作者 | 木槿

小編 |不吃豬頭肉

概述

1.1TSN與DDS的獨立優勢與局限

隨著智能網聯汽車和車載網絡架構的不斷迭代，車載網絡對實時性、確定性和高效數據分發的需求日益嚴苛。

TSN和DDS的結合為車載以太網提供了確定性實時通信（TSN）與靈活數據分發（DDS）的雙重優勢，尤其適用于自動駕駛、智能座艙等高要求場景。

圖1 DDS協議概述

其中，數據分發服務（DDS）是對象管理組織（OMG）制定的一系列標準，旨在為工業互聯網、信息物理系統和關鍵任務應用提供連接性、互操作性和可移植性。

優勢

高效數據分發：基于發布-訂閱模型，支持動態數據發現和異構系統互操作，適合車載多傳感器數據共享；

豐富的QoS策略：提供23種服務質量策略（如延遲預算、可靠性），可靈活適配不同應用場景；

平臺無關性：屏蔽底層OS和硬件差異，支持從MCU到域控制器的跨平臺部署。

劣勢

資源開銷大：完整DDS協議棧對MCU等資源受限設備負擔較重，需輕量化裁剪；

實時性依賴底層網絡：DDS的QoS策略（如延遲控制）需TSN等底層技術支持才能充分發揮。

圖2 TSN協議概述

時間敏感網絡（TSN）是由IEEE 802.1工作組下屬TSN任務組開發的標準集合，其目標是通過標準以太網實現確定性、高可靠性的通信。憑借對不同服務質量（QoS）級別的支持，單一TSN網絡基礎設施可同時傳輸具有實時性要求的關鍵數據與非關鍵數據。

優勢

確定性實時傳輸：基于IEEE 802.1標準（如Qbv流量調度、gPTP時間同步），TSN可保障關鍵數據（如剎車控制信號）的微秒級低延遲傳輸；

資源隔離與冗余：通過幀搶占（Qbu）和幀復制消除（802.1CB）機制，避免網絡擁塞并提升容錯性；

標準化硬件兼容：依托傳統以太網架構，降低部署成本。

劣勢

配置復雜：需靜態規劃流量優先級和時間窗口，難以適應動態場景（如突發V2X通信）；

僅解決底層問題：無法直接解決應用層的實時性挑戰（如任務調度抖動）。

圖3 TSN與DDS的獨立優劣與協同效應表現

上述兩種技術，不知道大家有沒有發現它們之間可以進行結合互補，更進一步產生協同效應？

1.2.兩者結合：垂直整合實現全棧確定性

通過OMG DDS-TSN規范的推進，兩者融合可產生以下協同效應：

DDS在應用層定義“需要什么樣的實時性”（What），TSN在網絡層解決“如何實現這種實時性”（How）。

圖4 DDS-TSN的結合實現

主要細分為以下幾部分

1. 分層協作：從應用到網絡的確定性貫通

DDS作為網絡通信中間件，DDS通過發布-訂閱模型管理數據分發邏輯，并定義端到端的QoS策略（如截止時間、可靠性、優先級），但依賴底層網絡滿足其實時性需求。

TSN作為底層（L2）技術，TSN通過時間同步、流量調度和幀搶占等機制，為以太網提供確定性傳輸能力，但不涉及應用層的數據語義與邏輯。

綜合來看，DDS的QoS需求（如低延遲、時序保障）需要TSN的網絡能力支撐，而TSN的確定性傳輸需要DDS的應用層調度配合。兩者結合后，形成“應用意圖→網絡執行”的閉環，實現真正的端到端確定性。

2. 時間同步的全局一致性

TSN通過IEEE 802.1AS實現整網的微秒級時間同步，為DDS的全局數據空間（如時間戳一致性、事件順序性）提供基礎。例如：DDS內置的TimeBasedFilter與TSN gPTP時鐘綁定，確保數據時效性判斷基于同一時間基準。

3.開放標準與解耦架構的兼容性

DDS不綁定特定網絡協議，TSN不限定上層應用，兩者均為開放標準。

這種解耦設計允許

DDS通過TSN網絡實現確定性傳輸，同時兼容非TSN網絡（如傳統IP網絡）；

TSN可同時承載DDS以外的其他協議（如HTTP、DoIP），最大化基礎設施利用率。

DDS-TSN實現

DDS-TSN實現不只需要從理論層面來陳述，還需走過設計-驗證的整個流程。接下來將從需求評估、方案設計，搭建原型，評估指標設計，實驗結果展示幾個方面來說明下如何具體實現DDS-TSN設計。

2.1.需求評估

所有的網絡設計方案都服務于功能場景需求，所以本階段的重要任務是需要將功能需求轉化為需要的usecase描述，并從中評估識別出關于數據流的實時性、可靠性、架構等需求，便于后續的TSN和DDS的方案設計。

收集整理車載網絡通信應用場景，分析應用層通信需求和約束條件，以自動駕駛舉例：

時間同步

傳輸時延約束

可靠性：盡力而為還是可靠重傳

鏈路冗余：數據是否需要鏈路冗余

……

圖5 自動駕駛相關功能場景

2.2.方案設計

在兩者結合的方案設計中，有2種方式來進行：

一個是在DDS設計的基礎上拓展TSN

另一種則是在TSN設計的基礎上拓展DDS

本文的方案設計采取前一種方式。首先設計DDS系統，然后在TSN上部署，實現兩者的結合。

1.TSN Talker/Listener和DDS DataWriter/DataReader之間的映射

DDS采用強類型的數據中心發布-訂閱模型，其中DataWriter負責更新特定類型數據，匹配的DataReader則監聽這些更新。

TSN同樣存在Talker（發送端）和Listener（接收端）概念，Talker可向多個Listener發送數據流。

如OMG DDS-TSN規范所定義，兩者映射的具體配置如下：

Talker定義為DataWriter（比如下圖中ECU1是作為stream1的Talker1，也是DDS的DataWriter1）

Listener定義為DataReader（比如下圖中ECU2是作為stream1的Listener1，也是DDS的DataReader1）

圖6 TSN Talker/Listener和DDS DataWriter/DataReader之間的映射示例

2.Topic和流量的映射

在DDS中Topic可以關聯多個發送端或接收端，會自動映射出多條流。而TSN中則是傳統的數據流傳輸，需要將二者聯系起來并唯一標識其中每條數據流。具體配置如下：

每個 TSNTalker 提供的TSN流量都應進行流標識處理，這個是進行映射的重要前提。

根據上一步需求評估的輸出來定義Topic，并映射到TSN流上。

例如，自動駕駛中某些Topic分類：

通過上表中的Topic分類原則，可將3個Topic分別映射到對應的流量上：Command-控制類、Info數據類、Cam圖像類，如下圖所示。

圖7 Topic和流量的映射

3.DDS QoS策略設計與TSN調度策略映射

DDS的QoS參數需與TSN的網絡調度策略相映射，形成端到端確定性保障。具體配置有：

通過VLAN PCP映射實現跨層優先級傳遞

冗余覆蓋單點故障場景，保障可靠性傳輸

基于TSN策略（優先級/Qbv）保障確定性傳輸

CBS/ATS降低交換機的內存使用

……

對于確定性傳輸，在DDS的QoS部署配置中，需要按需補充TSN策略中對應的參數（整形算法、門開/關時間等）。

例如，OMG DDS-TSN規范7.2.3中定義的TrafficSpecification中，增加了transmission_selection傳輸選擇算法參數：

將TrafficSpecification定義在DataWriterQoS中，將DDS的QoS需求與TSN的調度關聯起來，保證其確定性傳輸。

其余映射可根據實際需求進行設計實現。

4.DDS-RTPS層的處理

RTPS是DDS的默認底層通信協議，它定義了DDS實體（如Publisher/Subscriber）之間通過網絡交換數據的規則。DDSI-RTPS 對底層技術的要求很少，為在TSN網絡上實現確定性傳輸，對RTPS協議有一些特殊的要求。比如：

消息模塊中傳輸的子消息類型的限制，負責實現可靠性的RTPS子消息（例如GAP、ACKNACK、NACKFRAG）是非必要的，限制其傳輸

發現模塊（SPDP/SEDP）默認不區分TSN與非TSN應用，可能引發不匹配的通信，需要進行兩者之間的約束

……

具體的實現同樣依據實際需求。

5.協議映射

OMG提出兩種技術實現DDS和TSN的數據協議映射，提高協議棧運行效率：

RTPS/UDP/IP/TSN：將 RTPS 消息映射到 UDP 消息，由 TSN 網絡傳輸 UDP 消息，能夠解決傳統以太網的不確定性問題

RTPS/TSN：將 RTPS 消息直接映射到以太網幀，由 TSN 網絡傳輸以太網幀，能夠解決操作系統網絡 I/O 以及傳統以太網的不確定性問題

上述兩種方式在汽車領域中均有使用，本文方案設計采用后一種方式。

圖8 DDS-TSN的協議映射

2.3.搭建原型

DDS-TSN原型搭建分為：硬件配置和軟件配置兩部分。

硬件配置：采用支持TSN協議的交換機和開發板；

軟件配置：集成TSN和DDS協議棧的配置及參數定義，實現各個應用組件的TSN和DDS模塊配置。

圖9 DDS-TSN原型示意圖

2.4.評估指標設計

貫穿全文的是一個重點：DDS-TSN可實現確定性和可靠性端到端通信，故以可靠性和確定性時延兩個指標來評估。

1.可靠性驗證

對于需要有可靠性保證的Topic，在部署上會存在2個通路來進行數據傳輸，一個作為主運行通路，另一個作為備份。當主運行通路出現故障時，可通過CB協議自動切換至備份通路進行傳輸，保證其可靠性。作為對比，另一個實驗無冗余通路作為備份。然后對比驗證，兩種情況下的數據是否能正常傳輸。

2.確定性時延驗證

為了展示確定性傳輸的特性，需要使用Qbv協議對流進行保護。作為對比，另一個實驗無Qbv作為保護。然后對比驗證，兩種情況下的數據是否能正常傳輸。

2.5.實驗結果展示

針對上面2個指標的實驗，可以得到如下圖示結果：

圖10 DDS-TSN原型對比驗證可靠性結果示意圖

在使用CB對關鍵的數據流進行備份后，其中一個通路斷開不會對數據傳輸產生影響，而如果沒有CB的保護，數據流使用的通路斷開后將無法傳輸數據。

圖11 DDS-TSN原型對比驗證確定性時延結果示意圖

對于沒有Qbv保護的數據流會受到背景流量的影響，造成時延增加，而在Qbv保護下，背景流量不會影響主題數據的傳輸，能夠確保主題數據傳輸在限定時間內完成。

總結

通過上述實現的精細配置，DDS-TSN能夠將軟件定義的數據分發能力與硬件級的時間確定性深度結合，為實時系統提供 “既快又準”的通信基座。這一技術組合，正在成為自動駕駛等領域的核心基礎設施，重新定義實時系統的性能邊界。