一种基于时间敏感网络的车载通信方法和装置与流程

1.本发明涉及智能网联汽车的网络通信领域，特别是涉及一种基于时间敏感网络的车载通信方法和装置。


背景技术：

2.随着智能网联汽车技术的发展，高级辅助驾驶系统(adas)装置在智能网联汽车中将成为标配，给传统的网络通信技术提供了挑战。高级辅助驾驶信息一方面需要获取底层传感器的数据，如：摄像头、激光雷达、gps、惯性传感器等，如此强大的数据需要确保低延迟传输。传统的can网络显然已无法满足现在智能汽车的发展，现有适配的汽车电气电子架构基于车载以太网为骨干网络连接通过网关连接不同的域控制器，adas系统使用需要跨域进行通信，然后这些服务是动态的，需要适应的网络。尽管针对车载以太网的骨干网络的通信，时间敏感网络(tsn)具备关键性数据的实时性传输功能，但是灵活性不够。当车载网络的传输节点发生变化时，需要工程人员进行手动配置，不能自动实现网络传输的自动配置。


技术实现要素：

3.基于现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于时间敏感网络的车载通信方法，其特征在于，至少包括：
4.在数据平面，混合交换机通过预设数据流控制规则控制自身的tsn入口或出口；
5.在控制平面，通过网络控制器感知和处理混合交换机的实时流量控制命令，对混合交换器的tsn入口数据和或tsn出口数据进行控制；
6.数据平面和控制平面通过控制信息交换api进行信息交换；
7.其中，混合交换机设有数据流预留表单、数据流表、门控调度器，网络控制器通过预设规则对数据流预留表单、数据流表和或门控调度器进行操控，实现混合交换机的入口和出口流量控制。
8.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，当数据帧达到由tsn入口控制模块控制的入口时，tsn入口控制模块通过应用时间和过滤规则对数据帧进行处理；
9.当数据帧通过tsn入口模块后，虚拟网关在数据流表中对数据帧的属性进行发送检查，若匹配的入口存在，则预定义的行为被进行并且将数据帧发送至指定端口；
10.tsn出口控制模块通过tsn协议规范将数据帧发送至目标网络。
11.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，判断达到tsn入口模块的数据帧类型，若为低优先级的尽力而为的数据流类型，若尽力而为的数据帧并未建立发送数据流，则混合网关将数据帧的消息发送给网络控制器，位于网络控制器的上层应用程序将根据数据帧的消息属性决定是否丢弃或直接响应或传递；
12.若为传递，则网络应用将决定路由路劲并将数据流发送规则发送给混合交换机进行安装，记录在数据流表中。
13.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，对于异步实时流量控制
的数据发送，发送者和接收者通过spr协议申明数据流；网络设备提交所有的spr协议包给网络控制器；
14.根据spr协议包，网络应用程序检查有效带宽是否在满足当前协议，若满足，则创建与数据流匹配的传输端口；
15.网络控制器根据接收到来自spr协议的数据在混合交换机中通过数据流预留表单进行记录并通过数据预留表预留带宽；
16.传输异步类型的数据的混合交换机数据预留表通过识别流，正确转发，并控制tsn出口控制模块端口的带宽。
17.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，对于同步实时流量控制的数据发送，发送者在对应的时间槽中定期发送已知最大大小的数据帧；
18.当数据帧通过tsn入口控制模块时，门控调度器根据时间控制表打开和关闭每个输出端口的特定优先级门，控制同步实时流量的数据发送。
19.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，当同步实时数据流量发生变化时，网络控制器动态(重新)计算所有数据流的门控调度器和传输经历的路径；
20.通过添加或删除时间槽，周期内将时间槽向前或向后移动，以适配同步实时数据流量的变化。
21.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，当网络路径中的混合交换机需要升级或发生变化时，网络控制器按照确定性的顺序锁定混合交换机；
22.然后通在所有混合交换机配置和验证候选配置，配置包括设置数据流预留表单、数据流表、门控调度器；
23.当验证成功后，网络控制器发送执行升级指令给混合交换机；
24.混合交换机发送完成升级的消息给网络控制器，网络控制器释放被锁定的混合交换机。
25.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，混合交换机采用同时升级方式，具体包括：
26.网络控制器计算所需的激活时间，然后通过控制信息交换api发送执行升级的时间戳；
27.当所有的混合交换机都准备好升级后，向网络控制器发送准备好升级的消息；
28.网络控制器接收到所有的准备好升级的消息，通过广播的方式发送升级包给混合交换机，混合交换机在指定的时间戳进行升级。
29.一种基于时间敏感网络的车载通信方法，进一步优选地，数据流预留表单用于记录传输域、数据流的注册路径、记录数据流的转发规则、延时最差情况、为数据流分配带宽，；
30.数据流表包括预设数量的数据流规则组成，每条数据流规则至少包括：基本字段、条件字段和动作字段。
31.一种实时车载通信装置，其特征在于，包括：
32.网络控制器、至少一个混合交换机，网络控制器对混合交换机进行控制，实现经过混合交换机的数据发送与接收；
33.包括上述的基于时间敏感网络的车载通信方法。
34.有益效果：
35.本发明的技术方案中，通过tsn协议栈的组建和由软件定义的虚拟网关结合形成的混合交换机，能够灵活适应不同车内通信的数据类型传输，确保最小的延迟和丢包。当车载网络的数据流或传输路径发生变化，或车载网络物理链路发生变化时，通过网络控制器能够动态更改混合交换机的配置，避免需要工程师手动配置等繁琐步骤。
附图说明
36.以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
37.图1为本发明一实施例中tsn时间敏感网络的车载装置结构示意图。
38.图2为本发明一实施例中混合交换机的结构示意图。
39.图3为本发明一实施例中网络控制器的结构示意图。
40.图4为本发明一实施例中车载数据传输的控制方法示意图。
41.图5为本发明一实施例设置有tsn协议栈的域控制器结构示意图。
具体实施方式
42.为了对本文的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。为使图面简洁，各图中的示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，为使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
43.关于控制系统，功能模块、应用程序(app)本领域技术人员熟知的是，其可以采用任何适当的形式，既可以是硬件也可以是软件，既可以是离散设置的多个功能模块，也可以是集成到一个硬件上的多个功能单元。作为最简单的形式，所述控制系统可以是控制器，例如组合逻辑控制器、微程序控制器等，只要能够实现本技术描述的操作即可。当然，控制系统也可以作为不同的模块集成到一个物理设备上，这些都不偏离本发明的基本原理和保护范围。
44.本发明中“连接”，即可包括直接连接、也可以包括间接连接、通信连接、电连接，特别说明除外。
45.本文中所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文中所使用地，单数形式“一个”、“一种”、以及“该”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另作规定。还将理解的是，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”是指存在有所陈述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组分，但是并不排除存在有或额外增加一个或多个其它的特征、数值、步骤、操作、元件、组分和/或其组成的群组。作为在本文中所使用的，术语“和/或”包括列举的相关项的一个或多个的任何和全部的组合
46.应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的
车辆。
47.此外，本公开的控制器可被具体化为计算机可读介质上的非瞬态计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器或类似物执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括，但不限于，rom、ram、光盘(cd)-rom、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在通过网络耦合的计算机系统中，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(can)以分布式方式存储和执行。
48.本发明提供一种基于时间敏感网络的车载通信装置和车载通信方法，参见图1至图5，车载通信装置具体包括：网络控制器、至少一个混合交换机，网络控制器对混合交换机进行控制，实现经过混合交换机的数据发送与接收；
49.具体地，在集中式的电气电子架构中，域控制器经过车载以太网与混合交换机相连接，域控制器设置tsn协议栈，通过tsn协议栈，控制流经域控制器的入口数据和出口数据，以实现实时性的通信；
50.在混合交换机中，设置有进入端口、出入端口，tsn入口控制模块，虚拟网关、tsn出口控制模块；
51.在混合交换机中，设置数据流表，数据流预留表单、门控调度器；
52.其中，虚拟网关至少通过数据流表和/或预设通信协议控制数据传输，但不包括数据流预留表单和门控调度器；
53.tsn入口控制模块、tsn出口控制模块至少采用数据流预留表单和门控调度器控制数据的传输，但不包括数据流表。
54.具体地，数据流预留表单用于记录传输域、数据流的注册路径、记录数据流的转发规则、延时最差情况、为数据流分配带宽，；
55.数据流表包括预设数量的数据流规则组成，每条数据流规则至少包括：基本字段、条件字段和动作字段；
56.基本字段至少包括生效时间、所属表项、优先级、处理的数据包数，空闲超时时间；
57.条件字段至少包括输入端口号、源目的mac地址、源目的ip地址、数据包类型、网络层协议类型等；
58.动作字段至少包括：正常转发、定向到某交换机端口、丢弃、更改源目的mac地址等；
59.一数据流规则可有多个动作，动作执行按指定的先后顺序依次完成。
60.通过数据流表，对来自不同域控制器或不同ecu的传输信息进行定义，当传输信息的属性与数据流表中的消息匹配时，虚拟网关应用对应的数据流规则传输匹配的消息。
61.在混合网关中，其采用基于面向服务的架构通信，设置有客户端和服务器，至少用于与网络控制器进行通信；
62.网络控制器用于多个混合交换机，实际上车载网络中，混合交换机不止一个，不同的域之间或者汽车不同的位置之间可能都要设置混合交换机；
63.例如：在汽车位置的前、中、后，进行区域混合交换机布置，但是所有的混合交换机由以一个网络控制器进行控制；
64.相比现有的车载网络架构，本实施例采用混合交换机，内设置虚拟网关，虚拟网关
由软件编程实现，其能够实现硬件网关的所有功能，通过软件编程进行网关定义。
65.通过虚拟网关，能够弥补tsn通信协议的不足，具备灵活性；
66.当车载网络中出现变化时或需要新增功能时，只需要升级虚拟网关即可，而无需向传统方面那样，进行更新硬件。更新硬件一方面导致成本增加，另一方面还要进行一系列的可靠性验证。
67.网络控制设有控制模块，调取模块，客户端、服务器、上层应用程序，其中，客户端与服务器用于与混合交换机中的客户端和服务器进行通信，用于基于面向服务的soa通信，通过发布和订阅的方式，实现高效通信；
68.上层应用程序用于处理来自混合交换机发送的需求，通过对需求进行分析并进行决策；
69.调度模块用于对于其相连接的混合交换机预设进程进行启动或关闭；
70.控制模块用于网络控制器中各功能模块的运行，如启动调度模块、客户端、服务器或上层应用程序；
71.具体，本实施例提供的域控制器，内设置有tsn协议栈，具体包括：
72.数据流预留表单、门控调度器，tsn出口控制模块、tsn入口控制模块、进入端口和出入端口，其中，tsn出口控制模块和tsn入口控制模块通过数据流预留表单和门控调度器去控制传输的数据流的方向；
73.域控制器与混合交换机通过高速车载以太网总线进行通信；
74.基于上述的硬件装置，以下实施例提供了一种基于时间敏感网络的车载通信方法，具体包括：
75.在数据平面，混合交换机通过预设数据流控制规则控制自身的tsn入口或出口；
76.在控制平面，通过网络控制器感知和处理混合交换机的实时流量控制命令，对混合交换器的tsn入口数据和或tsn出口数据进行控制；
77.数据平面和控制平面通过控制信息交换api进行信息交换；
78.其中，混合交换机设有数据流预留表单、数据流表、门控调度器，网络控制器通过预设规则对数据流预留表单、数据流表和或门控调度器进行操控，实现混合交换机的入口和出口流量控制。
79.本实施例中，将整个硬件系统分为数据平面和控制平面，使得数据平面和控制平面互不干扰，各自实现自身的功能，数据平面和控制面板通过控制信息交换api进行信息交换，提供系统通信的安全性，通过控制平面去控制数据平面的信息交互。
80.当数据帧达到由tsn入口控制模块时，tsn入口控制模块通过应用时间和过滤规则对数据帧进行处理；
81.当数据帧通过tsn入口模块后，虚拟网关在数据流表中对数据帧的属性进行发送检查，若匹配的入口存在，则预定义的行为被进行并且将数据帧发送至指定端口；
82.tsn出口模块控制通过tsn协议规范将数据帧发送至目标网络。
83.具体地，在车载网络中，较多的传感器、控制器在相互通信时会产生大量的数据，特别是自动驾驶，当大量数据传输到混合交换机的端口时，如何针对不同传感器或ecu的数据进行处理，在确保系统正常运行的情况达到最小的延时是需要解决的一个关键性技术问题，因此，本实施例将数据分为多个数据类型，具体至少包括：尽力而为的数据流、同步实时
数据流、异步实时数据流，根据不同的数据流，采用不同的控制措施，具体如下：
84.判断达到tsn入口模块的数据帧类型，若为低优先级的尽力而为的数据流类型，若尽力而为的数据帧并未建立发送数据流，则混合网关将数据帧的消息发送给网络控制器，位于网络控制器的上层应用程序将根据数据帧的消息属性决定是否丢弃或直接响应或传递；
85.若为传递，则网络应用将决定路由路劲并将数据流发送规则发送给混合交换机进行安装，记录在数据流表中。
86.对于异步实时流量控制的数据发送，发送者和接收者通过spr协议申明数据流；网络设备提交所有的spr协议包给网络控制器；
87.根据spr协议包，上层应用程序检查有效带宽是否在满足当前传输，若满足当前传输，则创建与当前数据流匹配的传输端口；
88.网络控制器根据接收到来自spr协议的数据在混合交换机中通过数据流预留表单进行记录并通过数据预留表单预留带宽；
89.传输异步实时数据流的混合交换机中，tsn入口模块通过数据预留表单通过识别流，正确转发至虚拟机网关，虚拟机网关通过数据流表转发数据流至对应的出入端口，并控制tsn出口控制模块的出入端口的带宽；
90.tsn出口控制模块根据门控调度器通过指定的出入端口发送至网络中。
91.对于同步实时流量控制的数据发送，发送者在对应的时间槽中定期发送已知最大大小的数据帧；
92.当数据帧通过tsn入口控制模块时，门控调度器根据时间控制表打开和关闭每个输出端口的特定优先级门，控制同步实时流量的数据发送。
93.当同步实时数据流量发生变化时(流量或路径发生变化)，网络控制器动态重新计算所有数据流的门控调度器和传输经历的路径；
94.通过添加或删除时间槽，周期内将时间槽向前或向后移动，以适配同步实时数据流量的变化。
95.通过上述，能够动态解决同步实时数据流量或路径发生变化的路径传输问题，系统能够自动进行配置，避免tsn协议标准只在于静态配置的缺点，当发生变化是，需要工程师手动进行配置。
96.具体地，由于车载网络较为复杂，根据当前车载网络配置，可能存在新增ecu、域控制器、混合交换机等情况，此时，已经配置的网络发生变化，此时需要更改传输配置，或者控制规则发生变化时，需要对网络中的混合交换机进行升级才能保证数据进行确定性的传输。具体地，本实施提供了一种解决方案，具体包括：
97.当网络路径中的混合交换机需要升级或发生变化时，网络控制器按照确定性的顺序锁定混合交换机；
98.然后通在所有混合交换机配置和验证候选配置，配置包括设置数据流预留表单、数据流表、门控调度器；
99.当验证成功后，网络控制器发送执行升级指令给混合交换机；
100.混合交换机发送完成升级的消息给网络控制器，网络控制器释放被锁定的混合交换机。
101.上述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。本领域的技术人员可以清楚，该实施例中的形式不局限于此，同时可调整方式也不局限于此。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。