现代智能汽车系统——网络

在上一篇，我们解决了大脑（算力）的确定性问题。现在，我们面临一个新的挑战：当大脑发出指令后，如何确保神经（网络）不掉链子？

在传统的汽车里，刹车信号走 CAN 总线，视频信号走 LVDS，井水不犯河水。但在 Zonal 架构 下，所有的信号（雷达、摄像头、刹车、爱奇艺视频、OTA 包）都被塞进了一根以太网线里。

如果这时候正在下载 OTA 包占满了带宽，刹车信号挤不上去怎么办？

这就是 TSN (Time Sensitive Networking，时间敏感网络) 存在的意义------它让以太网从"尽力而为"变成了"使命必达"。

TSN (时间敏感网络) 实战

1 确定性通信刚需：网络拥堵是致命的

在 IT 领域，网页加载慢 1 秒钟，你只会刷新一下。但在 OT (Operational Technology) 领域，刹车信号晚到 10 毫秒，可能就是一起追尾事故。

传统以太网 (Best Effort) ：
- 机制：先到先得。如果交换机缓存满了，后来的数据包会被丢弃或排队。
- 风险：数据包延迟是随机的 (Stochastic)，可能 1ms，也可能 100ms。这对控制系统是不可接受的。
TSN (Deterministic) ：
- 机制：给关键数据发"特权卡"。
- 目标：零丢包 ，有界延迟（保证延迟永远不超过某个固定值，如 50us）。

2 核心协议族详解：TSN 的三驾马车

TSN 不是一个协议，而是一组 IEEE 802.1 标准协议族。对于汽车而言，最重要的有三个：同步、调度、冗余。

(1) 802.1AS (gPTP) ------ 时间同步：全车对表

在一个分布式系统里，如果大家的表不准，协同就是空谈。

场景：
- 左前轮雷达在 T1 时刻发现障碍物。
- 右前轮摄像头在 T2 时刻确认障碍物。
- 如果雷达的时间比摄像头慢了 10ms，中央大脑融合时就会产生空间错位，以为障碍物在两个不同的位置。
机制：
- 全车选取一个 主时钟 (Grandmaster Clock)，通常是中央 HPC。
- 所有节点（ZCU、雷达、摄像头）作为 从时钟 (Slave Clock)。
- 通过精密的 PTP 报文交互，计算出传输线路的延迟，不断校准自己的本地时钟。
精度：实现全车节点时间误差 < 1微秒。这为多传感器融合提供了统一的时间基准。

(2) 802.1Qbv (TAS) ------ 时间感知整形：公交专用道

这是解决网络拥堵的终极杀招。

原理：将以太网传输时间切分为一个个循环的周期 (Cycle)。
门控机制 (Gate Control List) ：交换机的每个输出队列都有一个"闸门"。
- t0 ~ t1 (控制时隙) ：
  - 打开高优先级队列的门（刹车、转向信号）。
  - 关闭低优先级队列的门（视频、日志）。
  - 此时，整条网线不仅是空的，而且是绝对干净的，刹车信号可以光速通过，零干扰。
- t1 ~ t2 (尽力而为时隙) ：
  - 打开低优先级队列的门。这时候视频流、OTA 数据包开始传输。
效果：无论视频流多大，到了 t0 时刻必须停下来让路。就像早高峰的公交专用道，私家车（普通流量）堵死也不许进。

(3) 802.1CB (FRER) ------ 帧复制与消除：双保险

对于 ASIL-D 级别的信号，光快还不够，还得不丢。

场景：车辆剧烈颠簸，某根网线接触不良，或者交换机某端口偶发故障导致丢包。
机制：
- 发送端 (Talker) ：把关键数据包（如"紧急刹车"）复制一份，打上同样的序列号。
- 网络路径 ：两份数据包走两条不同的物理路径（比如环网的左半环和右半环）传输。
- 接收端 (Listener) ：
  - 如果先收到了副本 A，收下。
  - 过了一会儿收到了副本 B，检查序列号，发现是重复的，直接丢弃。
价值：实现了无缝冗余。即使一条路断了，另一条路的数据依然能按时到达，应用层完全无感，不需要像 TCP 那样等待超时重传（重传至少几百毫秒，黄花菜都凉了）。

总结：

TSN 是智能汽车的数字交警。

802.1AS 统一了全车的时间基准。
802.1Qbv 建立了数据传输的等级秩序。
802.1CB 提供了通信的最后一道防线。

有了 TSN，Zonal 架构下那根承载了所有数据的以太网骨干线，才能真正变得安全可靠。

在解决了"通信规则"（TSN）之后，我们需要搭建"物理道路"（拓扑）。

在分布式时代，汽车网络像蜘蛛网（星型）；在域控时代，像树枝（树型）。而到了 Zonal 时代 ，为了极致的可靠性和线束优化，网络拓扑变成了一个闭环。

同时，随着算力集中，单一芯片内部或板级芯片之间的数据吞吐量达到了惊人的级别，我们需要比以太网更快的超高速互联技术。

环网与片间互联

1 环形网络 (Ring Topology)：坚不可摧的数字长城

(1) 为什么是环网？

在 Zonal 架构下，所有的鸡蛋都装在 4 个 ZCU 的篮子里。如果中央计算 (CCU) 到某个 ZCU 的网线断了，那么整整 1/4 辆车（比如整个左前区域的雷达、车灯、刹车）就会失联。这是灾难性的。

星型/树型拓扑：单点故障即瘫痪。
环型拓扑 ：
- 架构：CCU -> ZCU_FL -> ZCU_RL -> ZCU_RR -> ZCU_FR -> CCU。所有节点手拉手，首尾相连。
- 所有节点通过高速以太网线（如 10G-T1 或光纤）首尾相连，形成一个封闭的圆环。
- 优势：双向冗余。任何一段线缆断开（比如车祸撞断了左侧线束），数据可以立马从右侧反方向绕过来，业务完全不受影响。

(2) 自愈协议：HSR / PRP

普通的以太网生成树协议 (RSTP) 也能处理环路，但恢复时间需要 几百毫秒 。对于时速 120km/h 的车，断网几百毫秒意味着失控。我们需要 零切换时间。

这里用到了工业级的高可靠性协议（通常基于 802.1CB 的扩展）：

(3) 成本与收益

HSR (High-availability Seamless Redundancy) ：
- 机制：数据包一发出，就向左、向右同时发送两个副本。
- 结果：只要环不断成两截，接收端总能收到至少一份数据。
- 特点：零丢包，零切换时间。这是真正的"无缝"冗余。
工程代价 ：
- 带宽减半（因为发了双份数据）。
- 每个 ZCU 的 Switch 芯片必须支持硬件级的 HSR/PRP 转发（普通交换机芯片做不到）。
HSR (High-availability Seamless Redundancy) ：
- 机制：数据包一出生就是双胞胎。
  - 源节点（如 HPC）发送数据包 A 时，向左发一份 A1，向右发一份 A2。
  - 两份数据沿着环网相反方向奔跑。
- 正常情况：目的节点（如 ZCU_RL）会先后收到 A1 和 A2。它收下先到的，丢弃后到的。
- 断线情况：假设左边的路断了，A1 丢了。但 A2 依然可以从右边绕过来到达目的地。
- 结果：零切换时间 (Zero Switchover Time)。应用层完全感知不到物理线路断了，没有任何一个数据包丢失。
PRP (Parallel Redundancy Protocol) ：
- 原理类似，利用两个完全独立的局域网（LAN A 和 LAN B）同时发包。
成本：带宽减半（因为发了双份），交换机芯片需要支持硬件 HSR/PRP。
收益：获得了物理层面的Fail-Operational (故障运行) 能力。这是自动驾驶冗余系统的必要条件。

2 芯片间互联 (Chip-to-Chip)：打破板级瓶颈

当所有的算力都集中到一个盒子里（HPC）时，板子上的两颗大芯片（比如两颗 Orin，或者 Orin + 8295）之间怎么说话？用以太网太慢了（10Gbps 是瓶颈），延迟也太高。

(1) PCIe Switch：板内高速公路

PCIe 不再只是电脑里插显卡的接口，它成了车载 HPC 内部的骨干网。

现状：
- HPC 内部通常有一颗 PCIe Switch 芯片（如 Microchip 或 Broadcom）。
- 智驾 SoC 、座舱 SoC 、NVMe SSD 、5G 模组 都挂在这颗 Switch 上。
性能：
- PCIe 4.0 ：单通道 16Gbps，x4 通道就是 64Gbps。
- PCIe 5.0 ：x4 通道高达 128Gbps。
应用：
- NTB (Non-Transparent Bridge) ：通过 PCIe Switch 的 NTB 功能，两颗 SoC 的内存空间可以映射在一起。智驾 SoC 写内存，座舱 SoC 直接读，就像读自己的内存一样快。这是实现 舱驾数据高速融合 的物理基础。

(2) UCIe & Chiplet：未来的积木式芯片

随着摩尔定律放缓，把所有功能（CPU/GPU/NPU/IO）都做进一颗 3nm 芯片里变得极其昂贵且良率低。

Chiplet (芯粒) ：把大芯片切碎。
- 买一颗 5nm 的 AI 芯粒（算力强）。
- 买一颗 7nm 的 CPU 芯粒（通用计算）。
- 买一颗 14nm 的 IO 芯粒（接口丰富，便宜）。
- 像搭积木一样封装在同一个基板上。
UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) ：
- 这是 Chiplet 之间的标准接口协议（类似于板级 PCIe，但距离微米级，功耗极低）。
- 未来展望：车企可能不再买英伟达的标准芯片，而是自己定义架构："我要英伟达的 GPU 芯粒 + 高通的 CPU 芯粒 + 自己的 NPU 芯粒，封装成一颗专属芯片。" 这将是造车新势力的下一个技术高地。

总结：

如果说 TSN 是交通规则，那么环网就是抗震的高速公路，而 PCIe/UCIe 则是城市内部的超级高铁。

在车身层面，环网保证了"砍不亦死"的强壮性。
在板级层面，PCIe/UCIe 保证了海量数据在芯片间的"光速流转"。

这两者共同构成了智能汽车庞大神经系统的物理载体。

传统的 CAN 总线是羊肠小道，传统以太网是拥堵的城市道路，而 TSN + 环网 + PCIe 则是构建了一套**"带时刻表的高铁系统"**：

准时 (TSN)：几点几分发车，毫秒不差。
不堵 (Qbv)：刹车信号有专用车道，闲杂车辆避让。
不断 (Ring/CB)：断了一条路，还有备用路，无缝切换。
极速 (PCIe/UCIe)：核心枢纽内部的数据交换快如闪电。

这套通信架构是 L3+ 自动驾驶和下一代智能座舱能够安全落地的前提条件。