TSN协议之冗余协议

来源 | 汽车电子联盟

在通信工程当中，冗余指出于系统安全和可靠性等方面的考虑，人为地对一些关键部件或功能进行重复的配置。当系统发生故障时，比如某一设备发生损坏，冗余配置的部件可以作为备援，及时介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。冗余尤用于应急处理。冗余可以存在于不同层面，如网络冗余、服务器冗余、磁盘冗余、数据冗余等

汽车上，很可能有这样一个问题，如果通信线路断开了怎么办？这里的异常断开或许是传统物理意义上的截断，也或许受电磁干扰等导致线路通信功能的异常等。为了避免此现象，常见的解决方案就是增加冗余，即把数据传输2~N份以进行备份，这样就不用担心数据的丢失了。

解决此类问题的方式原理很容易理解，不过由于成本因素和协议原理等，想要实现却比想象中的困难一些。目前行业中最常见的车载通信协议有CAN/LIN/FlexRay/Most/Ethernet等，但只有FlexRay总线和Ethernet总线可以做到冗余通信。

FlexRay总线是使用双通道进行数据交换，当用双通道发送一样的信息，就是用通信速率的降低来得到冗余传输。不过由于FlexRay总线的速率有限，其单通道最大速率为10Mbps，当然,10Mbps对传输线控信号已经足够，但当用来传输雷达摄像头等海量的数据处理来说，就完全不够用了。而Ethernet总线可实现通信速率与冗余传输的双向优势，但受限于现阶段汽车电子化水平、芯片等的发展，该技术暂未得到大面积推。

IEEE 802.1 CB协议是车载以太网中实现冗余传输的原理定义，协议全称Frame Replication and Elimination for Reliability，简称FRER。

FRER在实现冗余传输时，其作用的前提条件是网络中数据的传输有冗余路径—备选路径，这就对网络拓扑的形式提出了要求：网络中必须能够形成环路，以使Talker端的数据能沿不同路径到达Listener端。以下两图可直观理解FRER对网络拓扑形式的需求。图1域控制器架构中，各域节点通过以太网连接在一起，域内各节点通过CAN/Ethernet等互联，域节点之间未形成环形拓扑，因此，无法使用FRER进行冗余设计。

 

协议原理

FRER原理简单：Talker端发送数据时，FRER功能将数据包复制，沿不同路径传输；Listener端接收数据时，FRER功能删除复制的数据包，只保留一个数据包。当然，不强制要求作为终端节点的Talker或Listener支持FRER功能，FRER功能可通过网桥来实现，此时，网桥称为Talker的代理或Listener的代理。

要想实现数据流沿不同路径（甚至是所有可能路径）的传输，需要由多个节点配合实现，各节点需具备不同的FRER功能，以共同实现数据的冗余传输。

 

实现方式

一般来讲，FRER功能组件的布置很灵活。在静态配置好的数据传输路径上，节点或交换机根据其自身所在位置，选用合适的FRER功能组件，各节点配合实现系统中数据流的冗余传输。各节点选用的FRER组件，一般遵循以下原则：

（1）Talker端（或Talker的FRER代理端）需支持流识别功能、序号生成功能、序号编码功能、流分离功能（可由流识别功能实现）

（2）Listener端（或Listener的FRER代理端）需支持流识别功能、序号恢复功能及潜在错误检测功能、序号解码功能

（3）如果路径上某交换机是2~N条路径的交汇节点，该节点需支持流识别功能、序号恢复功能及潜在错误检测功能、序号编码/解码功能

（4）如果路径上某交换机处分离出2~N条路径，该节点需支持流识别功能、序号编码/解码功能、流分离功能（可由流识别功能实现）

（5）任何具备FRER功能组件的节点，均需支持流识别功能

总结

IEEE 802.1 CB协议是TSN协议族的一个子协议，其用于实现车载Ethernet网络中数据的冗余传输，适用于对数据传输有高可靠性传输需求的应用。随着智能驾驶汽车的发展，越来越多的传感器数据直接被用于车控，这类数据流与功能安全强相关，需考虑数据传输的可靠性需求。使用以太网传输传感器数据流，配合TSN协议实现数据传输的可靠性需求、通信QoS及安全等，能较好地满足智能驾驶汽车对数据传输的需求。

TSN由一组协议组成，网络设计者可根据需求选取不同的协议，以实现不同的需求。TSN各协议按其功能，可分为以下几类：传输协议、时钟同步协议、QoS服务质量协议、冗余及安全协议、资源管理协议等。IEEE 802.1 CB协议是冗余协议，与其它协议关联性不强，可单独使用或配合其它协议使用，是车载以太网通信中需重点关注的一个协议。

TSN协议目前在车内的应用暂处于预研阶段，但随着智能驾驶的发展、域控制器及中央计算单元架构的演化及车规级芯片的量产，其必将在车载网络中发挥越来越重要的作用。