TSN-utvidelser gir sanntids Ethernet i biler

Dette skiftet har store implikasjoner for nettverksteknikkene OEMer bruker for å koordinere de mange forskjellige funksjonene som krever programvarestyring.

Overgang til sonearkitekturer

Produsenter implementerer mer avanserte mikroprosessorer til funksjoner med kunstig intelligens (AI) som forbedrer sikkerheten og kjøreytelsen, og avansert styring for å forbedre energieffektiviteten. Disse endringene fører til en overgang bort fra konvensjonelle design der en elektronisk styringsenhet er dedikert til hver diskrete funksjon. Kjøretøyprodusenter går over til sonearkitekturer for å dra nytte av den høye ytelsen til flerkjerne systembrikker (SoC). I disse arkitekturene er kjøretøyet delt inn i flere soner som er identifisert etter plassering i stedet for funksjon. Applikasjoner, alt fra kjørekontroll til infotainmenttjenester, vil bli distribuert til prosessorer i hver av disse sonene.

Håndterer sanntid

For å sikre påliteligheten og sikkerheten til data som beveger seg rundt i kjøretøyet, formidles all kommunikasjon av sonevise gatewayer. Disse gatewayene bidrar til å sikre at lavprioriterte pakker, for eksempel e-postvedlegg levert til passasjerer, ikke forårsaker at vitale sanntidsdata som trengs for bremsing eller kjørefeltkontroll blir forsinket. Av denne grunn har bilnettverk implementert i sonearkitekturer gått over til former av Ethernet-standarden som håndterer sanntidsatferd.

Viktige endringer

Toshibas egne tester har vist hvor viktige endringene som er gjort med TSN-forbedringene (Time-Sensitive Networking) er for bilsystemer, sammenlignet med den beste utformingen av tradisjonelt Ethernet. For å demonstrere et realistisk testmiljø bygde Toshiba-ingeniører et nettverk som emulerte oppførselen til en lagringsnode koblet via Ethernet til WiFi-kontrollere som ble brukt til å implementere basis for en trådløs hotspot i kjøretøyet. Kode implementert på verts-SoCene ble designet for å etterligne de typiske applikasjonene i bilindustrien: En sonegateway; lyd-videostrømming; støtte for trådløst hotspot; og masselagringsoverføringer. Testene viste hvordan video sendt ved hjelp av AVB-protokollen, som drar fordel av TSN-funksjoner, forblir synkronisert og jevn mens trafikk som videresendes ved hjelp av best-effort-protokoller opplever lengre forsinkelser ettersom konflikten på nettverket øker.

Muliggjør sanntidsarkitekturer

Med hensikt å forbedre sanntidsadferden til nettverket, omfatter TSN-utvidelsene til Ethernet en rekke alternativer som forbedrer tjenestekvaliteten (QoS) og gjør ulike sanntidsarkitekturer mulig. Kjernen i TSN ligger i IEEE 802.1AS, også kjent som Generalized Precision Time Protocol (gPTP).

Felles lokal tid

Ved å tilby en mekanisme som sikrer at alle nodene på et Ethernet-nettverk kan bli enige om en felles tid, innenfor en viss grad av feil, gir gPTP grunnlaget for en rekke protokoller som håndhever rettidig levering av pakker. I stedet for å kreve bruk av høypresisjonsklokker i hver kommuniserende node, lar gPTP endepunktenheter ganske enkelt bli enige om en felles lokal tid, og å gjøre dette med presisjon på under ett mikrosekund.

Konsistent

Protokollen tar for seg problemene som kontrollere i bilmiljøet møter, der forskjeller i spenning, temperatur og andre forhold kan føre til at klokkene drifter fra hverandre. Ved å opprettholde enighet mellom noder, sikrer gPTP at alle kontrollere på nettverket kan bli enige om en konsistent tidslinje.

Tidsbevisst trafikkforming

Med en felles tidslinje kan nettverkskontrollere støtte tidsbevisst trafikkforming og pakkeplanlegging. Ideen bak trafikkforming er å forhindre at pakker med ventetid-begrensninger blir påvirket av pakker som kan leveres på «best mulig» måte. Nodene avtaler og håndhever tidsgrenser for levering av pakker med en kjent ende-til-ende-overføringsforsinkelse. Tidssensitive pakker - som sitter i de dedikerte utgangsbufferne til en sendernode - blir overført i løpet av den reserverte tidsluken og drar derfor fordel av sterkere leveringstidsgarantier.

Tidsskjema

IEEE 802.1Qbv håndhever strenge tidsskjema for tidssensitiv trafikk. Planleggeren som brukes av IEEE 802.1Qbv tildeler periodiske sykluser for å imøtekomme tidsenheter med fast lengde, som hver er allokert til et prioritetsnivå. En applikasjon som opererer med tilsvarende prioritet gis eksklusiv bruk av nettverket i løpet av den tidsperioden. Best-effort trafikk stiller seg i kø for tilgang til perioder der ingen pakke med høyere prioritet blir overført. I prinsippet reduserer bruk av IEEE 802.1Qbv variansen i baneforsinkelse for trafikk som trenger leveringsgarantier.

Kan «kapre» pakker

Ytterligere forbedringer av sanntidsatferd kommer med utvidelsene IEEE 802.1Qbu og IEEE 802.3br, som implementerer muligheten for en node til å avbryte sendingen av en lang pakke med lav prioritet og sette inn en eller flere tidskritiske pakker på deres plass, før de gjenopptar overføringen av de originale dataene. Protokollene er forskjellige i måten de retter seg mot forskjellige lag av Ethernet-stakken. Mens IEEE 803.2br er en standard for fysiske lag, opererer 802.1Qbu ved medietilgangskontroll- (MAC) laget, og brukes til å administrere ramme-forkjørsrett i henhold til nettverks- og trafikkprioritetspolicyer.

Pakkekreditt

Systemdesignere trenger ikke å dele opp all trafikk i best-mulig og streng planlegging. Den kredittbaserte trafikkformeren som ble introdusert med IEEE 802.1Qav-standarden kan brukes til å sende pakker som trenger bedre håndtering av tidssensitive data, men hvor det ikke kreves harde timing-garantier. Noder kan bruke dette kredittbaserte systemet, for eksempel til å levere videorammer der ende-til-ende-latens ikke er kritisk, og derfor har lavere prioritet enn de virksomhetskritiske sensordataene som bruker IEEE 802.1Qbv prioritetsbaserte tidssnitt.

Enheter uten TSN

Problemet som bilprodusenter står overfor når de oppretter nettverk for sonearkitekturene i de nyeste kjøretøyene, er at selv om SoCer kan støtte standard Ethernet, har de ikke de ekstra egenskapene til TSN. Videre, selv om det er viktig at sonevise gatewayer støtter TSN, vil mange andre endepunkter også ha strenge sanntidskrav som ikke kan støttes ved å koble til en gateway gjennom et ikke-TSN-grensesnitt. For eksempel kan lydenheter som mikrofonkontrollere og sensorhuber ha konvensjonell Ethernet-støtte, men må kunne forhandle om kredittbaserte eller tidskritiske tidsluker på nettverket.

Dedikerte komponenter

TSN-funksjoner kan leveres gjennom bruk av dedikerte sanntids Ethernet-grensesnitt som Toshibas TC9562 og TC9563. Begge er høyt integrerte Ethernet-kontrollere med full støtte for gPTP, IEEE 802.1Qav, IEEE 802.1Qbv og andre elementer som trengs for pålitelig sanntidskommunikasjon der høy båndbredde er et nøkkelkrav. TC9562 gir støtte for 1 Gbps Ethernet, og gjør den egnet til endepunkter som trenger høy båndbredde. TC9563 utvider nettverkskapasiteten til to porter, begge i stand til å støtte 10 Gbps.

Nettverksovervåking

I tillegg til de to Ethernet-grensesnittene, har TC9563 en Arm Cortex-M3-prosessor, som gir muligheten til å kjøre overvåkings- og kontrollprogramvare. Dette kan brukes til å overvåke feil og forhold på nettverket for å bidra til å forbedre den generelle påliteligheten. For å støtte lokalt tilkoblede klynger av avanserte sensorer og datamoduler, implementerer TC9562 et PCIe Gen 2.0-grensesnitt, og TC9563 har en PCIe-svitsj med støtte for én oppstrøms og to nedstrøms Gen 3.0-porter.

Sikrer TSN-støtte

Tjenester som trenger kraften til høyytelses SoCer for å levere AI-forbedret styring og overlegen multimedia er bare mulige hvis applikasjonene kan stole på at pakker leveres innenfor programmerte tidsvinduer. TSN-forbedringene til Ethernet danner grunnlaget for denne oppførselen. Implementeringen av disse i komponenter som Toshibas TC9562 og TC9563 sikrer at OEMer og systemintegratorer har tilgang til TSN-støtten de trenger for å implementere disse avanserte kjøretøydesignene.