一直以來最大的遺憾是沒有入“碼農(nóng)”的坑，這決定了職業(yè)生涯中可能要干除了寫代碼以外的任何工作。前腳剛完成對(duì)潛在客戶的自動(dòng)駕駛啟蒙任務(wù)，后腳就要梳理自動(dòng)駕駛?cè)哂嗉軜?gòu)下針對(duì)“交換機(jī)”的選型需求。

“交換機(jī)”串聯(lián)起智駕域內(nèi)的傳感器，域控制器和黑匣子等零件，提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、虛擬網(wǎng)絡(luò)劃分、鏈路聚合等功能?！敖粨Q機(jī)”在各家自動(dòng)駕駛公司存在的形態(tài)不盡相同，有用一個(gè)單獨(dú)的零件實(shí)現(xiàn)這些功能，也有將其集成在域管理器或域控制器之中。本文后續(xù)統(tǒng)一用加了雙引號(hào)的“交換機(jī)”指代具有這類功能的零件。自動(dòng)駕駛?cè)谠挼谑?，筆者就將吐血梳理出來的智駕域冗余架構(gòu)下“交換機(jī)”所需支持的典型功能分享給各位老友。

冗余架構(gòu)為什么需要“交換機(jī)”

下圖展示了一種智駕域典型的冗余架構(gòu)邏輯框圖，冗余架構(gòu)要支持感知冗余，計(jì)算冗余、數(shù)據(jù)備份。感知冗余可以通過激光雷達(dá)、感知相機(jī)、毫米波雷達(dá)、GNSS等多傳感器深度融合實(shí)現(xiàn)多層冗余感知，計(jì)算冗余通過備份的智駕域控制器來實(shí)現(xiàn)冗余計(jì)算、數(shù)據(jù)備份通過黑匣子同步完成關(guān)鍵感知數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

傳感器的感知數(shù)據(jù)如何同步、同等的傳輸給兩個(gè)智駕域控制器和一個(gè)黑匣子？多個(gè)傳感器與兩個(gè)智駕域控制器之間如何進(jìn)行精確時(shí)間同步？整個(gè)智駕域如何保證帶寬資源的合理利用、整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全？“交換機(jī)”便在這樣的需求背景下應(yīng)運(yùn)而生，成為替智駕域青年男女牽線的“紅娘”。

網(wǎng)絡(luò)分層模型

“交換機(jī)”雖是本文的主角，但作為一種網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，如果不介紹它賴以生存的“母親河”-網(wǎng)絡(luò)分層模型，總感覺有越級(jí)匯報(bào)的嫌疑。OSI（Open System Interconnection,開放系統(tǒng)互聯(lián)）參考模型是ISO（International Organization for Standardization，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）在1978年提出的一種概念模型，用于指導(dǎo)復(fù)雜通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、解決網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題。

OSI參考模型將通信系統(tǒng)分為七層，每一層邊界清晰，實(shí)現(xiàn)特定的功能，同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)化接口與上下層進(jìn)行通信。OSI七層模型從下往上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。下面四層完成數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，上面三層面向用戶。

物理層：確保原始的比特流數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為適合在物理媒介上傳輸?shù)碾娮有盘?hào)；

數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為比特流；

網(wǎng)絡(luò)層：好比一個(gè)十字路口，前方有一路向西的取經(jīng)之路，有一路向東的落草為寇之路，而網(wǎng)絡(luò)層主要就是決定數(shù)據(jù)包要走哪條路；

傳輸層：負(fù)責(zé)決定報(bào)文是通過復(fù)雜的流程可靠的傳輸給對(duì)方，還是通過簡(jiǎn)單的流程在不保證可靠的盡快的傳輸給對(duì)方；

會(huì)話層：負(fù)責(zé)決定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間何時(shí)建立連接、保持多久、何時(shí)斷開連接等的通信建立、管理和終止工作；

表示層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、如編解碼、加解密等；

應(yīng)用層：負(fù)責(zé)應(yīng)用程序間通信的細(xì)節(jié)。

OSI參考模型的過于完美、完善，宛如高冷女神不可一世，嚇退了無數(shù)寒門子弟。而此時(shí)另外一種分層模型在廣大寒門子弟間已經(jīng)小范圍流行，比OSI參考模型更加簡(jiǎn)潔、更加高效，更加開放，也得到了越來越多達(dá)官顯貴的認(rèn)可，這便是小家碧玉型美女TCP/IP(Transfer Control Protocol/Internet Protocol,傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)模型。

TCP/IP模型將網(wǎng)絡(luò)劃分為四個(gè)層次或五個(gè)層次，和OSI參考模型各層的對(duì)照關(guān)系如下圖所示，每一層實(shí)現(xiàn)的功能和OSI參考模型中對(duì)應(yīng)一層或幾層的功能相似。每層分別定義不同的協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)特定的功能，而這一組協(xié)議的集合被稱為TCP/IP協(xié)議棧。名字中的TCP取自傳輸層舉足輕重的協(xié)議TCP，IP取自網(wǎng)絡(luò)層位高權(quán)重的協(xié)議IP。TCP/IP協(xié)議棧已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)通信的核心協(xié)議。

而本文介紹的“交換機(jī)”，就是一種工作在數(shù)據(jù)鏈路層，也就是常說的二層交換機(jī)。目前也出現(xiàn)了三層交換機(jī)，通過在二層交換機(jī)之上引入三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，解決了局域網(wǎng)中虛擬網(wǎng)絡(luò)劃分之后，網(wǎng)段中子網(wǎng)必須依賴路由器進(jìn)行管理的局面。但本文重點(diǎn)介紹二層交換機(jī)的典型功能，涉及到的三層轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)僅就一筆帶過。

“交換機(jī)”的工作原理

交換機(jī)是一種用于電（光）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可為接入交換機(jī)的任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的電（光）信號(hào)通路。交換機(jī)基于MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問識(shí)別）地址識(shí)別，完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。MAC地址是寫入到網(wǎng)絡(luò)硬件內(nèi)部的地址，具有唯一性和不可重復(fù)性。

交換機(jī)首先學(xué)習(xí)每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將端口和MAC地址的映射關(guān)系存放到交換機(jī)緩存的MAC地址表中。下次收到要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀，首先檢查該數(shù)據(jù)幀發(fā)往的目的MAC地址是否在MAC地址表中，若在，則將數(shù)據(jù)幀發(fā)往相應(yīng)的端口，若不在，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要分為兩種方式：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和直通式。在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中，交換機(jī)首先接收整個(gè)數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行錯(cuò)誤檢驗(yàn)，如果沒有錯(cuò)誤才會(huì)將數(shù)據(jù)幀發(fā)往目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口。在這種方式中，數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延隨長度的不同而變化。在直通式中，交換機(jī)不進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)，只要識(shí)別出目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口，即開始轉(zhuǎn)發(fā)該幀。在這種方式中，數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是一定的。

“交換機(jī)”典型功能簡(jiǎn)介

一、組播

網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸主要包含三種方式：?jiǎn)尾?、廣播和組播。單播是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一對(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸方式，廣播是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)其它所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一對(duì)所有（不管其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否需要這個(gè)數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)傳輸方式，而組播是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一對(duì)部分（有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需求的節(jié)點(diǎn)）的數(shù)據(jù)傳輸方式。

自動(dòng)駕駛?cè)哂嗉軜?gòu)下，兩個(gè)智駕域控制器需要同時(shí)獲得同一傳感器的感知數(shù)據(jù)來做計(jì)算冗余，一個(gè)黑匣子也需要同時(shí)獲得關(guān)鍵場(chǎng)景感知數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)來做數(shù)據(jù)備份。如果采用單播的方式，同一傳感器數(shù)據(jù)就沒法同時(shí)發(fā)送給兩個(gè)智駕域控制器和一個(gè)黑匣子，計(jì)算冗余無從談起，關(guān)鍵場(chǎng)景數(shù)據(jù)提取也無從談起。如果采用廣播的模式，交換機(jī)會(huì)將同一傳感器數(shù)據(jù)復(fù)制到交換機(jī)所有的網(wǎng)絡(luò)端口，這不僅對(duì)交換機(jī)CPU的處理能力提出了極大挑戰(zhàn)，還將浪費(fèi)不需要這些數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬資源，嚴(yán)重情況還可能發(fā)生數(shù)據(jù)泄露導(dǎo)致的自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)安全問題。

將同一傳感器數(shù)據(jù)有選擇的發(fā)送給一組接收方，便是組播的用武之地。組播網(wǎng)絡(luò)里包含組播源、路由器、組播組、組播組成員。組播源為網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)送者；路由器負(fù)責(zé)三層組播功能；組播組為通過組播地址標(biāo)識(shí)的一組網(wǎng)絡(luò)信息接收設(shè)備；組播組成員為組播組內(nèi)最終的網(wǎng)絡(luò)信息接收設(shè)備。

通常，路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，相應(yīng)的組播被稱為“三層組播”，常用的三層組播協(xié)議有IGMP、PIM、MSDP、MBGP等。

二、IGMP Snooping

在智駕域冗余架構(gòu)內(nèi)，智駕域控制器、傳感器、黑匣子是通過二層交換機(jī)相連，二層交換機(jī)無法處理三層信息，沒有特定協(xié)議加持下，無法知道收到的數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是一個(gè)組播地址。在查詢內(nèi)部映射表沒有找到目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口時(shí)，二層交換機(jī)將這條數(shù)據(jù)幀通過廣播方式發(fā)送出去,不僅浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬，還會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)信息的安全性。IGMP Snooping協(xié)議的誕生，解決的就是如何在二層交換機(jī)中管理和控制組播組。

IGMP Snooping（InternetGroup Management Protocol Snooping，互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議窺探），一種運(yùn)行在二層的組播協(xié)議。當(dāng)二層交換機(jī)收到上游三層設(shè)備傳遞的IGMP報(bào)文后，IGMP Snooping分析IGMP報(bào)文所帶的信息（報(bào)文類型、組播組地址、接收?qǐng)?bào)文的接口等），并根據(jù)這些信息在二層建立和維護(hù)組播表，同時(shí)根據(jù)這個(gè)組播表轉(zhuǎn)發(fā)組播報(bào)文，不僅可以降低帶寬消耗，避免二層網(wǎng)絡(luò)組播泛濫，還能提高網(wǎng)絡(luò)信息安全性，是搭建安全網(wǎng)絡(luò)的理想解決方案。

三、VLAN

理想情況下，智駕域“交換機(jī)”只通過整車域“交換機(jī)”與其它域通信，但在現(xiàn)實(shí)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，從延遲、安全等角度，智駕域“交換機(jī)”可能還會(huì)直連座艙域“交換機(jī)”、底盤域“交換機(jī)”等。此時(shí)，任何一域的廣播幀將被所有域交換機(jī)收到。

同時(shí)基于TCP/IP協(xié)議棧通信時(shí)，本身就存在一類管理類廣播幀。包括建立IP地址與MAC地址映射關(guān)系的ARP協(xié)議；用于自動(dòng)設(shè)定IP地址的DHCP協(xié)議；RIP路由協(xié)議等。

本來某一域的廣播幀，現(xiàn)在被全域收到。一方面廣播幀消耗了網(wǎng)絡(luò)整體的帶寬；另一方面廣播幀消耗了“交換機(jī)”中CPU的計(jì)算資源；更為危險(xiǎn)的是，關(guān)鍵的數(shù)據(jù)被廣播到全域，增加了數(shù)據(jù)被非法獲取的可能性，網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全性。因此，如何合理地劃分廣播域，便顯得尤為重要。

VLAN（VirtualLocal Area Network，虛擬局域網(wǎng)），便是一種將物理LAN在邏輯上劃分為多個(gè)廣播域的通訊技術(shù)。每個(gè)VLAN內(nèi)的主機(jī)間可以直接通信，不同VLAN間主機(jī)不能直接互通，這樣廣播報(bào)文就被限制在一個(gè)VLAN內(nèi)。

目前常用的二層“交換機(jī)”VLAN劃分方式有三種，基于端口劃分，基于MAC地址劃分和基于組播VLAN劃分。

在基于端口劃分方法中，通過明確指定交換機(jī)每個(gè)端口屬于哪個(gè)VLAN，操作比較簡(jiǎn)單。但是當(dāng)主機(jī)較多時(shí)，指定工作將會(huì)變得繁瑣無味。且在主機(jī)變更所連交換機(jī)端口的時(shí)候，都需要同時(shí)改變交換機(jī)端口所屬的VLAN，這顯然不咋適合需要頻繁改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

在基于MAC地址劃分方法中，通過檢查并記錄交換機(jī)端口所連接的主機(jī)的MAC地址來決定端口所屬的 VALN。這樣無論主機(jī)接在交換機(jī)的哪個(gè)端口，交換機(jī)都可以正確將其識(shí)別為指定的VLAN，不需要重新配置。此方法在交換機(jī)初始化時(shí)需要對(duì)所有主機(jī)進(jìn)行配置，當(dāng)主機(jī)數(shù)量龐大時(shí)，會(huì)影響交換機(jī)的執(zhí)行效率。

在傳統(tǒng)的組播點(diǎn)播方式下，當(dāng)屬于不同VLAN的主機(jī)同時(shí)點(diǎn)播同一組播組時(shí)，三層設(shè)備需要把組播數(shù)據(jù)在每個(gè)主機(jī)VLAN內(nèi)都復(fù)制一份發(fā)送給交換機(jī)。這樣既造成了帶寬的浪費(fèi)，也給三層設(shè)備增加了額外的負(fù)擔(dān)。在二層設(shè)備上配置了組播VLAN后，三層設(shè)備只需把組播數(shù)據(jù)在組播VLAN內(nèi)復(fù)制一份發(fā)送給二層設(shè)備，而不必在每個(gè)用戶VLAN內(nèi)都復(fù)制一份，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬，也減輕了三層設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

四、鏈路聚合

在交換機(jī)和智駕域控制器相連的主干以太網(wǎng)中，所有感知數(shù)據(jù)都將匯聚于此。如何提供足夠的帶寬，同時(shí)還能提供備份機(jī)制？除了土豪萬家粗暴的加錢升級(jí)硬件（千兆不夠萬兆上）的方法，還有普通萬家更常用的鏈路聚合技術(shù)。

鏈路聚合是指將多條以太網(wǎng)物理鏈路捆綁在一起定義為一條邏輯鏈路。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，交換機(jī)會(huì)根據(jù)內(nèi)部的端口負(fù)荷分擔(dān)策略決定數(shù)據(jù)幀從哪條物理鏈路發(fā)送，實(shí)現(xiàn)增加鏈路帶寬的目的。同時(shí)在交換機(jī)檢測(cè)到其中一條物理鏈路發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)停止數(shù)據(jù)幀在此物理鏈路發(fā)送，并將數(shù)據(jù)幀從剩下的物理鏈路中重新發(fā)送，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)備份的目的。

鏈路聚合主要分為靜態(tài)聚合和動(dòng)態(tài)聚合兩種。在靜態(tài)聚合中，聚合鏈路的建立，新的物理鏈路的加入等均由手工配置，沒有鏈路聚合控制協(xié)議的參與。同時(shí)靜態(tài)模式中所有捆綁的鏈路一般都是活動(dòng)鏈路，參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。如果某條活動(dòng)鏈路故障，鏈路聚合組自動(dòng)在剩余的活動(dòng)鏈路中分擔(dān)流量。

動(dòng)態(tài)鏈路聚合主要是指使用LACP（Link AggregationControl Protocol，鏈路聚合控制協(xié)議）實(shí)現(xiàn)鏈路動(dòng)態(tài)聚合與解聚合的協(xié)議。LACP負(fù)責(zé)確定雙方承擔(dān)業(yè)務(wù)流量的鏈路。此外，當(dāng)聚合條件發(fā)生變化時(shí)，如某個(gè)鏈路發(fā)生故障，LACP模式會(huì)自動(dòng)調(diào)整聚合組中的鏈路，組內(nèi)其他可用成員鏈路接替故障鏈路維持負(fù)載平衡。

對(duì)應(yīng)到智駕域，交換機(jī)和智駕域控制器通過兩條千兆以太網(wǎng)相連。交換機(jī)將這兩條物理鏈路配置為鏈路聚合。一來可以合理分配感知數(shù)據(jù)的發(fā)送鏈路，實(shí)現(xiàn)一千兆變二千兆的效果。同時(shí)在某一條物理鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，由另外一條承擔(dān)全部數(shù)據(jù)傳輸工作，從而有效提高鏈路的可靠性。

五、風(fēng)暴抑制

當(dāng)某一條網(wǎng)絡(luò)物理鏈路上充斥著大量數(shù)據(jù)幀時(shí)，并占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低網(wǎng)絡(luò)性能直至癱瘓的現(xiàn)象稱為網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。而網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備無需增加、網(wǎng)絡(luò)硬件出現(xiàn)問題、網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊、發(fā)生網(wǎng)絡(luò)環(huán)路等，均會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。廣播、組播、單播過程均會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴現(xiàn)象

風(fēng)暴抑制技術(shù)便是解決當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的廣播、多播、組播、單播（包含未知名單播）數(shù)據(jù)幀時(shí)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)變慢、數(shù)據(jù)傳輸超時(shí)和數(shù)據(jù)傳輸擁塞大量丟包等問題。

風(fēng)暴抑制多采用基于端口速率百分比的方式，當(dāng)端口收到數(shù)據(jù)幀累計(jì)到預(yù)定門限值時(shí)，端口將自動(dòng)丟棄收到的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)未啟用該功能或數(shù)據(jù)幀累計(jì)到門限時(shí)，數(shù)據(jù)幀將被正常廣播到交換機(jī)的其他端口。

六、時(shí)間同步

交換機(jī)作為智駕域重要的邊界時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，不僅擔(dān)負(fù)智駕域精確的時(shí)間同步功能，還須承擔(dān)在主時(shí)鐘丟失，系統(tǒng)時(shí)間可以統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)小弟的重任。根據(jù)整個(gè)智駕域?qū)r(shí)間同步精度的要求可選用PTP或gPTP，這兩種同步方式原理，前面分享中均有介紹，感興趣可點(diǎn)鏈接前往《時(shí)間同步，自動(dòng)駕駛里的花好月圓》和《gPTP，自動(dòng)駕駛時(shí)間同步里的“有趣靈魂”》。

小結(jié)

好的“紅娘”，可以成就一段美好的姻緣，在自動(dòng)駕駛從算法優(yōu)化逐步過渡到系統(tǒng)優(yōu)化的階段，“交換機(jī)”一類的輔助技能將會(huì)變得越來越重要。