恩智浦应用RTaW-Pegase软件设计汽车以太网架构冗余的应用案例

今天给大家介绍的是恩智浦应用RTaW-Pegase软件设计汽车以太网架构冗余的一个应用案例，下图所示的Zonal网络架构很方便可以做到冗余，尤其是在以太网主干结构（高亮部分），IEEE 802.1 CB是无缝冗余TSN标准，支持丢帧的零恢复时间。该演示为网络不同位置具备CB功能的各种拓扑结构的模型，能够量化这些差异，RTaW-Pegase呈现的数据有助于网络和安全团队开发高性价比的冗余方案。

1.冗余网络配置

1.1 4个具有CB交换机，不具有CB功能的Talker和Listener

优点：

① 可以使用现有的终端节点

② 主干网络的硬错误或软错误受到保护

硬错误指持续时间较长的错误，如棕色线所示

软错误指间歇性错误，如CRC错误帧

棕色线和蓝色线是数据包的冗余路径

③ S-B或S-Y的故障受到保护

缺点：

① 主干带宽是冗余流的两倍+：“+”是由于添加的6字节R-Tag和可能的4字节S-Tag

② 从Talker到Listener的连接不受保护

③ S-A，T-1，S-Z和L-1的故障不受保护

1.2 6个CB交换机，非CB Talker和Listener

优缺点与上一种方式相似，唯一的不同是主干增加了S-C和S-D，通过建模观察在受保护的主干结构上增加连接数的软错误影响。

1.3 非CB交换机，CB双宿主Talker和Listener

优点：

① 可用现有的交换机

② 整条路径上的硬错误和软错误受到保护：棕色线和蓝色线（虚线不表示数据流）

③ 任何单个交换机的故障受到保护

④ 蓝色（线或交换机）路径上所有故障都受到保护

⑤ 棕色路径上所有故障都受到保护

⑥ 主干带宽是冗余流的网络#1的一半，虚线不表示也不可用

缺点：

① 需要（具备双以太网端口的）双宿主终端节点

② 终端节点复制帧&消除复制

③ T-1和L-1的故障不受保护

1.4 非CB交换机，CB单宿主Talker和Listener

优点：

① 可以使用现有的交换机&终端节点新软件

② 主干线上的硬错误和软错误受到保护：交换机间的棕色线和蓝色线

③ 从Talker到Listener连接上的软错误受到保护：由于双传输，短期内受到保护

缺点：

端到端带宽是冗余流的两倍+：“+”是由于添加的6字节R-Tag和可能的4字节S-Tag

终端节点复制帧&消除复制

S-A，T-1，S-Z和L-1的故障不受保护

1.5 混合类型交换机，混合类型的Talker和Listener

与上一种方式的优缺点非常相似，唯一的不同在于S-Z移除复制帧，这意味着S-Z到L-1的连接不再受保护，但可以使用现有的无任何软件变更的ECU。通过建模观察到Listener未受保护的连接上的软错误影响，只要T-1根据802.1CB创建棕色和蓝色帧，就能支持该混合交换机。

2.Soft Error Rate建模

2.1 用于软错误的错误率模型

软错误只限于因为CRC错误导致的丢帧

假设所有连接上的误码率（BER）相同且随着时间改变保持恒定

CRC错误彼此独立，即没有错误“脉冲”

100BASE-T1指定误码率BER≤10-10，PHY在实际中更出色，因此测试采用10-12的误码率率

可以看到，100BASE-T1误码率=10-12，同一连接上2个CRC错误之间的平均间隔约为18h13m（负载20%）和3h38m（负载100%，最小帧的大小）

2.2 帧复制解决方案：需求&单点故障

连接上不受保护的传输 → 软错误的单点故障

2.3 执行帧复制—数据包损失率

Listener没有接收到任何副本时，数据包丢失

该数据在不考虑连接速度的情况下假定误码率同样为10-12

2.44E-8表示2.44x10-8

2.4 执行帧复制—2个数据包损失的平均时长

假设传输时间为1ms，帧大小为最小值（例如执行器信息）

该数据在不考虑连接速度的情况下假定误码率相同

标明的时间用来表示具备上述低连接利用率的一个流

3.Hard error&成本

3.1 成本因素—组件

创建冗余主干结构：

①从菊链式网络中创建环形网：成本等于在网络中的1个额外连接；

②添加无缝冗余：关键数据路径桥中的802.1CB支持，关键流的主干带宽加倍，成本等于根据CB要求所需（如关键流的带宽以及数量）而变化。

第一个和最后一个链路的冗余：

①使用双宿主终端节点，可保持主干带宽和负载和之前相同成本=每个关键终端节点的1个额外连接，有更多CPU周期仅为关键流运行802.1CB

②使用短期冗余单宿主终端节点节省额外连接成本，主干带宽仍然加倍，成本=有更多CPU周期仅为关键流运行802.1CB和冗余帧传输

3.2 成本因素—针对执行器及其数据流

转向、刹车、加速等都是执行器，它们需要在传感器融合后做出决定：躲避障碍物或者减速。执行器一般来说是非常低带宽的设备，过去通过CAN和LIN网络执行，因此对以太网主干上这些流的带宽加倍是完全可行的，甚至在单个链路上短暂给带宽加倍也是可行的。

4.总结

如示例中所述，持续的硬错误更容易被看到和计划这些错误的可能性和影响（线路、软件和芯片）取决于应用程序；

间歇性软错误更难评估，但已显示误码率的影响。1000BASE-T1支持FEC，导致误码率分析变得更加困难，100BASE-T1展示的数字被认为是1000BASE-T1一个很好的经验法则；

冗余不是零成本的，现在最大的成本可能是额外的主干带宽。因此，只对那些绝对需要冗余的数据流应用冗余，与传感器流相比，在执行器上应用冗余似乎更实用；

从Talker到Listener的端到端保护结果是最高完整性的通信；

双宿主和短期冗余针对软错误提供了非常高的鲁棒性，其中多宿主还可以防止单个硬错误进出ECU；

使用IEEE 802.1CB允许开发从“无冗余”迁移到“最佳冗余”，中间有渐进步骤（固件更新）；

这允许冗余使用现有的ECU，而无需一次性重写/重新设计所有内容。

编辑：jq