作者 | 木槿

小編 |不吃豬頭肉

概述

1.1TSN與DDS的獨(dú)立優(yōu)勢(shì)與局限

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車和車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不斷迭代，車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性、確定性和高效數(shù)據(jù)分發(fā)的需求日益嚴(yán)苛。

TSN和DDS的結(jié)合為車載以太網(wǎng)提供了確定性實(shí)時(shí)通信（TSN）與靈活數(shù)據(jù)分發(fā)（DDS）的雙重優(yōu)勢(shì)，尤其適用于自動(dòng)駕駛、智能座艙等高要求場(chǎng)景。

圖1 DDS協(xié)議概述

其中，數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）是對(duì)象管理組織（OMG）制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，旨在為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用提供連接性、互操作性和可移植性。

優(yōu)勢(shì)

高效數(shù)據(jù)分發(fā)：基于發(fā)布-訂閱模型，支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和異構(gòu)系統(tǒng)互操作，適合車載多傳感器數(shù)據(jù)共享；

豐富的QoS策略：提供23種服務(wù)質(zhì)量策略（如延遲預(yù)算、可靠性），可靈活適配不同應(yīng)用場(chǎng)景；

平臺(tái)無關(guān)性：屏蔽底層OS和硬件差異，支持從MCU到域控制器的跨平臺(tái)部署。

劣勢(shì)

資源開銷大：完整DDS協(xié)議棧對(duì)MCU等資源受限設(shè)備負(fù)擔(dān)較重，需輕量化裁剪；

實(shí)時(shí)性依賴底層網(wǎng)絡(luò)：DDS的QoS策略（如延遲控制）需TSN等底層技術(shù)支持才能充分發(fā)揮。

圖2 TSN協(xié)議概述

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是由IEEE 802.1工作組下屬TSN任務(wù)組開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)集合，其目標(biāo)是通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)確定性、高可靠性的通信。憑借對(duì)不同服務(wù)質(zhì)量（QoS）級(jí)別的支持，單一TSN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可同時(shí)傳輸具有實(shí)時(shí)性要求的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與非關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

優(yōu)勢(shì)

確定性實(shí)時(shí)傳輸：基于IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)（如Qbv流量調(diào)度、gPTP時(shí)間同步），TSN可保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如剎車控制信號(hào)）的微秒級(jí)低延遲傳輸；

資源隔離與冗余：通過幀搶占（Qbu）和幀復(fù)制消除（802.1CB）機(jī)制，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞并提升容錯(cuò)性；

標(biāo)準(zhǔn)化硬件兼容：依托傳統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)，降低部署成本。

劣勢(shì)

配置復(fù)雜：需靜態(tài)規(guī)劃流量?jī)?yōu)先級(jí)和時(shí)間窗口，難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景（如突發(fā)V2X通信）；

僅解決底層問題：無法直接解決應(yīng)用層的實(shí)時(shí)性挑戰(zhàn)（如任務(wù)調(diào)度抖動(dòng)）。

圖3 TSN與DDS的獨(dú)立優(yōu)劣與協(xié)同效應(yīng)表現(xiàn)

上述兩種技術(shù)，不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)它們之間可以進(jìn)行結(jié)合互補(bǔ)，更進(jìn)一步產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)？

1.2.兩者結(jié)合：垂直整合實(shí)現(xiàn)全棧確定性

通過OMG DDS-TSN規(guī)范的推進(jìn)，兩者融合可產(chǎn)生以下協(xié)同效應(yīng)：

DDS在應(yīng)用層定義“需要什么樣的實(shí)時(shí)性”（What），TSN在網(wǎng)絡(luò)層解決“如何實(shí)現(xiàn)這種實(shí)時(shí)性”（How）。

圖4 DDS-TSN的結(jié)合實(shí)現(xiàn)

主要細(xì)分為以下幾部分

1. 分層協(xié)作：從應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)的確定性貫通

DDS作為網(wǎng)絡(luò)通信中間件，DDS通過發(fā)布-訂閱模型管理數(shù)據(jù)分發(fā)邏輯，并定義端到端的QoS策略（如截止時(shí)間、可靠性、優(yōu)先級(jí)），但依賴底層網(wǎng)絡(luò)滿足其實(shí)時(shí)性需求。

TSN作為底層（L2）技術(shù)，TSN通過時(shí)間同步、流量調(diào)度和幀搶占等機(jī)制，為以太網(wǎng)提供確定性傳輸能力，但不涉及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)語(yǔ)義與邏輯。

綜合來看，DDS的QoS需求（如低延遲、時(shí)序保障）需要TSN的網(wǎng)絡(luò)能力支撐，而TSN的確定性傳輸需要DDS的應(yīng)用層調(diào)度配合。兩者結(jié)合后，形成“應(yīng)用意圖→網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行”的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)真正的端到端確定性。

2. 時(shí)間同步的全局一致性

TSN通過IEEE 802.1AS實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)的微秒級(jí)時(shí)間同步，為DDS的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間（如時(shí)間戳一致性、事件順序性）提供基礎(chǔ)。例如：DDS內(nèi)置的TimeBasedFilter與TSN gPTP時(shí)鐘綁定，確保數(shù)據(jù)時(shí)效性判斷基于同一時(shí)間基準(zhǔn)。

3.開放標(biāo)準(zhǔn)與解耦架構(gòu)的兼容性

DDS不綁定特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TSN不限定上層應(yīng)用，兩者均為開放標(biāo)準(zhǔn)。

這種解耦設(shè)計(jì)允許

DDS通過TSN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)確定性傳輸，同時(shí)兼容非TSN網(wǎng)絡(luò)（如傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)）；

TSN可同時(shí)承載DDS以外的其他協(xié)議（如HTTP、DoIP），最大化基礎(chǔ)設(shè)施利用率。

DDS-TSN實(shí)現(xiàn)

DDS-TSN實(shí)現(xiàn)不只需要從理論層面來陳述，還需走過設(shè)計(jì)-驗(yàn)證的整個(gè)流程。接下來將從需求評(píng)估、方案設(shè)計(jì)，搭建原型，評(píng)估指標(biāo)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示幾個(gè)方面來說明下如何具體實(shí)現(xiàn)DDS-TSN設(shè)計(jì)。

2.1.需求評(píng)估

所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案都服務(wù)于功能場(chǎng)景需求，所以本階段的重要任務(wù)是需要將功能需求轉(zhuǎn)化為需要的usecase描述，并從中評(píng)估識(shí)別出關(guān)于數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)性、可靠性、架構(gòu)等需求，便于后續(xù)的TSN和DDS的方案設(shè)計(jì)。

收集整理車載網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用場(chǎng)景，分析應(yīng)用層通信需求和約束條件，以自動(dòng)駕駛舉例：

時(shí)間同步

傳輸時(shí)延約束

可靠性：盡力而為還是可靠重傳

鏈路冗余：數(shù)據(jù)是否需要鏈路冗余

……

圖5 自動(dòng)駕駛相關(guān)功能場(chǎng)景

2.2.方案設(shè)計(jì)

在兩者結(jié)合的方案設(shè)計(jì)中，有2種方式來進(jìn)行：

一個(gè)是在DDS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上拓展TSN

另一種則是在TSN設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上拓展DDS

本文的方案設(shè)計(jì)采取前一種方式。首先設(shè)計(jì)DDS系統(tǒng)，然后在TSN上部署，實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。

1.TSN Talker/Listener和DDS DataWriter/DataReader之間的映射

DDS采用強(qiáng)類型的數(shù)據(jù)中心發(fā)布-訂閱模型，其中DataWriter負(fù)責(zé)更新特定類型數(shù)據(jù)，匹配的DataReader則監(jiān)聽這些更新。

TSN同樣存在Talker（發(fā)送端）和Listener（接收端）概念，Talker可向多個(gè)Listener發(fā)送數(shù)據(jù)流。

如OMG DDS-TSN規(guī)范所定義，兩者映射的具體配置如下：

Talker定義為DataWriter（比如下圖中ECU1是作為stream1的Talker1，也是DDS的DataWriter1）

Listener定義為DataReader（比如下圖中ECU2是作為stream1的Listener1，也是DDS的DataReader1）

圖6 TSN Talker/Listener和DDS DataWriter/DataReader之間的映射示例

2.Topic和流量的映射

在DDS中Topic可以關(guān)聯(lián)多個(gè)發(fā)送端或接收端，會(huì)自動(dòng)映射出多條流。而TSN中則是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流傳輸，需要將二者聯(lián)系起來并唯一標(biāo)識(shí)其中每條數(shù)據(jù)流。具體配置如下：

每個(gè) TSNTalker 提供的TSN流量都應(yīng)進(jìn)行流標(biāo)識(shí)處理，這個(gè)是進(jìn)行映射的重要前提。

根據(jù)上一步需求評(píng)估的輸出來定義Topic，并映射到TSN流上。

例如，自動(dòng)駕駛中某些Topic分類：

通過上表中的Topic分類原則，可將3個(gè)Topic分別映射到對(duì)應(yīng)的流量上：Command-控制類、Info數(shù)據(jù)類、Cam圖像類，如下圖所示。

圖7 Topic和流量的映射

3.DDS QoS策略設(shè)計(jì)與TSN調(diào)度策略映射

DDS的QoS參數(shù)需與TSN的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略相映射，形成端到端確定性保障。具體配置有：

通過VLAN PCP映射實(shí)現(xiàn)跨層優(yōu)先級(jí)傳遞

冗余覆蓋單點(diǎn)故障場(chǎng)景，保障可靠性傳輸

基于TSN策略（優(yōu)先級(jí)/Qbv）保障確定性傳輸

CBS/ATS降低交換機(jī)的內(nèi)存使用

……

對(duì)于確定性傳輸，在DDS的QoS部署配置中，需要按需補(bǔ)充TSN策略中對(duì)應(yīng)的參數(shù)（整形算法、門開/關(guān)時(shí)間等）。

例如，OMG DDS-TSN規(guī)范7.2.3中定義的TrafficSpecification中，增加了transmission_selection傳輸選擇算法參數(shù)：

將TrafficSpecification定義在DataWriterQoS中，將DDS的QoS需求與TSN的調(diào)度關(guān)聯(lián)起來，保證其確定性傳輸。

其余映射可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

4.DDS-RTPS層的處理

RTPS是DDS的默認(rèn)底層通信協(xié)議，它定義了DDS實(shí)體（如Publisher/Subscriber）之間通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)的規(guī)則。DDSI-RTPS 對(duì)底層技術(shù)的要求很少，為在TSN網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)確定性傳輸，對(duì)RTPS協(xié)議有一些特殊的要求。比如：

消息模塊中傳輸?shù)淖酉㈩愋偷南拗?，?fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)可靠性的RTPS子消息（例如GAP、ACKNACK、NACKFRAG）是非必要的，限制其傳輸

發(fā)現(xiàn)模塊（SPDP/SEDP）默認(rèn)不區(qū)分TSN與非TSN應(yīng)用，可能引發(fā)不匹配的通信，需要進(jìn)行兩者之間的約束

……

具體的實(shí)現(xiàn)同樣依據(jù)實(shí)際需求。

5.協(xié)議映射

OMG提出兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)DDS和TSN的數(shù)據(jù)協(xié)議映射，提高協(xié)議棧運(yùn)行效率：

RTPS/UDP/IP/TSN：將 RTPS 消息映射到 UDP 消息，由 TSN 網(wǎng)絡(luò)傳輸 UDP 消息，能夠解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性問題

RTPS/TSN：將 RTPS 消息直接映射到以太網(wǎng)幀，由 TSN 網(wǎng)絡(luò)傳輸以太網(wǎng)幀，能夠解決操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) I/O 以及傳統(tǒng)以太網(wǎng)的不確定性問題

上述兩種方式在汽車領(lǐng)域中均有使用，本文方案設(shè)計(jì)采用后一種方式。

圖8 DDS-TSN的協(xié)議映射

2.3.搭建原型

DDS-TSN原型搭建分為：硬件配置和軟件配置兩部分。

硬件配置：采用支持TSN協(xié)議的交換機(jī)和開發(fā)板；

軟件配置：集成TSN和DDS協(xié)議棧的配置及參數(shù)定義，實(shí)現(xiàn)各個(gè)應(yīng)用組件的TSN和DDS模塊配置。

圖9 DDS-TSN原型示意圖

2.4.評(píng)估指標(biāo)設(shè)計(jì)

貫穿全文的是一個(gè)重點(diǎn)：DDS-TSN可實(shí)現(xiàn)確定性和可靠性端到端通信，故以可靠性和確定性時(shí)延兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)估。

1.可靠性驗(yàn)證

對(duì)于需要有可靠性保證的Topic，在部署上會(huì)存在2個(gè)通路來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)作為主運(yùn)行通路，另一個(gè)作為備份。當(dāng)主運(yùn)行通路出現(xiàn)故障時(shí)，可通過CB協(xié)議自動(dòng)切換至備份通路進(jìn)行傳輸，保證其可靠性。作為對(duì)比，另一個(gè)實(shí)驗(yàn)無冗余通路作為備份。然后對(duì)比驗(yàn)證，兩種情況下的數(shù)據(jù)是否能正常傳輸。

2.確定性時(shí)延驗(yàn)證

為了展示確定性傳輸?shù)奶匦裕枰褂肣bv協(xié)議對(duì)流進(jìn)行保護(hù)。作為對(duì)比，另一個(gè)實(shí)驗(yàn)無Qbv作為保護(hù)。然后對(duì)比驗(yàn)證，兩種情況下的數(shù)據(jù)是否能正常傳輸。

2.5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

針對(duì)上面2個(gè)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)，可以得到如下圖示結(jié)果：

圖10 DDS-TSN原型對(duì)比驗(yàn)證可靠性結(jié)果示意圖

在使用CB對(duì)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)流進(jìn)行備份后，其中一個(gè)通路斷開不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，而如果沒有CB的保護(hù)，數(shù)據(jù)流使用的通路斷開后將無法傳輸數(shù)據(jù)。

圖11 DDS-TSN原型對(duì)比驗(yàn)證確定性時(shí)延結(jié)果示意圖

對(duì)于沒有Qbv保護(hù)的數(shù)據(jù)流會(huì)受到背景流量的影響，造成時(shí)延增加，而在Qbv保護(hù)下，背景流量不會(huì)影響主題數(shù)據(jù)的傳輸，能夠確保主題數(shù)據(jù)傳輸在限定時(shí)間內(nèi)完成。

總結(jié)

通過上述實(shí)現(xiàn)的精細(xì)配置，DDS-TSN能夠?qū)④浖x的數(shù)據(jù)分發(fā)能力與硬件級(jí)的時(shí)間確定性深度結(jié)合，為實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供 “既快又準(zhǔn)”的通信基座。這一技術(shù)組合，正在成為自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)設(shè)施，重新定義實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能邊界。