DDS-TSN到底是如何实现的？

概述

TSN与DDS的独立优势与局限

随着智能网联汽车和车载网络架构的不断迭代，车载网络对实时性、确定性和高效数据分发的需求日益严苛。

TSN和DDS的结合为车载以太网提供了确定性实时通信（TSN）与灵活数据分发
（DDS）的双重优势，尤其适用于自动驾驶、智能座舱等高要求场景。

图1 DDS协议概述

其中，数据分发服务（DDS）是对象管理组织（OMG）制定的一系列标准，旨在为工业互联网、信息物理系统和关键任务应用提供连接性、互操作性和可移植性。

其优势是：

• 高效数据分发：基于发布-订阅模型，支持动态数据发现和异构系统互操作，适合车载多传感器数据共享；
• 丰富的QoS策略：提供23种服务质量策略（如延迟预算、可靠性），可灵活适配不同应用场景；
• 平台无关性：屏蔽底层OS和硬件差异，支持从MCU到域控制器的跨平台部署；

劣势是：

• 资源开销大：完整DDS协议栈对MCU等资源受限设备负担较重，需轻量化裁剪；
• 实时性依赖底层网络：DDS的QoS策略（如延迟控制）需TSN等底层技术支持才能充分发挥；

图2 TSN协议概述

时间敏感网络（TSN）是由IEEE802.1工作组下属TSN任务组开发的标准集合，其目标是通过标准以太网实现确定性、高可靠性的通信。凭借对不同服务质量（QoS）级别的支持，单一TSN网络基础设施可同时传输具有实时性要求的关键数据与非关键数据。

其优势是：

• 确定性实时传输：基于IEEE 802.1标准（如Qbv流量调度、gPTP时间同步），TSN可保障关键数据（如刹车控制信号）的微秒级低延迟传输。
• 资源隔离与冗余：通过帧抢占（Qbu）和帧复制消除（802.1CB）机制，避免网络拥塞并提升容错性。
• 标准化硬件兼容：依托传统以太网架构，降低部署成本。

劣势是：

• 配置复杂：需静态规划流量优先级和时间窗口，难以适应动态场景（如突发V2X通信）。
• 仅解决底层问题：无法直接解决应用层的实时性挑战（如任务调度抖动）

图3 TSN与DDS的独立优劣与协同效应表现

上述两种技术，不知道大家有没有发现它们之间可以进行结合互补，更进一步产生协同效应？

两者结合：垂直整合实现全栈确定性

通过OMG DDS-TSN规范的推进，两者融合可产生以下协同效应：

DDS在应用层定义“需要什么样的实时性”（What），TSN在网络层解决“如何实现这种实时性”（How）。

图4 DDS-TSN的结合实现

主要细分为以下几部分：

1. 分层协作：从应用到网络的确定性贯通

DDS作为网络通信中间件，DDS通过发布-订阅模型管理数据分发逻辑，并定义端到端的QoS策略（如截止时间、可靠性、优先级），但依赖底层网络满足其实时性需求。

TSN作为底层（L2）技术，TSN通过时间同步、流量调度和帧抢占等机制，为以太网提供确定性传输能力，但不涉及应用层的数据语义与逻辑。

综合来看，DDS的QoS需求（如低延迟、时序保障）需要TSN的网络能力支撑，而TSN的确定性传输需要DDS的应用层调度配合。两者结合后，形成“应用意图→网络执行”的闭环，实现真正的端到端确定性。

2. 时间同步的全局一致性

TSN通过IEEE 802.1AS实现整网的微秒级时间同步，为DDS的全局数据空间（如时间戳一致性、事件顺序性）提供基础。例如：DDS内置的TimeBasedFilter与TSN gPTP时钟绑定，确保数据时效性判断基于同一时间基准。

3.开放标准与解耦架构的兼容性

DDS不绑定特定网络协议，TSN不限定上层应用，两者均为开放标准。

这种解耦设计允许：

DDS通过TSN网络实现确定性传输，同时兼容非TSN网络（如传统IP网络）；

TSN可同时承载DDS以外的其他协议（如HTTP、DoIP），最大化基础设施利用率。

DDS-TSN实现

DDS-TSN实现不只需要从理论层面来陈述，还需走过设计-验证的整个流程。接下来将从需求评估、方案设计，搭建原型，评估指标设计，实验结果展示几个方面来说明下如何具体实现DDS-TSN设计。

需求评估

所有的网络设计方案都服务于功能场景需求，所以本阶段的重要任务是需要将功能需求转化为需要的usecase描述，并从中评估识别出关于数据流的实时性、可靠性、架构等需求，便于后续的TSN和DDS的方案设计。

收集整理车载网络通信应用场景，分析应用层通信需求和约束条件，以自动驾驶举例：

• 时间同步
• 传输时延约束
• 可靠性：尽力而为还是可靠重传
• 链路冗余：数据是否需要链路冗余

图5 自动驾驶相关功能场景

方案设计

在两者结合的方案设计中，有2种方式来进行：

• 一个是在DDS设计的基础上拓展TSN
• 另一种则是在TSN设计的基础上拓展DDS

本文的方案设计采取前一种方式。首先设计DDS系统，然后在TSN上部署，实现两者的结合。

TSN Talker/Listener和DDS DataWriter/DataReader之间的映射

DDS采用强类型的数据中心发布-订阅模型，其中DataWriter负责更新特定类型数据，匹配的DataReader则监听这些更新。

TSN同样存在Talker（发送端）和Listener（接收端）概念，Talker可向多个Listener发送数据流。

如OMG DDS-TSN规范所定义，两者映射的具体配置如下：

• Talker定义为DataWriter（比如下图中ECU1是作为stream1的Talker1，也是DDS的DataWriter1）
• Listener定义为DataReader（比如下图中ECU2是作为stream1的Listener1，也是DDS的DataReader1）

图6 TSN Talker/Listener和DDS DataWriter/DataReader之间的映射

Topic和流量的映射

在DDS中Topic可以关联多个发送端或接收端，会自动映射出多条流。而TSN中则是传统的数据流传输，需要将二者联系起来并唯一标识其中每条数据流。具体配置如下：

• 每个 TSNTalker 提供的TSN流量都应进行流标识处理，这个是进行映射的重要前提。
• 根据上一步需求评估的输出来定义Topic，并映射到TSN流上。

例如，自动驾驶中某些Topic分类：

通过上表中的Topic分类原则，可将3个Topic分别映射到对应的流量上：Command-控制类、Info数据类、Cam图像类，如下图所示。

图7 Topic和流量的映射

DDS QoS策略设计与TSN调度策略映射

DDS的QoS参数需与TSN的网络调度策略相映射，形成端到端确定性保障。具体配置有：

• 通过VLAN PCP映射实现跨层优先级传递
• 冗余覆盖单点故障场景，保障可靠性传输
• 基于TSN策略（优先级/Qbv）保障确定性传输
• CBS/ATS降低交换机的内存使用

对于确定性传输，在DDS的QoS部署配置中，需要按需补充TSN策略中对应的参数（整形算法、门开/关时间等）。

例如，OMG DDS-TSN规范7.2.3中定义的TrafficSpecification中，增加了transmission_selection传输选择算法参数：

将TrafficSpecification定义在DataWriterQoS中，将DDS的QoS需求与TSN的调度关联起来，保证其确定性传输。

其余映射可根据实际需求进行设计实现。

DDS-RTPS层的处理

RTPS是DDS的默认底层通信协议，它定义了DDS实体（如Publisher/Subscriber）之间通过网络交换数据的规则。DDSI-RTPS 对底层技术的要求很少，为在TSN网络上实现确定性传输，对RTPS协议有一些特殊的要求。比如：

• 消息模块中传输的子消息类型的限制，负责实现可靠性的RTPS子消息（例如GAP、ACKNACK、NACKFRAG）是非必要的，限制其传输
• 发现模块（SPDP/SEDP）默认不区分TSN与非TSN应用，可能引发不匹配的通信，需要进行两者之间的约束

具体的实现同样依据实际需求。

协议映射

OMG提出两种技术实现DDS和TSN的数据协议映射，提高协议栈运行效率：

• RTPS/UDP/IP/TSN：将 RTPS 消息映射到 UDP 消息，由TSN 网络传输 UDP 消息，能够解决传统以太网的不确定性问题
• RTPS/TSN：将RTPS 消息直接映射到以太网帧，由 TSN 网络传输以太网帧，能够解决操作系统网络 I/O 以及传统以太网的不确定性问题

上述两种方式在汽车领域中均有使用，本文方案设计采用后一种方式。

图8 DDS-TSN的协议映射

搭建原型

DDS-TSN原型搭建分为：硬件配置和软件配置两部分。

• 硬件配置：采用支持TSN协议的交换机和开发板；
• 软件配置：集成TSN和DDS协议栈的配置及参数定义，实现各个应用组件的TSN和DDS模块配置；

图9 DDS-TSN原型示意图

评估指标设计

贯穿全文的是一个重点：DDS-TSN可实现确定性和可靠性端到端通信，故以可靠性和确定性是延两个指标来评估。

可靠性验证

对于需要有可靠性保证的Topic，在部署上会存在2个通路来进行数据传输，一个作为主运行通路，另一个作为备份。当主运行通路出现故障时，可通过CB协议自动切换至备份通路进行传输，保证其可靠性。作为对比，另一个实验无冗余通路作为备份。然后对比验证，两种情况下的数据是否能正常传输。

确定性时延验证

为了展示确定性传输的特性，需要使用Qbv协议对流进行保护。作为对比，另一个实验无Qbv作为保护。然后对比验证，两种情况下的数据是否能正常传输。

实验结果展示

针对上面2个指标的实验，可以得到如下图示结果：

图10 DDS-TSN原型对比验证可靠性结果示意图

• 在使用CB对关键的数据流进行备份后，其中一个通路断开不会对数据传输产生影响，而如果没有CB的保护，数据流使用的通路断开后将无法传输数据。

图11 DDS-TSN原型对比验证确定性时延结果示意图

• 对于没有Qbv保护的数据流会受到背景流量的影响，造成时延增加，而在Qbv保护下，背景流量不会影响主题数据的传输，能够确保主题数据传输在限定时间内完成。

总结

通过上述实现的精细配置，DDS-TSN能够将软件定义的数据分发能力与硬件级的时间确定性深度结合，为实时系统提供 “既快又准”的通信基座。这一技术组合，正在成为自动驾驶等领域的核心基础设施，重新定义实时系统的性能边界。