CN112311642B - 基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，在环形的汽车以太网冗余组网下，为区块网关提供一套完整的协商和调度机制，将所有的区块网关看成一台逻辑上的网关设备，在逻辑网关内部消化掉多余的广播报文，而避免了环路问题的产生；在逻辑网关内部采用分布式弹性转发技术实现报文的二三层转发，最大限度发挥每个区块网关的处理能力；当任意两个区块网关之间的连接发生故障时，环形连接切换成链形连接，该机制的业务不受影响，并能够迅速的收敛和切换，保证汽车网络的高可用性。

Description

基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法

技术领域

本发明涉及汽车电子电气架构领域，具体涉及一种基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法。

背景技术

在传统的汽车网络中，具有无数电子控制单元（ECU）和一个中央车辆网关的汽车电气/电子（EE）架构正随着时间的推移而变得非常复杂。用于该结构网络的线束成为车身上的第3重的部件，最大重量为50kg，总长度可达5km，成本高昂。而自动驾驶的发展趋势将引入更多的ECU，即执行器和传感器，进一步增加了对线束的需求。在过去，ECU整合是降低复杂性的行业响应之一。特别是在ADAS和Cockpit Electronics领域，专用域控制器取代了多个ECU。未来，汽车以太网将进一步发展，并允许汽车EE架构进行更彻底的改变，从而显著减少线束长度，重量，成本和复杂性。

随着TSN协议以及基于IP的端到端实时通信的引入，车辆中的线束将完全改变为区域EE架构，从而实现面向服务的架构（SOA）软件方法。ECU整合以及新EE架构中的配电与数据交换的一致性将进一步有助于提高重量和成本。因此，提出了一种新的汽车ECU类型并将它们称为区块网关“Zonal Gateways”。这些ECU将提供对CAN和LIN等传统汽车网络的访问，对以太网设备的切换功能以及负载感应和保护等配电支持。

冗余以太网骨干架构，例如，环形结构与TSN的结合将确保安全性和稳健性，以达到更高的ASIL水平。对分区EE架构的研究表明，将线束长度减少到50％甚至更多的可能性很大。另外，线束分解成具有较低复杂性和较小物理范围的子线束将允许较便宜和自动化的生产。

然而，在环形结构组网下，仍需解决二层广播风暴问题，现有的生成树协议虽然可以解决，但是实施复杂度大，转发效率低，故障切换时间长（秒级）；同时，也需要一套协商和调度机制来配合TSN标准，进一步提升汽车网络的高可用性和时间确定性。

发明内容

发明目的：在环形的汽车以太网冗余组网下，为区块网关提供一套完整的协商和调度机制，在规避二层广播风暴的同时，能够配合现有的TSN标准，进一步提升汽车网络的高可用性和时间确定性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，在由若干台区块网关组成环形骨干网络中，将所有的区块网关逻辑上合并成一台逻辑网关，每一台区块作为逻辑网关的成员网关，在逻辑网关内部消化掉多余的广播报文；报文的二层转发在逻辑网关内部采用分布式弹性转发；当任意两个区块网关之间的连接发生故障时，环形连接切换成链形连接。成员之间的链路，既承载着车内通信的转发报文，也承载着彼此之间协商的特殊报文。整个汽车网络的结构由环形+链形结构演变成了单纯的链形结构。

具体地，所述环形骨干网络由分布在车身四个角落的四台区块网关环形链接构，每一个区块网关分别与端点设备连接，所述环形骨干网络用于承载着整个车内的端到端通信，每一个端点设备相当于直连在逻辑网关上，每一个端到端的通信视为经过逻辑网关完成。

具体地，指定用于成员网关之间连接的物理端口为特殊物理端口。每台成员网关上需要指定两个特殊物理端口。所述特殊物理端口负责跨成员的报文转发及逻辑网关内部的协商报文和保活报文。所述协商和保活报文对于逻辑网关外部完全屏蔽。

所述成员网关之间通过特殊端口进行协商，协商报文中携带着成员信息、端口信息、拓扑信息和转发表项；完成学习过程后，每个成员网关上都会生成一张特殊的拓扑表，这张表记录着从当前成员位置到达另外一个成员的所有路径信息，同时也会生成一张特殊的转发表，该表是所有成员设备的转发表汇总处理后生成的。

本发明的核心在于，在环形的汽车以太网冗余组网下，为区块网关“ZonalGateways”提供一套完整的协商和调度机制，将所有的“Zonal Gateways”看成一台逻辑上的网关设备（Gateway），在逻辑设备内部消化掉多余的广播报文，而避免了环路问题的产生；在逻辑设备内部采用分布式弹性转发技术实现报文的二层转发，最大限度发挥每个成员的处理能力；当任意两个区块网关之间的连接发生故障时，环形连接切换成链形连接，该机制的业务不受影响，并能够迅速的收敛和切换，保证汽车网络的高可用性。

有益效果：本发明通过采用基于环形组网的汽车以太网冗余方案，可以达到下列技术效果：

环路抑制：有效的避免环路带来的广播风暴。

对称性：实现无差别的冗余备份，环形连接上任意一条链路的故障都可以cover。

高性能、高利用率：多个区块网关合并后可有效提升性能，可选择最优路径进行转发。

高可用性：某条链路故障时，会形成链形连接，该机制的业务运行不受影响，并能快速收敛切换。

低复杂度：逻辑上减少了设备的数量，减轻了链接的复杂度，方便管理。

可拓展性：可以配合802.1CB等TSN标准进行调度和协商，更好的保证网络的安全性和健壮性。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。

附图说明

图1是本发明实施例中汽车内的冗余环形骨干网络区块网关合成逻辑网关的示意图；

图2是四台区块网关的环形链接网络结构图；

图3是环路抑制示意图；

图4是成员网关内部的转发的示意图；

图5是跨成员网关的转发的示意图；

图6是链路故障处理的示意图；

图7是TSN扩展的示意图。

具体实施方式

实施例：

如图1左所示，由分布在车身四个角落的四台区块网关（Zonal gateways）的环形链接构成了汽车内的冗余环形骨干网络。每一个区块网关又会分别与N个设备进行连接。这个环形骨干网络承载着整个车内的端到端通信， 同时对于整个车内网络的安全性和健壮性起到了决定性的作用。

将四台区块网关逻辑上合并成一台网关， 称之为“逻辑网关”。每一台区块都是逻辑网关的成员。成员之间的链路，既承载着车内通信的转发报文，也承载着彼此之间协商的特殊报文。网络拓扑的变化如图1右所示，整个汽车网络的结构由环形+链形结构演变成了单纯的链形结构。 每一个端点设备相当于直连在逻辑网关上面，每一个端到端的通信理论上只经过逻辑网关就完成了。

特殊端口

指定用于成员网关之间连接的物理端口为特殊物理端口。每台成员网关上需要指定两个特殊物理端口。该类端口除了负责跨成员的报文转发以外，还要负责逻辑网关内部的协商报文和保活报文。

除去特殊端口，其他端口不得转发逻辑网关内部的协商和保活报文。也就是说，这些报文对于逻辑网关外部是完全屏蔽的。

成员协商和保活

成员网关之间通过特殊端口进行协商，协商报文中携带着成员信息、端口信息、拓扑信息和转发表项等。完成学习过程后，每个成员网关上都会生成一张特殊的拓扑表。这张表记录着从当前成员位置到达另外一个成员的所有路径信息。同时也会生成一张特殊的转发表，该表是所有成员设备的转发表汇总处理后生成的。

成员之间通过高速的保活报文进行状态感知。当其中一个成员发生故障时（例如宕机），逻辑网关会迅速进行计算和收敛。 发生故障的成员退出逻辑网关。

同样可以考虑借助在保活报文中携带时间戳，计算和统计各个成员路径的链路质量信息， 结合链路质量决策出转发表的最优路径。

环路抑制

成员网关需要根据接收和发送报文的端口以及当前的拓扑情况，来判断报文在发送后是否会产生环路。如果判断结果为会产生环路，成员网关将在位于环路路径上的发送端口处将报文丢弃。该方式会造成大量广播报文在特殊物理端口上被丢弃，此为正常现象。

分布式弹性转发

逻辑网关采用分布式弹性转发技术实现报文的二三层转发，最大限度的发挥了每个成员网关的处理能力。假设系统中的每个成员网关都有完整的二三层转发能力，当它收到待转发的报文时，可以通过查询本地的特殊转发表得到报文的出接口，然后将报文从正确的出接口送出去，这个出接口可以在本机上也可以在其它成员网关上，并且将报文从本机送到另外一个成员网关是一个纯粹内部的实现，对外界是完全屏蔽的。

1.成员网关内部的转发

转发报文的入接口和出接口在同一台成员网关上。当成员1收到报文后，查找本地转发表，发现出接口就在本机上，则成员 1直接将报文从这个出接口发送出去。

2.跨成员网关的转发

转发报文的入接口和出接口在不同的成员网关上。当成员1收到报文后，查找本地转发表，发现出接口在成员2上，则成员1根据最优路径先将报文转发给成员2，成员2通过出接口将报文转发给最终用户。

链路故障处理

当两个成员之间的链路发生故障时，逻辑网关内部原有的环形链接变成链形链接。 此时，逻辑网关迅速完成计算和收敛。 所有成员上的转发表更新后，故障路径废弃。业务的运行不会受到影响， 而报文转发的影响和切换， 取决于保活报文的检测周期。可以借助车载mcu芯片上的高精度时钟实现实现快速检测， 从而提高报文转发的切换速度，降低链路故障带来的转发影响

TSN扩展

为了实现TSN，IEEE制定了一整套标准。同样可以考虑将本文所述的机制与TSN结合，从而进一步提升汽车网络的高可用性和时间确定性。

以802.1CB为例。802.1CB是一个针对帧复制和删除，用来提升网络可靠性的重要标准。在逻辑网关中，当报文从一个成员向另外一个成员进行转发时，通过查询转发表， 可以查到两条转发路径（出接口）， 不同于最优路径转发， 在帧复制后进行双路径转发，目的成员在接收到两份报文后完成帧删除处理。

Claims (6)

1.一种基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，其特征在于：在由若干台区块网关组成环形骨干网络中，将所有的区块网关逻辑上合并成一台逻辑网关，每一台区块网关作为逻辑网关的成员网关，在逻辑网关内部抑制产生环路后的广播报文转发；报文的二三层转发在逻辑网关内部采用分布式弹性转发；当任意两个区块网关之间的连接发生故障时，环形连接切换成链形连接；

指定用于成员网关之间连接的物理端口，负责跨成员网关的报文转发与逻辑网关内部的协商报文和保活报文的转发，所述协商和保活报文对于逻辑网关外部完全屏蔽；

所述分布式弹性转发，是在逻辑网关收到待转发的报文时，通过查询本地转发表得到报文的出接口，然后将报文从正确的出接口送出去，这个出接口在本机上或其它成员网关上，将报文从本机送到另外一个成员网关是对外界是完全屏蔽的纯粹内部实现；

当转发报文的入接口和出接口在同一台成员网关上时，当成员网关1收到报文后，查找本地转发表，发现出接口就在本机上，则成员网关1直接将报文从这个出接口发送出去；

当转发报文的入接口和出接口在不同的成员网关上时，当成员网关1收到报文后，查找本地转发表，发现出接口在成员网关2上，则成员网关1根据最优路径先将报文转发给成员网关2，成员网关2通过出接口将报文转发给最终用户。

2.根据权利要求1所述的基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，其特征在于：所述环形骨干网络由分布在车身四个角落的四台区块网关组成环形链路结构，每一个区块网关分别与端点设备连接，所述环形骨干网络用于承载着整个车内的端到端通信；每一个端点设备视为直连在逻辑网关上，每一个端到端的通信视为经过逻辑网关完成。

3.根据权利要求1所述的基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，其特征在于：

成员网关之间通过物理端口进行协商，协商报文中携带着成员网关信息、端口信息、拓扑信息和转发表项；完成学习过程后，每个成员网关上均生成拓扑表与转发表；

成员网关之间通过高速的保活报文进行状态感知，当其中一个成员网关发生故障时，逻辑网关进行计算和收敛，发生故障的成员网关退出逻辑网关；

利用在保活报文中携带时间戳，计算和统计各个成员网关路径的链路质量信息，结合链路质量决策出转发表的最优路径。

4.根据权利要求1所述的基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，其特征在于：成员网关需要根据接收和发送报文的端口以及当前的拓扑情况，来判断报文在发送后是否会产生环路；如果判断结果为会产生环路，成员网关将在位于环路路径上的发送端口处将报文丢弃。

5.根据权利要求1所述的基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，其特征在于：当两个成员网关之间的链路发生故障时，逻辑网关内部原有的环形链接变成链形链接，此时，逻辑网关迅速完成计算和收敛，所有成员网关上的转发表更新后，故障路径废弃，借助车载mcu芯片上的高精度时钟实现快速检测。

6.根据权利要求1所述的基于环形组网的汽车以太网冗余调度方法，其特征在于：

在逻辑网关中，当报文从一个成员网关向另外一个成员网关进行转发时，通过查询转发表，查到两条转发出接口，在帧复制后进行双路径转发，目的成员网关在接收到两份报文后完成帧删除处理。

Images