?什么是汽車網(wǎng)絡(luò)中融合以太網(wǎng)?技術(shù)
?汽車網(wǎng)絡(luò)中融合以太網(wǎng)?是指將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于汽車內(nèi)部通信系統(tǒng)，以滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。以太網(wǎng)技術(shù)以其高帶寬、低延遲的特性，逐漸取代傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如CAN總線和LIN總線，成為汽車內(nèi)部通信的主要方式。
融合以太網(wǎng)的技術(shù)背景和優(yōu)勢
隨著汽車電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的總線技術(shù)如CAN和LIN逐漸無法滿足車載信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛功能對高帶寬、低延遲數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｒ虼?，以太網(wǎng)技術(shù)因其高帶寬和低延遲的特性，逐漸被引入汽車網(wǎng)絡(luò)中。以太網(wǎng)技術(shù)不僅支持高清視頻、圖像等大數(shù)據(jù)量的傳輸任務(wù)，還能確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時傳輸，對于ADAS和自動駕駛系統(tǒng)至關(guān)重要?12。
融合以太網(wǎng)的應(yīng)用場景和案例
在實際應(yīng)用中，融合以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于車載信息娛樂系統(tǒng)，實現(xiàn)高清視頻播放、在線音樂流媒體傳輸以及與智能手機的快速連接和數(shù)據(jù)同步。在ADAS和自動駕駛領(lǐng)域，以太網(wǎng)用于傳輸雷達(dá)、攝像頭等傳感器采集的大量數(shù)據(jù)，為車輛的環(huán)境感知和決策提供支持。例如，特斯拉等汽車制造商在其車型中采用以太網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了車內(nèi)系統(tǒng)的高效通信和數(shù)據(jù)交互，提升了車輛的整體性能和用戶體驗?13。
未來發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)
未來，隨著5G技術(shù)的普及，車載以太網(wǎng)與5G技術(shù)的融合應(yīng)用將成為趨勢。這種融合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車內(nèi)車外的無縫連接，提升數(shù)據(jù)傳輸效率，還能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，增強安全性，為未來的智能交通系統(tǒng)奠定堅實的基礎(chǔ)。然而，融合應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)，如如何確保數(shù)據(jù)的安全傳輸、如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)不斷變化的需求等?1。
在未來的幾年里，汽車線束將從不同協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向分層的同質(zhì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在這種新的情況下，實驗室試驗臺，反映真實的車輛網(wǎng)絡(luò)，將需要分析工具，能夠支持他們在驗證過程中的車內(nèi)通信。
1.以太網(wǎng)融入到汽車網(wǎng)絡(luò)中的理論基礎(chǔ)
汽車內(nèi)部的技術(shù)變得越來越復(fù)雜，聯(lián)系也越來越緊密。汽車內(nèi)部最新的應(yīng)用和功能正在提高帶寬、降低延遲、同步、高可用性、QoS和降低成本的要求。當(dāng)前和傳統(tǒng)的汽車中最常用的協(xié)議(即CAN、LIN、most、FlexRay等)不足以滿足這些即將到來的需求。在這種情況下，以太網(wǎng)顯然是IVN(In-Vehicle Network)的領(lǐng)頭羊，因為它與前面提到的其他協(xié)議相比有許多優(yōu)勢(請參閱下一個比較表作為參考)。
Network TypeAverage CostBandwidthComplexityTolerance
CANMediumLowHighHigh
FlexRayHighMediumHighMedium
MOSTMediumMediumMediumLow
EthernetLowHighMediumLow
表1：汽車常用協(xié)議簡單比較
與許多其他行業(yè)(航空航天、鐵路、工業(yè)自動化等)一樣，汽車行業(yè)也實現(xiàn)了向以太網(wǎng)的融合。預(yù)計2019年汽車市場的以太網(wǎng)市場將從2024億美元增長到20.24億美元。同樣，根據(jù)Frost&Sullivan的數(shù)據(jù)，到2022年，汽車以太網(wǎng)端口的總數(shù)預(yù)計將高于所有其他以太網(wǎng)端口的總和。
2.汽車IVN架構(gòu)
在過去，汽車的電子系統(tǒng)被劃分為幾個領(lǐng)域(主要是動力傳動系統(tǒng)、底盤、車身、舒適性和診斷)。但近些年又出現(xiàn)了許多新的領(lǐng)域，如信息娛樂、駕駛員輔助、車內(nèi)體驗、C-V2x、fog和云后端等。
圖2“中央網(wǎng)關(guān)”+“域控制器”架構(gòu)
在傳統(tǒng)汽車IVN中，每個域都有一個獨立的控制，基于一個專用的ECU(電子控制單元)，每個域內(nèi)具有特定的主要功能。現(xiàn)如今，各個域之間的交互和依賴性要多得多，但它們通常仍然是具有獨立的控制系統(tǒng)。此外，由于遺留問題，大多數(shù)傳統(tǒng)域內(nèi)的通信仍然基于非以太網(wǎng)協(xié)議。因此，“中央網(wǎng)關(guān)+域控制器”是成為未來車輛最常用的架構(gòu)之一。
如上圖所示，這種基于中央網(wǎng)關(guān)的新型體系結(jié)構(gòu)需要一個基于以太網(wǎng)的主干網(wǎng)(所謂的“聚合骨干網(wǎng)”)，連接分布在整個汽車網(wǎng)絡(luò)的所有不同域。該中央網(wǎng)關(guān)是一種以太網(wǎng)多端口路由器/交換機，具有附加的車輛控制級功能。同時，有一個特定于域的網(wǎng)關(guān)將每個域與以太網(wǎng)主干網(wǎng)連接起來。當(dāng)域內(nèi)的協(xié)議也是以太網(wǎng)時，該域網(wǎng)關(guān)就成為域交換機中的一個，因為它以某種方式作為常規(guī)以太網(wǎng)交換機運行。
在接下來的幾年里，汽車線束將從不同協(xié)議(CAN、LIN、MOST、FlexRay等)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱拥耐|(zhì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
3.面臨的挑戰(zhàn)
汽車E/E系統(tǒng)的一家Tier1公司正在開發(fā)一種新的域網(wǎng)關(guān)，用于將駕駛員輔助和信息娛樂域連接到車內(nèi)的聚合主干網(wǎng)。這兩個域使用一個域網(wǎng)關(guān)，因為它們都屬于一個單一的汽車宏功能，即ADAS高級駕駛員輔助系統(tǒng)服務(wù)。
這些域內(nèi)使用的協(xié)議是以太網(wǎng)，支持AVB(音視頻橋接)。因此，在這種情況下，域網(wǎng)關(guān)扮演多端口以太網(wǎng)交換機的角色，具有特定和應(yīng)用程序定制的功能，例如以太網(wǎng)AVB支持。AVB over Ethernet是IEEE802.1規(guī)范的一組擴展，支持本地以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸時間和丟失敏感的音頻/視頻數(shù)據(jù)。
圖3：多端口以太網(wǎng)域網(wǎng)關(guān)
在域網(wǎng)關(guān)的驗證過程中，在反映真實車輛網(wǎng)絡(luò)的試驗臺上缺少了以下特定功能：
① 能在試驗臺上記錄流量，以便向域網(wǎng)關(guān)的仿真模型提供可能的最真實的流量;
② 能夠在特定條件下記錄特定幀/包。例如，假設(shè)在IEEE802.1AS協(xié)議下記錄某個時間標(biāo)記之后的所有IEEE802.1Qat幀。Qat和AS是IEEE802.1規(guī)范的兩個擴展，定義了流保留和定時同步。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的，不僅需要能夠記錄通信數(shù)據(jù)量，而且還需要記錄任何數(shù)據(jù)包的時間戳，并且能夠?qū)崟r地、動態(tài)地過濾和解析網(wǎng)絡(luò)部分中的底層流量。
4.解決方案
為了能夠解決汽車行業(yè)的需求，虹科推出了RELY-TSN-REC，這是一個高度專業(yè)化的分析工具，用于捕獲以太網(wǎng)流量，并且可以為所有存儲的報文記錄時間戳。
圖4：RELY-TSN-REC
這個獨立設(shè)備嵌入了過濾、記錄時間戳以及捕獲復(fù)雜以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量這些功能的邏輯，而僅僅在一個性價比高且高度集成的小模塊中。對于本文檔中描述的特定用例，RELY-TSN-REC將以抽頭的形式安裝在“測試中網(wǎng)絡(luò)”網(wǎng)絡(luò)鏈路中，允許通過其服務(wù)端口同時遠(yuǎn)程檢索記錄的流量(PCAP格式)。
圖5：RELY-TSN-REC TAP 配置
5.結(jié)論
第一個結(jié)論是，以太網(wǎng)融合已經(jīng)成為現(xiàn)實，在汽車網(wǎng)絡(luò)中也是如此。此外，對汽車網(wǎng)絡(luò)中新設(shè)備的驗證和集成提出了新的需求：
① 一致性測試：其目的是驗證協(xié)議遵從性和互操作性。汽車堆棧和組件的TCP/UDP/IP一致性測試;
② 協(xié)議驗證和性能測試：這里的主要目的是驗證基于數(shù)據(jù)平面的應(yīng)用程序性能，以及較低級別的同步平面精度和行為;
③ 中央網(wǎng)關(guān)和域網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)交換功能測試：AVB能力、Qos的預(yù)期包丟失、帶寬和延遲、鏈路故障后的切換和收斂時間以及某些節(jié)點行為不當(dāng)情況下的行為等。
將這些需求納入更準(zhǔn)確的要求中：
① 能檢測到網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶崟r流量;
② 能夠過濾實時傳輸?shù)牧髁?
③ 能收集實時數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議(例如，IEEE 802.1AS)標(biāo)記時間戳;
④ 根據(jù)多個可配置的用戶定義事件觸發(fā)數(shù)據(jù)捕獲操作;
⑤ 將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄器，然后傳輸?shù)絇C以執(zhí)行后分析任務(wù)。
圖6：觸發(fā)器菜單中RELY-REC condition和action配置示例
虹科的獨立設(shè)備記錄儀RELY-TSN-REC符合上述所有功能。此外，它是一個支持TSN的設(shè)備，可以升級到TSN，這是汽車IVN網(wǎng)絡(luò)的下一階段。
在關(guān)鍵系統(tǒng)中，能夠在幀級分析網(wǎng)絡(luò)通信以進行測試和取證是至關(guān)重要的。此外，該分析的有效性將受到基礎(chǔ)設(shè)施將幀與公共時間參考關(guān)聯(lián)的能力的限制。虹科的RELY-TSN-REC就能做到解決以上需求，這是一種能夠?qū)ΤＲ?guī)以太網(wǎng)和高可用性以太網(wǎng)流量進行檢查和記錄時間戳的設(shè)備，使用與分析中的網(wǎng)絡(luò)相同的PTP定時基準(zhǔn)。該設(shè)備的一些主要優(yōu)點是其對任何用例的適應(yīng)性，由于其具有多媒體多速率以太網(wǎng)端口，基于SFP模塊，支持汽車行業(yè)使用的最廣泛的接口。
該設(shè)備包括一個強大的觸發(fā)工具，允許根據(jù)嵌套條件(和或)定義觸發(fā)器，并將多個操作鏈接到一個觸發(fā)器。
支持多種輸入類型條件(模擬/數(shù)字輸入信號、來自第三方系統(tǒng)的警報和信號、時間安排、同步丟失、數(shù)據(jù)包檢查)，連接到輸出操作(流量記錄、電子郵件通知、SNMP陷阱、系統(tǒng)日志消息、警報輸出)。
為了簡化對存儲流量的訪問，RELYREC支持可配置的過濾器，以實現(xiàn)存儲優(yōu)化和高效監(jiān)控。這些過濾器可以由最終用戶根據(jù)Wireshark語義進行定制，也可以使用基于第2層和第3層的預(yù)定義字段。
此外，RELY-REC允許通過服務(wù)端口同時遠(yuǎn)程訪問內(nèi)部存儲的記錄。設(shè)備中的時間戳事件日志簡化了觸發(fā)器與相應(yīng)記錄的關(guān)聯(lián)。
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