車(chē)載以太網(wǎng)和AURIX? TC4x 千兆以太網(wǎng)/時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )概覽
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前言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202406/460415.htm在近代急速發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)因素下，不斷引伸出不同場(chǎng)景下對汽車(chē)功能的使用需求。當中產(chǎn)生了對汽車(chē)通訊功能要求上的大幅度提升，因此功能更先進(jìn)和更強大的車(chē)載以太網(wǎng)已經(jīng)漸漸地變成了車(chē)身通訊必不可缺的成員之一。
文章會(huì )從了解現今對車(chē)載網(wǎng)絡(luò )（In-Vehicle Network）的應用需求開(kāi)始，看看車(chē)載以太網(wǎng)是怎樣通過(guò)自身強大的網(wǎng)絡(luò )功能，滿(mǎn)足日新月異的汽車(chē)通訊功能要求，獲得不同汽車(chē)生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)商的信任和使用，同時(shí)最后也會(huì )分享英飛凌最新的AURIX TM TC4x系列微控制器是如何滿(mǎn)足客戶(hù)對高速以太網(wǎng)絡(luò )和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )的各方面需求。
2.1 車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的應用需求
談到新一代汽車(chē)發(fā)展，多數人都會(huì )直覺(jué)地把注意力放到新舊能源車(chē)的競爭上，兩邊勢力都在不斷改進(jìn)產(chǎn)品來(lái)吸引消費者，這帶來(lái)了多種汽車(chē)技術(shù)的不斷改良和突破，其中汽車(chē)在智能化和電子化這兩方面的改進(jìn)就更為急速。
汽車(chē)智能化最具體的功能就是自動(dòng)駕駛、智能底盤(pán)、智能座艙等；而電子化更加是在汽車(chē)不同功能提升下的參與或貢獻者，可以說(shuō)電子化都參與到如自動(dòng)駕駛系統、底盤(pán)控制系統、動(dòng)力控制系統、車(chē)身控制系統、座艙控制及娛樂(lè )系統等。
下面本文會(huì )從四個(gè)維度看看這些改進(jìn)對車(chē)載網(wǎng)絡(luò )需求帶來(lái)了什么改變。
1
頻寬要求
自動(dòng)駕駛應用帶來(lái)了大量數據資料如影像信息，激光雷達信息，毫米波雷達信息的傳輸要求。
娛樂(lè )系統對頻寬要求主要發(fā)生在大量的影像類(lèi)資源經(jīng)網(wǎng)絡(luò )傳到不同的ECU上。
2
實(shí)時(shí)性和可靠性要求
自動(dòng)駕駛在計算時(shí)，必需要按時(shí)接受外在環(huán)境的數據資料；在控制時(shí)，操控要求也需要按時(shí)到達目標。
可靠性如網(wǎng)絡(luò )設計上是否支持故障處理和冗余處理。
3
成本要求
車(chē)身上的電子化激活了大量電子裝置的使用，這些不僅帶來(lái)了對ECU存放空間問(wèn)題外，還在車(chē)身上產(chǎn)生大量的連線(xiàn)，線(xiàn)材重量和放置空間都帶來(lái)很大的成本。
4
網(wǎng)絡(luò )安全要求
自動(dòng)駕駛的使用和汽車(chē)電子化帶來(lái)裝置發(fā)展出具備從網(wǎng)絡(luò )接收命令和執行行動(dòng)，如果網(wǎng)絡(luò )傳輸被惡意攻擊或控制便會(huì )出現很?chē)乐氐陌踩珕?wèn)題。
2.1.1
頻寬要求
就頻寬要求上的影響性看，其中兩個(gè)比重較多的應用可算是自動(dòng)駕駛和娛樂(lè )系統。自動(dòng)駕駛的核心當然是高效的計算能力，但用作計算的數據資料如影像信息、激光雷達信息、毫米波雷達信息及各種車(chē)身傳感器等，這些都需要大量數據傳輸，因而大大增加了對頻寬的要求。這些影像信息或激光雷達信息如果需要以原始數據方式傳送到自動(dòng)駕駛芯片進(jìn)行處理的話(huà)，那些應用頻寬都是以Gbps為單位，而高分辨率的毫米波雷達也都需有超過(guò)1Gbps的要求，但其他的傳感器對頻寬要求就相對較少，一般都不會(huì )超1Gbps了。而作為執行結果的動(dòng)力控制和底盤(pán)控制的數據傳輸，相比下就沒(méi)有直接對頻寬有太高要求。
娛樂(lè )系統也可能會(huì )對頻寬有所要求，如果系統需要把大量的影像類(lèi)資源經(jīng)網(wǎng)絡(luò )傳到不同的ECU上，這樣便會(huì )對頻寬有大量要求了。
2.1.2
實(shí)時(shí)性和可靠性要求
自動(dòng)駕駛的實(shí)現上也會(huì )對網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性和可靠性也有十分嚴格要求，如在計算時(shí)，外在環(huán)境的數據資料必需要按時(shí)傳到自動(dòng)駕駛芯片；而在控制時(shí)，操控要求也需要按時(shí)到達目標。這些通訊都不能被延遲超過(guò)設計要求，所以能否估計或控制會(huì )出現的傳輸延遲是十份重要的。另外，可靠性也是重要的一環(huán)，如網(wǎng)絡(luò )設計上是否支持故障處理和冗余處理等。
2.1.3
網(wǎng)絡(luò )安全要求
隨著(zhù)自動(dòng)駕駛的使用和汽車(chē)電子化，車(chē)身上很多裝置都會(huì )連接到不同網(wǎng)絡(luò )，這些裝置都可以具備從網(wǎng)絡(luò )接收命令和執行行動(dòng)。如果網(wǎng)絡(luò )傳輸被惡意攻擊或控制便會(huì )出現很?chē)乐氐陌踩珕?wèn)題，所以網(wǎng)絡(luò )安全也開(kāi)始成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的基本要求了。
2.1.4
成本要求
隨著(zhù)對車(chē)身上的不斷電子化，車(chē)身上增加了大量電子裝置，這些裝置都有可能分布到車(chē)上不同的位置。除了裝置本身占用的空間問(wèn)題外，還在車(chē)身上產(chǎn)生大量的連線(xiàn)，如何設計使用這些連線(xiàn)，包括網(wǎng)絡(luò )通訊，控制訊號及電源線(xiàn)等，這些都使工程師對汽車(chē)架構改進(jìn)更新帶來(lái)了很大的推動(dòng)力?，F在比較認同的發(fā)展方向是區域汽車(chē)架構（Zonal architectures），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把裝置從之前以功能劃分到不同的域控制器（Domain controller）的域汽車(chē)架構（Domain architectures），改變?yōu)榈桨蜒b置以實(shí)際地域劃分到不同地區上的區域控制器（Zone gateway／controller）。多個(gè)區域控制器和中央控制器（Central controller）之間再互相連接，這樣裝置只需要連接到最近區域控制器上，連線(xiàn)的線(xiàn)材可以大大減少，從而減少線(xiàn)材、載重和空間上的不同成本。另外，不同的功能也可以整合到區域控制器，有機會(huì )減少ECU的總使用數量。
區域汽車(chē)架構的發(fā)展對汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )和軟件架構都帶來(lái)了改革，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )有可能從異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )（Heterogeneous network）走向同質(zhì)網(wǎng)絡(luò )（Homogeneous network），軟件架構也會(huì )住面向服務(wù)架構（SOA）方向發(fā)展。
2.2 不停改進(jìn)的車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)
車(chē)載以太網(wǎng)提供了多樣的協(xié)議和設備標準，適用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的各種應用。在接下來(lái)的部分中，我們將探討車(chē)載以太網(wǎng)在各種層面上是怎樣有效地對應車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的種種特別要求和解決應用上的各種痛點(diǎn)。
2.2.1
全方位的網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)對應方案
車(chē)載以太網(wǎng)支持多種物理層標準，以下是列出一些有關(guān)的主要標準：
傳輸 100 Mbps（適用于 100BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bw-2015）
傳輸 1 Gbps（適用于 1000BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bp-2016）
傳輸 10 Mbps（適用于 10BASE-T1S PHY 的 IEEE 802.3cg-2019）
傳輸2.5G、5G和10Gbps（適用于 2.5G/5G/10GBASE-T1 PHY的IEEE 802.3ch-2020)
這些標準滿(mǎn)足對網(wǎng)絡(luò )頻寬的不同要求，能有效地對應不同車(chē)載網(wǎng)絡(luò )對高低頻寬的使用要求，從而提供了達成同質(zhì)網(wǎng)絡(luò )的可行方案。這樣可以減少因為使用異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )區時(shí)，域控制器在進(jìn)行數據轉發(fā)時(shí)需要進(jìn)行的額外轉輸格式處理，而造成的傳輸延誤和占用硬件資源問(wèn)題。
還有的是這些標準都是使用單雙絞線(xiàn)，這樣也可以減少空間及重量所產(chǎn)生出來(lái)的成品問(wèn)題。
2.2.2
AVB 和TSN 的支持
實(shí)時(shí)的傳輸要求在最早的以太網(wǎng)路設計上并非主要考慮，但因為之后出現不同使用上的需要，以太網(wǎng)絡(luò )也不斷地出現了一些新的標準，當中的AVB和TSN 協(xié)議就被廣泛應用在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )上。
2.2.2.1 AVB 協(xié)議
為應付實(shí)時(shí)的影視音訊要求（如視像鏡頭、娛樂(lè )影音等），傳輸的延遲有了一定程度上的要求。IEEE 802.1 工作小組便針對這些問(wèn)題開(kāi)展了工作，訂立了IEEE 802.1Q網(wǎng)絡(luò )協(xié)議及AVB 協(xié)議，主要適用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議如下：
IEEE 802.1Qav-2009
（Queuing and Forwarding for AVB Bridges）
定義規則以確保優(yōu)先級流將在預留中指定的延遲內通過(guò)網(wǎng)絡(luò )。
IEEE 802.1Qat-20210
（Stream Reservation）
預留協(xié)議用于通知路徑中的各個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)預留支持特定流所需的資源。
IEEE 802.1AS-2011
（Timing and Synchronization for
Time-Sensitive Application）
協(xié)議提供在網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現通用的時(shí)間概念，使終端站和交換機能夠相互同步本地網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘。
2.2.2.2 TSN 協(xié)議
雖然AVB協(xié)議提供了音頻/視頻使用的解決方案，但它并不適合時(shí)間關(guān)鍵和安全關(guān)鍵的控制流量。為此，從2012年開(kāi)始，開(kāi)始了TSN工作小組，以取代之前的AVB工作小組，主要適用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議如下：
IEEE 802.1Qbv-2015
（Enhancements for Scheduled Traffic）
增強預定流量控制,引入了傳輸門(mén)機制來(lái)支持預定流量，能要求幀傳輸按照預定義的時(shí)間表進(jìn)行。
IEEE 802.1Qbu-2016
（Frame Preemption）
與IEEE 902.3br 結合，IEEE 802.1Qbu 實(shí)現幀搶占，把幀分為快速幀（實(shí)時(shí)幀time-critical）和可被搶占幀（即盡力而為幀best-effort）。實(shí)現幀搶占的優(yōu)點(diǎn)是減少實(shí)時(shí)幀的延遲，因為它們不需要等待整個(gè)盡力而為幀的傳輸，但可以在某個(gè)時(shí)刻搶占它。
IEEE 802.1Qci-2017
（Per-Stream Filtering and Policing）
該標示能通過(guò)阻止流或端口來(lái)進(jìn)行錯誤檢測和緩解并遏制錯誤，以便錯誤不會(huì )在網(wǎng)絡(luò )上傳播，從而提高網(wǎng)絡(luò )可靠性。
IEEE 802.1QCB-2017
（Frame Replication and Elimination for
Reliability FRER）
通過(guò)利用幀識別功能，該標準在多個(gè)不相交的網(wǎng)絡(luò )路徑上提供幀復制和傳輸，以增加至少一個(gè)副本成功傳送到最終目的地的概率。
IEEE 802.1AS-2020
在IEEE 8021AS-2011中提供的切換過(guò)程不是很快，可能會(huì )導致某些節點(diǎn)的時(shí)間跳躍。新的IEEE 802.1AS-2020支持多個(gè)同步主時(shí)鐘和多條同步路徑，以實(shí)現無(wú)縫低延遲切換和故障模式下時(shí)間同步的快速恢復。
AVB和TSN協(xié)議都能有效滿(mǎn)足車(chē)載網(wǎng)絡(luò )對實(shí)時(shí)性和可靠性的使用要求。
2.2.3
加密的支持
安全性也是通信中關(guān)注的問(wèn)題之一，IEEE 802.1工作組也在研究如何在TSN網(wǎng)絡(luò )中采用現有的IEEE安全機制。其中MACsec IEEE 802.1AE-2018 協(xié)議為車(chē)內ECU 交換的數據提供鏈路到鏈路加密和保護，并添加安全標記、完整性檢查值、數據包編號字段和加密。該協(xié)議定義了數據封裝、加密和認證的幀格式，應用IEEE Std 802.1X協(xié)議提供Peer-to-Peer方式密鑰建立機制，實(shí)體地保護整個(gè)或部分網(wǎng)絡(luò )的安全。
目前正在運行的P802.1AEdk 項目是IEEE Std 802.1AE-2018 標準的修訂版。該標準指定了MAC隱私保護封裝協(xié)議及其與MAC 安全協(xié)議（MACsec）的結合使用，以隱藏用戶(hù)數據幀的源MAC 地址和目標MAC地址，并減少可觀(guān)察到的幀大小和傳輸時(shí)序之間的任何相關(guān)性。
2.2.4
對網(wǎng)絡(luò )協(xié)議應用的強大支持
車(chē)載以太網(wǎng)標準是由知名標準機構提供的，是一項成熟的技術(shù)可滿(mǎn)足負載和集成的需求。使用以太網(wǎng)路也更直接有效地使用種類(lèi)繁多，功能全面和安全可靠的網(wǎng)絡(luò )和應用協(xié)議。提供了很多應用的現有解決方案，從而減少從零開(kāi)始的設計和開(kāi)發(fā)時(shí)間。
3.1 AURIX TM 對以太網(wǎng)路的支持
AURIX TM TC4x架構增強了安全性和連接性。
1
高速和時(shí)效性的Gigabit Ethernet GETH
（ETHMAC）
支持高達 2x5GBit以太網(wǎng)，包括橋接器，以太網(wǎng)端口支持IEEE 802.1 AVB和TSN協(xié)議的硬件要求。
2
廣泛性的Lite Ethernet（LETH）
支持 4x10/100MBit以太網(wǎng)速度，另外還支持了10Base-T1S標準，把以太網(wǎng)的應用范圍延伸到一些傳統ECU需要的低速數據通訊領(lǐng)域。
3
安全的Cyber Security Satellite（CSS）
用于安全CAN/以太網(wǎng)通信的Crypto和Hash引擎。
總結
現在汽車(chē)發(fā)展正在從傳統的域汽車(chē)架構（Domain architectures）到區域汽車(chē)架構（Zonal architectures）以及硬件定義汽車(chē)（Hardware-defined cars）到軟件定義汽車(chē)（Software-defined cars）的過(guò)渡中，而使用更高程度的ADAS/AD的個(gè)人消費類(lèi)汽車(chē)將會(huì )更加普及，車(chē)載以太網(wǎng)在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的滲透率對會(huì )不斷提升。
通過(guò)利用新一代AURIX TM TC4x對以太網(wǎng)和安全網(wǎng)絡(luò )的各種功能，幫助汽車(chē)行業(yè)ECU開(kāi)發(fā)人員，獲得對應新一代汽車(chē)平臺上的優(yōu)質(zhì)解決方案，從而實(shí)現更快開(kāi)發(fā)時(shí)間和更安全汽車(chē)平臺更新計劃。
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