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Ce changement a des conséquences très importantes sur les techniques de mise en réseau utilisées par les OEM pour coordonner les nombreuses fonctions différentes qui nécessitent un contrôle logiciel.

Les constructeurs déploient des microprocesseurs plus avancés pour les fonctions d’intelligence artificielle (IA) afin d’améliorer la sécurité et les performances de conduite, ainsi qu’un contrôle avancé pour optimiser l’efficacité énergétique. Ces changements conduisent à s’éloigner des conceptions conventionnelles où une unité de contrôle électronique est dédiée à chaque fonction discrète. Les constructeurs automobiles adoptent des architectures zonales pour tirer parti des hautes performances des SoC multicœurs. Dans ces architectures, le véhicule est divisé en plusieurs zones identifiées par leur emplacement plutôt que par leur fonction. Les applications, allant du contrôle de la conduite aux services d’infodivertissement, seront réparties entre les processeurs de chacune de ces zones.

Figure 1 : Dans une architecture zonale, la majeure partie du traitement est effectuée par des ordinateurs centraux, ou contrôleurs hautes performances (HPC), qui sont connectés via Ethernet automobile multi-gigabit aux unités de contrôle électronique (ECU) de zone

Pour garantir la fiabilité et la sécurité des données qui circulent dans le véhicule, toutes les communications sont assurées par des passerelles zonales. Ces passerelles permettent de garantir que les paquets de faible priorité, tels que les pièces jointes de courriels livrés aux passagers, ne retardent pas la transmission des données vitales en temps réel nécessaires au freinage ou au contrôle de la conduite. Pour cette raison, les réseaux automobiles utilisés dans les architectures zonales sont passés à des formes de la norme Ethernet qui imposent un comportement en temps réel.

Des tests en interne à Toshiba ont montré l’importance pour les systèmes automobiles des changements apportés par les améliorations du Time-Sensitive Networking (TSN, réseau sensible au temps) par rapport à la conception optimale (best-effort) de l’Ethernet traditionnel. Pour démontrer un environnement de test réaliste, les ingénieurs de Toshiba ont construit un réseau qui émule le comportement d’un nœud de stockage connecté par Ethernet à des contrôleurs WiFi utilisés pour implémenter la base d’un point d’accès sans fil embarqué. Le code implémenté sur les SoC hôtes a été conçu pour émuler les applications typiques de l’automobile : une passerelle zonale ; le streaming audio-vidéo ; la prise en charge des points d’accès sans fil ; et des transferts de stockage de masse. Les tests ont montré que la vidéo envoyée à l’aide du protocole AVB, qui tire parti des fonctionnalités TSN, reste synchronisée et fluide tandis que le trafic relayé à l’aide d’un protocole best effort subit des retards plus importants à mesure que la pression sur le réseau augmente.

Figure 2 : Conception du réseau utilisée pour tester les propriétés TSN

Pour améliorer le comportement en temps réel du réseau, les extensions TSN à Ethernet comprennent un certain nombre d’options qui optimisent la qualité de service (QoS) et rendent possibles diverses architectures en temps réel. Le cœur de TSN repose sur la norme IEEE 802.1AS, également connue sous le nom de Generalized Precision Time Protocol (gPTP, protocole de temps de précision généralisé).

En fournissant un mécanisme garantissant que tous les nœuds d’un réseau Ethernet peuvent s’accorder sur une heure commune, avec un certain degré d’erreur, gPTP fournit la base d’une variété de protocoles qui imposent la livraison des paquets en temps voulu. Plutôt que d’exiger l’utilisation d’horloges de haute précision dans chaque nœud communicant, gPTP permet aux périphériques d’extrémité de simplement s’accorder sur une heure locale commune et ce avec une précision inférieure à la microseconde.

Le protocole traite des problèmes rencontrés par les contrôleurs dans l’environnement automobile, où les différences de tension, de température et d’autres conditions peuvent entraîner une dérive des horloges l’une par rapport à l’autre. En maintenant l’accord entre les nœuds, gPTP garantit que tous les contrôleurs du réseau peuvent s’entendre sur une chronologie cohérente.

Grâce à cette chronologie commune, les contrôleurs de réseau peuvent prendre en charge la mise en forme temporelle du trafic et de la planification des paquets. Le principe de cette mise en forme du trafic est d’éviter que les paquets avec des contraintes de latence soient affectés par des paquets qui peuvent être livrés de manière moins prioritaire. Les nœuds se mettent d’accord sur les limites temporelles pour la livraison de paquets avec une latence de transmission de bout en bout et les font respecter. Les paquets sensibles au temps - se trouvant dans les tampons de sortie dédiés d’un nœud expéditeur - sont transmis pendant un créneau horaire réservé et bénéficient donc de garanties de temps de livraison plus solides.

La norme IEEE 802.1Qbv impose des planifications strictes pour le trafic sensible au temps. L’ordonnanceur utilisé par la norme IEEE 802.1Qbv alloue des cycles périodiques pour prendre en charge des tranches de temps de longueur fixe, chacune étant allouée à un certain niveau de priorité. Ainsi, une application ayant la priorité correspondant à la tranche temporelle se voit accorder l’utilisation exclusive du réseau pendant la durée de cette tranche de temps. Le trafic de best effort fait la queue pour accéder aux périodes où aucun paquet de priorité supérieure n’est transmis. En principe, l’utilisation de la norme IEEE 802.1Qbv réduit la variance du retard sur le chemin pour le trafic qui nécessite des garanties de livraison.

Les extensions IEEE 802.1Qbu et IEEE 802.3br, qui implémentent la capacité d’un nœud à interrompre l’envoi d’un long paquet à faible priorité et à insérer un ou plusieurs paquets critiques à sa place avant de reprendre la transmission des données d’origine, apportent d’autres améliorations de comportement en temps réel. Les protocoles diffèrent dans la façon dont ils ciblent les diverses couches de la pile Ethernet. Alors que la norme IEEE 803.2br est une norme de couche physique, la norme 802.1Qbu fonctionne au niveau de la couche de contrôle d’accès au support (MAC) et est utilisée pour gérer la préemption de trame en fonction des politiques de priorité du réseau et du trafic.

Les concepteurs de systèmes n’ont pas besoin de diviser l’ensemble du trafic en deux catégories : planification best effort ou planification stricte. La régulation du trafic basée sur le crédit a été introduite avec la norme IEEE 802.1Qav et peut être utilisée pour envoyer des paquets qui nécessitent une meilleure gestion des données sensibles au temps, mais où des garanties de synchronisation strictes ne sont pas requises. Les nœuds peuvent utiliser ce système basé sur le crédit, par exemple, pour fournir des trames vidéo où la latence de bout en bout n’est pas critique et ont donc une priorité inférieure à celle des données critiques d’un capteur qui utilisent les tranches de temps basées sur la priorité IEEE 802.1Qbv.

Le problème auquel peuvent être confrontés les OEM automobiles lorsqu’ils créent des réseaux pour les architectures zonales de leurs véhicules est que, bien que les SoC puissent prendre en charge l’Ethernet standard, ils ne possèdent pas les capacités supplémentaires du TSN. En outre, bien qu’il soit important que les passerelles zonales prennent en charge le TSN, de nombreux autres points de terminaison auront également des exigences strictes en temps réel qui ne peuvent pas être supportées en se connectant à une passerelle via une interface non TSN. Par exemple, les périphériques audio tels que les contrôleurs de microphone et les concentrateurs de capteurs peuvent avoir une prise en charge Ethernet conventionnelle, mais devront être capables de négocier des créneaux horaires de transmission basés sur le crédit ou sur leur niveau critique en terme temporel.

Les capacités TSN peuvent être fournies grâce à l’utilisation d’interfaces dédiées Ethernet en temps réel telles que les TC9562 et TC9563 de Toshiba. Il s’agit de deux contrôleurs Ethernet hautement intégrés avec prise en charge complète de gPTP, IEEE 802.1Qav, IEEE 802.1Qbv et d’autres éléments nécessaires à des communications fiables en temps réel où une bande passante élevée est une exigence primordiale. Le TC9562 prend en charge Ethernet 1 Gbit/s, ce qui le destine aux terminaux qui ont besoin d’une capacité de bande passante élevée. Le TC9563 étend la capacité réseau à deux ports, tous deux capables de prendre en charge 10 Gbit/s.

Outre ses deux interfaces Ethernet, le TC9563 intègre un processeur Arm Cortex-M3, offrant la possibilité d’exécuter un logiciel de surveillance et de contrôle. Cela permet de surveiller les erreurs et l’état sur le réseau afin d’améliorer la fiabilité globale. Pour prendre en charge les clusters de capteurs avancés et de modules de calcul connectés localement, le TC9562 implémente une interface PCIe Gen 2.0 et le TC9563 intègre un commutateur PCIe avec prise en charge d’un port Gen 3.0 en amont et de deux ports Gen 3.0 en aval.

Les services qui ont besoin de la puissance des SoC hautes performances pour offrir un contrôle amélioré par l’IA et une capacité multimédia de qualité supérieure ne sont possibles que si les applications peuvent compter sur la livraison des paquets dans des fenêtres de temps programmées. Les améliorations TSN apportées à Ethernet fournissent la base pour répondre à cette condition. Leur mise en œuvre dans les composants tels que les TC9562 et TC9563 de Toshiba garantit que les OEM et les intégrateurs de systèmes ont accès au support TSN dont ils auront besoin pour mettre en œuvre ces conceptions de véhicules avancées.

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