來源 | 汽車電子聯(lián)盟

在通信工程當中，冗余指出于系統(tǒng)安全和可靠性等方面的考慮，人為地對一些關鍵部件或功能進行重復的配置。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，比如某一設備發(fā)生損壞，冗余配置的部件可以作為備援，及時介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間。冗余尤用于應急處理。冗余可以存在于不同層面，如網(wǎng)絡冗余、服務器冗余、磁盤冗余、數(shù)據(jù)冗余等

汽車上，很可能有這樣一個問題，如果通信線路斷開了怎么辦？這里的異常斷開或許是傳統(tǒng)物理意義上的截斷，也或許受電磁干擾等導致線路通信功能的異常等。為了避免此現(xiàn)象，常見的解決方案就是增加冗余，即把數(shù)據(jù)傳輸2~N份以進行備份，這樣就不用擔心數(shù)據(jù)的丟失了。

解決此類問題的方式原理很容易理解，不過由于成本因素和協(xié)議原理等，想要實現(xiàn)卻比想象中的困難一些。目前行業(yè)中最常見的車載通信協(xié)議有CAN/LIN/FlexRay/Most/Ethernet等，但只有FlexRay總線和Ethernet總線可以做到冗余通信。

FlexRay總線是使用雙通道進行數(shù)據(jù)交換，當用雙通道發(fā)送一樣的信息，就是用通信速率的降低來得到冗余傳輸。不過由于FlexRay總線的速率有限，其單通道最大速率為10Mbps，當然,10Mbps對傳輸線控信號已經(jīng)足夠，但當用來傳輸雷達攝像頭等海量的數(shù)據(jù)處理來說，就完全不夠用了。而Ethernet總線可實現(xiàn)通信速率與冗余傳輸?shù)碾p向優(yōu)勢，但受限于現(xiàn)階段汽車電子化水平、芯片等的發(fā)展，該技術暫未得到大面積推。

IEEE 802.1 CB協(xié)議是車載以太網(wǎng)中實現(xiàn)冗余傳輸?shù)脑矶x，協(xié)議全稱Frame Replication and Elimination for Reliability，簡稱FRER。

FRER在實現(xiàn)冗余傳輸時，其作用的前提條件是網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的傳輸有冗余路徑—備選路徑，這就對網(wǎng)絡拓撲的形式提出了要求：網(wǎng)絡中必須能夠形成環(huán)路，以使Talker端的數(shù)據(jù)能沿不同路徑到達Listener端。以下兩圖可直觀理解FRER對網(wǎng)絡拓撲形式的需求。圖1域控制器架構中，各域節(jié)點通過以太網(wǎng)連接在一起，域內(nèi)各節(jié)點通過CAN/Ethernet等互聯(lián)，域節(jié)點之間未形成環(huán)形拓撲，因此，無法使用FRER進行冗余設計。

 

協(xié)議原理

FRER原理簡單：Talker端發(fā)送數(shù)據(jù)時，F(xiàn)RER功能將數(shù)據(jù)包復制，沿不同路徑傳輸；Listener端接收數(shù)據(jù)時，F(xiàn)RER功能刪除復制的數(shù)據(jù)包，只保留一個數(shù)據(jù)包。當然，不強制要求作為終端節(jié)點的Talker或Listener支持FRER功能，F(xiàn)RER功能可通過網(wǎng)橋來實現(xiàn)，此時，網(wǎng)橋稱為Talker的代理或Listener的代理。

要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)流沿不同路徑（甚至是所有可能路徑）的傳輸，需要由多個節(jié)點配合實現(xiàn)，各節(jié)點需具備不同的FRER功能，以共同實現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余傳輸。

 

實現(xiàn)方式

一般來講，F(xiàn)RER功能組件的布置很靈活。在靜態(tài)配置好的數(shù)據(jù)傳輸路徑上，節(jié)點或交換機根據(jù)其自身所在位置，選用合適的FRER功能組件，各節(jié)點配合實現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的冗余傳輸。各節(jié)點選用的FRER組件，一般遵循以下原則：

（1）Talker端（或Talker的FRER代理端）需支持流識別功能、序號生成功能、序號編碼功能、流分離功能（可由流識別功能實現(xiàn)）

（2）Listener端（或Listener的FRER代理端）需支持流識別功能、序號恢復功能及潛在錯誤檢測功能、序號解碼功能

（3）如果路徑上某交換機是2~N條路徑的交匯節(jié)點，該節(jié)點需支持流識別功能、序號恢復功能及潛在錯誤檢測功能、序號編碼/解碼功能

（4）如果路徑上某交換機處分離出2~N條路徑，該節(jié)點需支持流識別功能、序號編碼/解碼功能、流分離功能（可由流識別功能實現(xiàn)）

（5）任何具備FRER功能組件的節(jié)點，均需支持流識別功能

總結

IEEE 802.1 CB協(xié)議是TSN協(xié)議族的一個子協(xié)議，其用于實現(xiàn)車載Ethernet網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的冗余傳輸，適用于對數(shù)據(jù)傳輸有高可靠性傳輸需求的應用。隨著智能駕駛汽車的發(fā)展，越來越多的傳感器數(shù)據(jù)直接被用于車控，這類數(shù)據(jù)流與功能安全強相關，需考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枨蟆Ｊ褂靡蕴W(wǎng)傳輸傳感器數(shù)據(jù)流，配合TSN協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枨蟆⑼ㄐ臦oS及安全等，能較好地滿足智能駕駛汽車對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/span>

TSN由一組協(xié)議組成，網(wǎng)絡設計者可根據(jù)需求選取不同的協(xié)議，以實現(xiàn)不同的需求。TSN各協(xié)議按其功能，可分為以下幾類：傳輸協(xié)議、時鐘同步協(xié)議、QoS服務質(zhì)量協(xié)議、冗余及安全協(xié)議、資源管理協(xié)議等。IEEE 802.1 CB協(xié)議是冗余協(xié)議，與其它協(xié)議關聯(lián)性不強，可單獨使用或配合其它協(xié)議使用，是車載以太網(wǎng)通信中需重點關注的一個協(xié)議。

TSN協(xié)議目前在車內(nèi)的應用暫處于預研階段，但隨著智能駕駛的發(fā)展、域控制器及中央計算單元架構的演化及車規(guī)級芯片的量產(chǎn)，其必將在車載網(wǎng)絡中發(fā)揮越來越重要的作用。