在接下來的幾年里，向自動駕駛（自動駕駛）車輛的過渡將深刻地改變社會。它將重塑我們的物理環(huán)境，讓世界恢復數(shù)百萬小時的空閑時間并拯救生命。

與人工駕駛車輛相比，自動駕駛車輛的安全性、可靠性和性能標準更高。盡管當今的車輛包含大量處理器、傳感器和其他半導體組件，但對高帶寬切換的需求以及更嚴格的可靠性和同步要求的引入正在推動對車載網(wǎng)絡 (IVN) 的全面重新設計。為了全面滿足這些新要求，現(xiàn)代自動駕駛 IVN 架構正在過渡到 IEEE 時間敏感網(wǎng)絡 (TSN) 標準集。這篇博客文章探討了 TSN 以太網(wǎng)，特別是 IEEE 802.1CB 幀復制和消除 (FRER)，如何提高 IVN 冗余和可靠性。

自動駕駛的誕生

盡管自動駕駛實驗可以追溯到 1920 年代，但 DARPA 的“大挑戰(zhàn)”競賽在新千年的第一個十年舉行，并為任何能夠創(chuàng)造出自動駕駛汽車的機器人工程師團隊提供 100 萬美元的獎金。完成專門設計的課程，標志著現(xiàn)代自動駕駛時代的開始。盡管沒有車輛在 2004 年完成莫哈韋沙漠 150 英里的路線，但在隨后的比賽中引入激光雷達技術提供了成功的關鍵，多個團隊在極短的時間內完成了該路線。自動駕駛能力的快速發(fā)展讓業(yè)界有信心推出自動駕駛汽車的大眾市場應用。

汽車IVN架構

在自動駕駛汽車中，構建“感知”網(wǎng)絡以用各種傳感器（相機、激光雷達、雷達、超聲波等，由圖 1 中的藍色和綠色元素表示）代替人類駕駛員，并與計算綜合體互連（由圖 1 中的紅色元素表示）。

圖 1 - 自動駕駛感知網(wǎng)絡

Compute Complex 接收所有相關的傳感器數(shù)據(jù)，然后將其融合在一起以決定車輛應該做什么，即轉彎、制動、加速、滑行、信號。然后通過執(zhí)行網(wǎng)絡發(fā)送決策，該網(wǎng)絡通過現(xiàn)有的汽車總線網(wǎng)絡連接到車輛的各種動力傳動系統(tǒng)電子控制單元 (ECU)。

自動駕駛趨勢

自動駕駛IVN設計的主要架構趨勢是：

• 從基于域的架構到基于區(qū)域的架構的轉變推動了對高速 IVN 骨干網(wǎng)的需求，以互連區(qū)域以太網(wǎng)交換機和計算綜合體。
• 越來越多的連接傳感器、端點、相機和計算元件極大地增加了 IVN 帶寬。
• 采用 4K 和 8K 以太網(wǎng)攝像機轉移到以太網(wǎng)進一步加速了 IVN 帶寬的增長。
• 越來越多的傳感器數(shù)據(jù)以原始形式在網(wǎng)絡中傳輸，而不是以重新處理的格式，這也增加了 IVN 帶寬。

汽車IVN的演變

有幾種汽車總線技術已被廣泛使用，包括 LIN、Can CAN-FD、FlexRay 和 MOST，但這些技術陳舊、專有、帶寬低且缺乏許多所需功能。

一套基于以太網(wǎng)的強大 IEEE 標準已成為現(xiàn)代自動駕駛感知網(wǎng)絡的主要網(wǎng)絡技術。根據(jù) Kirsten Matheus 博士在 2019 年汽車以太網(wǎng)大會上的講話，該平臺提供了一套完整的解決方案：

• 可擴展的數(shù)據(jù)速率，從 10Mb/s –100Gb/s
• 拓撲靈活性
• 廣播、多播和點對點流量的共存
• 明確尋址
• 支持多種 QoS 方法
• 強大的安全性
• 基于服務的通信
• 統(tǒng)一網(wǎng)絡（即無網(wǎng)關通信）

時間敏感網(wǎng)絡：現(xiàn)代 IVN 的基礎

在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，有多種網(wǎng)絡冗余解決方案，包括生成樹 (IEEE 802.1D)、快速生成樹 (IEEE 802.1w) 和以太網(wǎng)環(huán)保護交換 (ITU G.8032)。然而，這些解決方案受到相當長的故障轉移時間的限制，其范圍從 50 毫秒到幾秒不等。在車輛應用中，這種性能水平是不可接受的。例如，以 60 mph 的速度行駛的汽車每秒行駛 88 英尺，反應延遲為 50 毫秒，對應于 4.4 英尺的行駛距離。這可能是生與死的區(qū)別。

自動駕駛是一項關鍵功能，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡冗余解決方案不足以滿足安全要求。IEEE 時間敏感網(wǎng)絡 (TSN) 標準正在解決這個問題，該標準為通過確定性以太網(wǎng)網(wǎng)絡對時間敏感的數(shù)據(jù)傳輸提供了一組機制。這些標準包括：

• IEEE 802.1Qav - 時間敏感流的轉發(fā)和排隊增強
• IEEE 802.1Qat - 流預留協(xié)議
• IEEE 802.1Qcc - SRP 的增強
• IEEE 802.1Qch - 循環(huán)排隊和轉發(fā)
• IEEE 802.1Qci - 每流過濾和監(jiān)管
• IEEE 802.1Qbv - 時間感知調度 (TAS)
• IEEE 802.1Qbu - 幀搶占
• IEEE 802.1Qcr - 異步流量整形
• IEEE 802.1Qca - 路徑控制和預留
• IEEE 802.1CB - 幀復制和消除可靠性
• IEEE 802.1CB – 幀復制和消除以提高可靠性

對自動駕駛平臺特別重要的是幀復制和消除機制，通常稱為無縫冗余 (SR)。該功能可確保在網(wǎng)絡出現(xiàn)單一故障時零丟包，例如節(jié)點故障、鏈路故障、鏈路錯誤或因網(wǎng)絡擁塞而丟包。基本操作概念如下：

• 每個數(shù)據(jù)包都被復制并在兩條不相交的路徑上向目標節(jié)點傳輸；
• 重復的數(shù)據(jù)包具有相同的序列號（SN），編碼在數(shù)據(jù)包頭中的 SR-Tag 中；
• 在目標節(jié)點，目標節(jié)點接收到的第一個重復數(shù)據(jù)包（由 SN 標識）被接受，并且在接收時丟棄重復數(shù)據(jù)包。

圖 2 - IEEE 802.1CB 零故障轉移時間網(wǎng)絡冗余

如圖 2 所示，通過幀復制和消除，目標節(jié)點不會意識到路徑故障，也不會對服務造成影響，無論是丟失數(shù)據(jù)包的形式，還是由于網(wǎng)絡故障轉移導致的瞬時數(shù)據(jù)包流中斷。

超越一步

正如引言中所討論的，自動駕駛汽車的標準將高于人類駕駛員。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)冗余技術，原本開發(fā)的企業(yè)組網(wǎng)環(huán)境，無法使用；單調駕駛的可靠性要求要求零故障轉移時間解決方案對于車輛的安全運行是必不可少的。支持 IEEE 802.1CB 的 IVN 現(xiàn)在已成為賭注，以確保自動駕駛能夠實現(xiàn)更安全、更高效的交通任務。

Broadcom 將自動駕駛視為以深刻而積極的方式塑造 21 世紀生活的機會，并致力于提供支持技術的關鍵部分。2016 年，Broadcom 推出了世界上第一個 TSN 以太網(wǎng)交換機 Quartz，該交換機現(xiàn)已被設計到全球許多關鍵的汽車自動駕駛設計中。憑借在硬件中實現(xiàn)的關鍵 IEEE 802.1CB 功能，Quartz 可以以高達 25Gb/s 的線路速率運行，從而將 TSN 性能擴展到遠遠超過基于軟件或 FPGA 的解決方案。2020 年，Broadcom 進一步擴展了其 TSN 創(chuàng)新，推出了 Quartz 系列的下一個成員——Quartz2。這款新設備增加了對 100 Gb/s 的支持，包括一個集中的線速 MACsec 加密/解密引擎，并顯著降低了功耗。這些新的創(chuàng)新解決了汽車自動駕駛市場的關鍵要求。下表總結了 Quartz 和 Quartz2 的特性集：

表：Broadcom 用于汽車應用的 TSN 以太網(wǎng)交換機匯總

審核編輯：符乾江