TSN技术深度解析：重塑汽车以太网，赋能智能驾驶确定性通信

随着汽车电子电气架构向域控制与中央计算演进，传统车载网络在带宽、确定性与可靠性方面面临严峻挑战。TSN（时间敏感网络）通过精密时钟同步、流量调度及冗余传输等关键技术，将以太网改造为具备确定性低延迟、低抖动与高可靠保障的通信骨干，从而有效支撑智能驾驶、高性能计算等关键业务，成为推动下一代车载网络融合与升级的有力支撑。

汽车电子电气架构的演进

早期的分布式ECU架构

在早期的分布式ECU架构中，每个功能（如车窗升降、车灯控制、ABS）都由一个独立的电子控制单元实现，这些ECU之间通过CAN、LIN等总线连接。在硬件成本上，ECU数量庞大（可达上百个），线束复杂、冗长、重量大，导致成本和能耗上升。在软件升级方面，每个ECU的软件都需要单独升级，无法实现整车OTA。尤其重要的是通信瓶颈，CAN/LIN带宽低，无法满足大数据量传输（如摄像头、雷达数据）的需求。

当前的域控制器架构

目前，主流车企正在普及和深化域控制器架构，即根据功能相关性，将整车划分为几个大的“域”。该架构整合了域内多个ECU的功能，域内的简单ECU被降级为单纯的传感器或执行器，同时也引入车载以太网作为域控制器之间的骨干网络，提供高带宽通信。该架构在一定程度上使得ECU数量显著减少，线束复杂度降低，更关键的是令车身功能开始与硬件解耦，凸显软件的重要性。但该架构依然存在跨域功能协同开发复杂，线束布局仍以“功能域”为中心，而非“物理位置”等问题。

未来的区域控制与中央计算架构

面向未来的区域控制与中央计算架构，运行着统一的整车操作系统，承载绝大部分的应用软件和算法。多个区域控制器/Zonal不再是功能中心，而是连接中心。基于车载以太网的区网架构，实现高速、确定性的数据传输，满足中央与区域之间海量数据交换的需求。应用软件与底层硬件完全分离，使得主机厂可以专注于上层软件开发和应用生态建设。

架构演进带来哪些挑战

传统总线系统的带宽瓶颈

汽车功能日益增多，减少ECU和简化线束是直接的经济和能效诉求。如今，车辆日益依赖传感器网络来实现实时驾驶反馈并确保行车安全。传统的车载通信主要采用CAN总线、MOST总线等工业总线系统，然而，随着传感器和车载计算设备的不断精密化，带宽扩展已成为当前总线系统面临的重要挑战。

CAN总线和LIN总线专为低速通信与控制需求而设计。相比之下，FlexRAY等总线可提供高达10 Mbps的传输速率，但成本也相应增加。随着高保真传感器、摄像头及信息娱乐系统的广泛应用，更高速的总线系统（如MOST）与物理层技术（如LVDS和CML）逐步得到采用，然而这些技术的实现往往具有专有特性。

车载以太网的引入与根本问题

以太网设计之初便以大带宽为目标，目前汽车行业正探索将以太网时间敏感网络（TSN）部署为覆盖全车的通信骨干。该架构能够为当代汽车提供关键且具备实时性与可靠性的通信支持。在自动驾驶系统中，构建高带宽、高可靠的网络是实现最终目标的基础——这类网络不仅要能即时处理车载传感器的时效性数据，也能有效解决网络中不同流量竞争类问题。

对于10BASE-T1S，它代表了以太网向轻量化、专用化、高性能方向的重要演进，其PHY层通过创新调制技术和简化设计，在保持以太网兼容性的同时，完美解决了空间、重量和成本挑战。拓扑形式上，它实现了Bus形式和菊花链形式的接入方式，目前其成本已与传统网络（CAN-FD、FlexRay）相当，正有力推动汽车电子架构从传统总线向以太网演进。

以太网的消息传递方案基于以太网帧和互联网协议（IP）协议消息的交换。在物理层，下一代汽车架构采用单对以太网（SPE），如100BASE-T1和1000BASE-T1，以减少线束所需的线路数量。在某些较低带宽场景下，10BASE-T1S IEEE规范支持的多点功能允许终端站共享网络介质，进一步减少所需的桥接设备数量。当架构演变成了整车以太网，面临的考量又有哪一些？我们从最根本的通信保障角度出发，TCP/IP over 传统以太网，这是我们最熟悉的互联网模型。

网络角色：

• 以太网（数据链路层）： 提供基本的帧结构和MAC地址寻址，采用“尽力而为”的CSMA/CD或交换式队列转发。
• IP（网络层）： 负责“寻址和路由”，将数据包从源主机跨越多个网络送到目的主机。它本身也是“尽力而为”的。
• TCP（传输层）： 负责“端到端的可靠性”。通过确认、重传、拥塞控制等机制，弥补下层IP和以太网的不可靠性，保证数据不丢失、不重复、按序到达。
• UDP（传输层）： 提供简单的无连接服务，不保证可靠性，延迟更低但承受了下层所有的不可预测性。

以太网的根本问题：

TCP的重传机制和拥塞控制是为了解决可靠性，但引入了不确定的延迟。在关键控制系统中，一个“迟到”的重传数据包可能比“丢失”的数据包更糟糕，因为它传递的是过时的、无效的信息。UDP虽然延迟低，但无法解决底层以太网的拥塞和排队延迟问题。

• 带宽需求超过了当前标准的容量。
• 队列拥塞：现代交换式以太网，无法严格保证高优先级数据的及时传输。
• 延迟抖动不可预测性：网络拥塞会导致数值波动幅度增大。
• 数据包丢失：在拥塞发生时，交换机缓冲区溢出，数据包会被丢弃。
• 无带宽保证：传统以太网中，任何流量都可以竞争所有可用带宽。

TSN如何赋能车载以太网：三大演进维度

TSN的演进体现在它为数据链路层增加了一系列时间感知、资源管理和可靠性保障机制。它是一个从“尽力而为”的统计复用网络向“确定性保证”的资源保障网络的改变。

从“异步”到“同步”：基于IEEE 802.1AS的时间同步

• 传统以太网：网络中的设备没有严格同步的时钟，各自做各自的收发，或者局部收发响应。
• TSN演进：引入 IEEE 802.1AS-Rev（时间同步），它定义了广义的精密时间协议。所有TSN交换机和支持TSN的终端都在微秒级或纳秒级上同步到同一个时钟。
• 影响：这是所有“时间调度”功能的基础。没有精确同步，就没有确定性延迟。发包有所依、采集有所依。

在每一设备内，接收端口作为时钟从节点运行，其余输出端口则充当网络内其它节点的时钟主节点。每个主节点在发送同步消息的同时，会附加一条后续消息，该消息记录了从主节点至目标节点的路径延迟以及途经桥接设备所产生的传输延迟。节点依据同步信息与延迟数据对本地时钟进行校准，从而维持全网络时间同步的稳定性。

从“多队列竞争”到“时间感知整形”

• 传统以太网：使用优先级队列，但高优先级流量依然可能被前面一个长帧/流阻塞。

• TSN演进：

  • IEEE 802.1Qbv（时间感知整形器）：在同步的基础上，为出口队列创建了周期性的“时间门”。在关键流量的专属时间窗口内，只打开它的门，关闭其他流量的门。这确保了关键流量绝对不受任何干扰。

  

  • IEEE 802.1Qbu（帧抢占）：802.1Qbu + 802.3br允许高优先级的“急件”帧打断正在传输的低优先级“普通”长帧，等“急件”发完，再继续传输被中断的长帧。这极大降低了高优先级流的排队延迟。

  

传统以太网应用于时间敏感型场景时，延迟是主要的挑战之一。其中，绝对延迟固然存在，但更值得关注的是其波动性和不确定性。若能确保网络中的延迟与抖动被控制在可预测的界限内，或至少存在上限，时间敏感应用就有可能实现稳定运行。为应对延迟难题，以太网TSN已衍生出多项基于现有标准的扩展方案。这些方案的目标并非完全消除延迟或抖动，而是尽可能降低其数值，并确保延迟与抖动性能的最大范围可控。在这方面，时间感知调度与抢占式转发两种机制已取得显著进展。

从“单一路径”到“无缝冗余”：基于IEEE 802.1CB的可靠性保障

• 传统以太网：使用生成树协议防止环路，但切换速度慢（秒级）。
• TSN演进：引入 IEEE 802.1CB（帧复制和消除） 对关键数据流，主动复制一份完相同的帧，通过两条不同的物理路径进行传输。接收方会识别并丢弃重复的帧。

以太网等互联网协议在初期设计上就已兼顾了对网络环境动态变化的适应能力。然而，诸如生成树协议这类网络路径重构方案，往往需要较长的收敛时间才能进入新的稳定状态。为此，若要满足时效性应用的需求，就必须保证以太网数据帧在传输过程中实现近乎零的延迟。此外，支持时效性通信的网络还需具备强大的容错能力，以应对分布式应用可能出现的各类故障。为增强网络可靠性，以太网TSN在IEEE 802.1CB标准中引入了帧复制与消除（FRER）机制。同时，为更好地处理通信故障，TSN还采用了流过滤与策略控制（PSFP）机制，该机制最初在IEEE 802.1Qci中定义，并在IEEE P802.1Qcr中进一步发展完善。

演进后的完整协议栈互动

• 应用层：一个自动驾驶应用需要发送周期性的控制指令。它不再简单地调用Socket API，而是会向集中式控制器（CNC）注册其流量需求（这通常由系统集成商在系统设计时完成）。
• 传输层/网络层：应用数据仍然通过UDP/IP封装。UDP因为其无连接、低开销的特性，成为承载TSN关键流量的首选，IP负责寻址。理解底层的网络协议是实现上层应用确定性通信的基础。
• 数据链路层（TSN）：当这个UDP/IP数据包进入网络，根据其VLAN标签或其他流标识，识别出它是已预留的关键流。根据精确同步的时钟和预下载的Qbv调度表，在正确的时刻打开门，将其发送出去。例如配置了帧抢占，它还可以打断正在传输的背景流量。例如配置了CB，它会被复制并通过两条路径传输。

UDP/IP数据包享受着底层TSN网络提供的确定性低延迟、极低抖动和有保障的带宽。TCP流量（如软件更新、日志上传）则继续在“尽力而为”的通道中传输，两者互不干扰。

TSN技术的实践展望

为将上述TSN标准落地，业界通常采用基于FPGA或专用芯片的硬件平台，以支持10BASE-T1S、100/1000BASE-T1等车载以太网物理层标准。此类平台的可编程性为功能集成与性能优化提供了灵活性，能够助力开发TSN终端、网关及交换设备，并支持与CAN(CC/FD/XL)/LIN和车载以太网全速率转换。目前，虹科提供的基于FPGA硬件的解决方案，正推动相关测试验证平台的成熟。在软件层面，结合FreeRTOS、AUTOSAR等系统进行定制化部署，可构建满足不同车载网络架构需求的开发与测试环境。例如，利用AUTOSAR系统的通信模块与TSN协议栈对接，可以加速TSN在下一代汽车网络中的实际应用与融合。