DDS/TSN聯手出擊　車載網路走向分散式架構(上)

資料分散式服務(DDS)和時效性網路(TSN)標準是當前和未來汽車設計的重要指南，為先進駕駛輔助系統(ADAS)、自動駕駛(AD)和V2X等軟體定義、性命攸關的車輛技術提供了基本構件。

這兩個標準系列都能夠在複雜的分散式系統和子系統內部以及系統之間實現快速、可靠的通訊流，可確保行動中的資料正確、可靠且低延遲地流動。 筆者將回顧汽車電子(Electrical/Electronic, EE)體系架構的發展現狀，同時分成上下兩篇文章敘述。本文會先針對DDS和TSN分別進行介紹，再將兩者統整綜合描述，它們是解決關鍵通訊難題的基本構件。在下篇文章，則會提供一個汽車自動駕駛(AD)應用案例。

車載網路追求多元功能

車載網路連接不斷變化，以滿足市場對更安全、更環保、更聯網甚至是全自動駕駛車日益成長的期許。為了容納數量不斷增加的子系統，汽車網路逐漸向功能域體系架構(Domain Architecture)甚至區域體系架構(Zonal Architecture)發展[1]。

在功能域體系架構中，汽車的每個功能域(動力、車身、底盤、娛樂中控、連線、ADAS等)都由一系列透過功能域網路進行通訊的電子控制單元(ECU)、感測器和執行裝置進行管理(圖1)。每處網路由功能域控制器進行編排，功能域控制器藉由自己的控制器管理進出其他Domain域的訊息。 在區域體系架構中，功能域被保留，但僅以一種抽象的、軟體定義的方式保留(圖2)。網路的實體體系架構使控制器的位置離其管理的ECU、感測器和執行設備更近，大幅降低了線束的複雜性和重量，對製造、效率和維護等方面也帶來了諸多裨益。

網路速度若要快速，其所連接的電腦數量就要少、運算能力也更強大，這帶來了新的挑戰，體現在以下數個方面：

1. 需要對採用不同ISO 26262安全功能整合等級開發的獨立軟體元件進行整合。

2. 需要管理的資料/應用介面和實例越來越多。

3. 需可準時且可靠實現高頻寬資料流。

資料分散式服務[2]和時效性網路是解決這些挑戰的兩個產業標準系列[3]。如圖3所示，這些標準對傳統工業網際網路連接框架(Industrial Internet Connectivity Framework, IICF)[4]模型的三個層面產生了影響。在框架和傳輸層，DDS為軟體元件提供了豐富的類型系統(Type System)和API，並使得型態(Topic)的實例傳輸獨立於傳輸層和網路層。DDS的工作原理是，將資料類型和API調用轉換為DDSI-RTP[5]標準消息，再透過各種傳輸介質(從IP網路到共用記憶體Zonal區域)進行傳輸，內部還設有機制支援安全性、可靠性、互通性和高效能傳送。

另一方面，TSN裝置在鏈路層運行，確保網路可靠和穩定地運行。它不斷監測資料幀的虛擬區域網路(Virtual Local Area Network, VLAN)標記和媒體存取控制(Media Access Control, MAC)來源/目的位址等重要資訊，來識別具時效性的資料流，並使用TSN工具來實現相關使用者設定的服務品質(Quality of Service, QoS)要求。以下將更詳細地描述這兩個標準系列。

DDS確保汽車架構精簡

在分散式架構的傳輸系統中，中介軟體(Middleware)是位於作業系統和應用程式之間的軟體層。它使各種系統元件能夠更輕鬆地通訊和共用資料，並提供了跨應用程式和系統傳遞資訊的機制，簡化了分散式系統的開發。

資料分散式服務是一種以資料為中心之連接所使用的中介軟體協定、連接框架和API標準[6]，由物件管理組織(Object Management Group)[3]發布和維護基於DDS標準的規範系列。DDS通訊層基於以發布/訂閱模式運行的軟體資料匯流排。DDS資料匯流排是一個共用的全域空間，資料在這個空間不斷地流入目標和授權之接收端點或從這些接收端點流出，可以有多個發布者或訂閱者。DDS資料匯流排的特點包括以資料為中心、內建QoS、共用資料模型、自動發現(Automatic Discovery)、安全性和互通性。DDS整合了分散式系統的各個元件，提供低延遲資料連接、高度的可靠性以及可擴充的體系架構，滿足複雜的關鍵任務應用之需求。

DDS在設計時即是以資料為中心的，能容納來自不同來源的資料，毋需進行客製化編碼。在這個共用的全域資料空間中，資料充當終端點之間的介面，但不必儲存在特定地方。這能夠實現即時回應，藉由路由功能提供可擴充性，透過QoS策略影響所有參與者傳輸和管理資料的方式，支援動態發現，並提供多種方法保護資料安全(從資料角度和從傳輸角度來提供保護)。

在聯網汽車中，DDS能夠跨軟體和硬體平台管理行動中的資料，進而簡化了體系架構。作為一項開放標準，DDS提供了系統設計人員所需的綜合功能，幫助他們構建具有高靈活性和可擴充性且鎖定未來的體系架構。同時，DDS還提供了一個靈活的環境，使設計保持精簡、易於維護並具有成本效益。 DDS還可整合到關鍵的汽車平台生態系統中，包括：

・AUTOSAR Adaptive：

其中通訊管理功能叢集的DDS網路綁定(Network Binding)功能可在DDS上實現服務型通訊[7]。這樣，除了其他網路綁定(如SOME/IP)所需的API或句法之外，應用程式毋需適應新的API或句法。

・ROS 2：

其中DDS是通訊中介軟體的基石，透過ROS 2中介軟體(RMW)層支援來自不同供應商的多個DDS實施方案[8]。

TSN標準保障網路穩定傳輸

鎖定應用的介面和上層協定對於複雜系統的開發至關重要，但也只能在它們運行層面保證持續的高效能、安全性和確定性。

為了使協定堆疊的較低層支援這些特性，IEEE 802.1時效性網路任務組[9]制定了各種標準。他們的目標是透過IEEE 802網路提高效能並提供確定性服務，例如以確定性的延遲和低封包延遲變化來保證封包傳輸。為了達到預期的效能，TSN任務組為橋接器和終端站定義了各種工具。

多種TSN標準為實體乙太網路提供了各種功能來保證確定性、優先順序、和可靠的通訊。TSN任務組已經發布或正在起草許多標準和修訂版，如圖5所示。

TSN標準系列被分為4組：同步、延遲、可靠性和資源管理。雖然基礎的IEEE 802.1Q標準[10]允許將優先順序分配給特定的訊務流，但IEEE 802.1Qav[11]和IEEE 802.1Qbv[12]等修訂版向乙太網路出口添加了流量塑形(Traffic Shaping)功能，以強制實施確定性延遲。

許多TSN功能，例如流量塑形和幀複刻(Frame Replication)的基礎是IEEE 802.1Q標準[10]。該標準導入了虛擬區域網路(VLAN)標記概念。VLAN標記攜帶其所標記之幀的優先順序資訊，以便在系統中的橋接器和終端站中使用。此優先順序資訊存在名為優先順序程式碼點(Priority Code Point)的欄位中，該欄位為乙太網路封包分配特定的優先順序。軟體應用工程師的主要任務之一是將應用乙太網路流量劃分為PCP提供的8種優先順序，然後映射到從乙太網路流出時實際存在的8個流量類別(Traffic Class, TC)佇列。

支援TSN的網路元件可能對每個TC都設有一個特定的佇列，如圖6所示。藉由基於優先順序的塑形(Priority-Based Shaping)功能，在傳輸選擇時施行嚴格的優先順序策略，從佇列中選擇優先順序最高的、等待時間最長的幀進行傳輸。使用PBS，當具時效性的流量被映射到最高流量類別佇列時，系統能為具時效性的流量保障最壞情況下應達到的延遲效能。

IEEE 802.1Qav標準[11]有助於避免可能導致網路壅塞和封包丟失的流量突發狀況。該標準在佇列子集的輸出上導入了基於「信用」的塑形器。這些塑形器追蹤每個佇列的信用值，而信用基於此佇列每秒允許傳輸的資料量。傳輸需要信用值為正值。在等待其他佇列的資料被傳輸時這個信用值會增加，流量正在傳輸，其信用值就會減少。當佇列都為空且信用為正值時，它會被重置。

為了確保網路的行為穩定可靠，IEEE 802.1CB[13]規定了無縫幀複刻(Seamless Frame Replication)和消除機制，以實現空間冗餘。幀被複刻，且序號包含在支援複刻功能的橋接器節點或端節點中。每個幀複製都遵循自己的路徑。為防止單點故障，該路徑必須與其他幀的路徑斷開。在合併點消除重複項目，合併點也可以是橋接器節點或端節點。

整合DDS/TSN以加速網路傳輸

DDS和TSN分別從對端進入IICF網路堆疊，各自為系統帶來自己的一套標準、工具和方法。融合這些標準、工具和方法將有助於解決未來車輛的資料連線需求，還有助於解決通訊效能和確定性與軟體模組化和可擴充性之間長期以來的取捨問題。

DDS在協定堆疊的框架和傳輸層上運行，為應用提供豐富和可擴充的資料類型系統、穩定的多廠商和多語言API以及全面的QoS策略。然而，如上所述，DDS中介軟體在傳輸層只能實現這些，以保證可靠性、低延遲和高輸送量。該領域的傳輸層技術包括將資料傳遞到底層平台API進行傳輸時所使用的有線協定分段(Wire Protocol Fragmentation)、丟包檢測和重傳機制、資料流控制QoS策略以及流量類別標記。

一旦越過了作業系統或網路堆疊的邊界，DDS對網路消息的控制就會受到限制。然後，TSN將接管各項工作，藉由TSN機制來識別DDS資料流、分配不同的TC和管理可用機制(如冗餘通道、流量塑形和頻寬預留)。

應用級抽象層和以資料為中心的策略可以利用DDS提供的大量QoS策略，並以IEEE 802.1Q VLAN標記的形式(包括VLAN識別字和PCP值)到達TSN運行的鏈路層。表1展示了一個示例，說明DDS Topic的傳輸優先順序如何與PCP值相關。

TSN可以實施其他有利於系統之安全和確定性的DDS QoS策略，參見以下示例。

串流頻寬管理

在處理高資料速率或突發干擾流量時，系統架構師必須管理好該資料流的頻寬，控制其對關鍵流量的影響。DDS和TSN可以藉由限制共用網路上干擾流所使用的最大頻寬、允許有關安全的流量通過等手段來減少流量干擾。這樣做可減少干擾流量影響關鍵流量的機率，進而降低最壞之干擾情況發生的頻率。它還可以透過限制干擾流量的頻寬來防止鏈路超載。

透過TIME_BASED_FILTER[15]QoS策略，就能在DDS層面實現這種串流頻寬管理(Stream Bandwidth Management)，設定資料讀取器(Data Reader)參數確保接收幀之間的最小時間間隔，進而有效地消除流量突發情況。但是，如果資料寫入器(Data Writer)也遵循最小間隔(僅適用於特定情況)，則此策略只會影響鏈路上的資料流。

為了確保流量間隔並在網路層面管理串流頻寬，可以採用IEEE 802.1Qav基於信用的塑形(CBS)[11]機制來消除流量突發情況。透過基於信用的塑形器，可設定為每個出口佇列預留的最大頻寬。即使資料寫入器在預期的接收週期內發送資料的速度比計畫的快，基於信用的塑形器也可以對該鏈路上傳輸的資料進行解除突發操作，確保干擾流量不會超過其鏈路預留量。

可靠性要求

若將DDS-TSN整合，在可靠性方面可以形成互補，確保應用在發生鏈路故障時仍能正常運行。

在傳輸層面，可靠性是最常使用的QoS策略。它決定了資料寫入器和資料讀取器(Data Reader)之間特定連接的可靠性等級。系統將監測資料寫入器發送的資料是否被資料讀取器接收。在任何情況下，都不能保證會收到資料，因為資料在資料寫入器和資料讀取器之間傳輸過程中，可能會因為多種原因而丟失。一旦啟用DDS可靠性策略，系統可以監測資料，並嘗試根據需要重新發送該資料的複製來補償丟失的資料，直到資料讀取器接收到該資料。這實際上是時間冗餘，資料會隨著時間的推移反覆傳輸，以提高到達接收端的幾率。

此外，在網路層面，空間冗餘會沿冗餘物理路徑複刻資料，以提高傳輸資料到達目的端的機率。

(本文作者Emilio Guijarro Cameros/Fernando GarcÍa Aranda/Pedro LÓpez Estepa皆任職於RTI；Lulu Chan/Jochen Seemann/Yuting Fu/AndrÉ Heinemans/Bart Vermeulen/Andrei Terechko皆任職於恩智浦半導體)