethernet for time-critical data in the areas of scalability,reliability and timing guarantees

IEEE音频/视频桥接工作组定义了相关机制和协议，以确保低延迟数据正常交换、并在时间上同步应用。音频/视频桥接（AVB）主要应用在娱乐系统。如今驾驶员辅助系统的广泛引入，要求在发送和接收行为方面有更严格的规范。因此，IEEE时间敏感网络工作组延续了音频/视频桥接工作组的工作，该工作组的重点是研究确定性数据传输机制，进一步减少以太网网络中的延迟，更加稳定和安全地传输数据（Figure3）。

使用IEEE 802.1AS（“时间敏感应用的定时和同步”）中描述的gPTP进行时间同步，对于确保基于时间数据分析的以太网网络的稳定性至关重要。在此过程中，Grand-Master节点会将全局时间发送给所有时间敏感ECU。此外，也会测量以太网帧的平均传输时间，并将此时间值带入到计算同步时间的过程中。通过这种方式，所有时间敏感ECU可以同步到不超过1微秒的误差。

然后，发件人和收件人将此同步时间分配给各个数据包。数据包将被使用特定的发送过程（Shaper）分发到Endpoint。在此过程中，从音频/视频桥接中获知的可信shaper可确保数据在定义的时间（显示时间）内到达接收方。相比之下，TSN添加的时间感知Shaper可确保根据固定的预定义时间网格准确的发送数据。特别是每个交换机都必须确保做到这一点。在带宽中的特定部分，这会产生类似于FlexRay的时间驱动网络。与FlexRay相比，以太网的优势是这两个整形过程可以与网络中的常规通信并存。因为TSN还支持了相关特性使得高优先级以太网数据无需等待当前低优先级以太网数据包的完整发送，低优先级以太网数据包在下一个可能的时间点被抢占，让具有更高优先级的以太网数据包优先发送，发送完毕后再继续低优先级以太网数据包的发送。此方法可以进一步减少最大延迟，而且不会影响其他数据包的传输。

Figure 4: The TSN bridge only passes on data streams that are registered with it

数据流预留协议（Figure 4）用于监控带宽。在此协议中，TSN Bridge检查数据流，保证只有注册过的数据流可以通过。 同时，某种类型的数据流传输量必须在先前定义的范围内。如果预算已用完，则此时无法发送此数据流。

在与安全相关的系统中，还可以通过单独的网络路径来冗余传输数据包。此外，过滤器的控制机制确保只有真正被需求的消息类才被传输，并且只发生在所需频率上。两者都可以在发生错误时提高以太网通信的鲁棒性，无论这个错误是网络结构中断引起的还是多余的以太网通信造成的。

Figure 5: TSN mechanisms in an Automotive Etherment network

许多TSN机制是需要硬件支持的（Figure 5）。其中TSN规范IEEE 802.1Qbv定义的“预定通信增强功能”已得到各种硬件的支持，并且在该领域正发挥着主导作用。相比之下，IEEE802.1Qbu规范中定义的“帧抢占”还没有定论，因为如何在以太网上建立中断机制，还有待观察。在千兆以太网中，通过设置高优先级帧的方式来缩短传输时间的方法，其优化效果甚微。不过，对10/100兆位系统，这种方法可能会带来很好的效果。

展望

在未来的车辆平台中，IT相关的动态协议和方法在时间响应，可用性和鲁棒性方面，正在融合到传统的汽车需求之中。面向服务的通信以及与安全相关且确定的以太网通信正在合并成一个复杂的系统。一方面，在设计时，没有确定的规范来约束要在ECU上实现的功能以及该功能执行所需的运行环境。另一方面，网络架构必须保证能够实现满足应用需求的可靠通信。

Vector凭借其嵌入式软件解决方案，已经能够满足上述要求。此外，Vector的以太网设计和测试工具能够提供一套完整的，表征和测试这种动态的、面向服务的、时间敏感的通信关系的解决方案。不谦虚的说，由于Vector在各个方面的积极工作，市场也可以从这种可用的引领汽车行业未来趋势的解决方案中受益。

Bernd Jesse

Vector Informatik高级产品经理，负责管理Vector嵌入式软件及系统部门AVB/TSN解决方案，并负责编写和监理AUTOSAR规范中全局时间同步的相关内容。

Marc Weber

Vector Informatik高级产品经理，负责管理Vector嵌入式软件及系统部门以太网解决方案。

Markus Helmling

Vector Informatik高级产品经理，从2017年开始负责管理Vector嵌入式软件及系统部门以太网解决方案。此前，他还曾负责管理PREEvision中AUTOSAR通信设计产品。