车载以太网技术概述

原创 汽车电子与软件 2023-07-26 20:11

汽车总线现状


目前车内总线类型繁多,汽车厂商需要使用多种总线技术用于车内网络:
如经常用到的 CAN, LIN, FlexRay;用于新型娱乐的 MOST;用于传输音频的 A2B;用于传输视频的 LVDS;以及本期主要分享的 Ethernet......
如此多的总线造成车辆线缆总长度过长/总重量过重/装配成本过高等问题。

多数厂商希望将汽车总线技术压缩到 2-4 种,图1列出了车内总线技术,其中纵轴表示总线的带宽。图中红色的五角星表示以太网!

图1 车内总线技术

从图中可以看出,以太网的带宽从 10Mbps 到 10Gbps 都有分布,所以应用场景也比较广泛,除此之外以太网本身在时延/可扩展性/安全性等方面的巨大优势,成为当前的研究热点。

首先,我们从带宽方面来看一下以太网技术。

带宽


传统行业的以太网带宽已经可以高达 400Gbps,而且还在往 Tbps 研究发展。汽车以太网的带宽也已经覆盖 10Mbps 到 10Gbps 的范围,引入车内后可以满足信息娱乐/自动驾驶/5G/法规等越来越复杂的车辆需求。

另外,以太网提供可扩展的更低/更高带宽,在使用更低/更高带宽时,只需要选择相应带宽的物理层芯片,上层的协议和软件不需要随着带宽的变化而更改。进而实现了上层软件、协议与芯片的解耦!

图2 以太网带宽

时延


再来看一下时延方面的特点!

传统以太网在设计之初是作为”尽力交付“(Best-effort)网络被提出,并未考虑网络时延等可靠性问题,而汽车和工业等网络对时延有着十分严格的要求。于是,AVB/TSN 技术被提出,用于提供有保障的以太网网络服务质量,使能新应用。

AVB/TSN 提供了几个方向的可靠性保障,网络时延是其中之一,通过对流量整形/调度/抢占机制保证有界的低时延。

图3 TSN技术

除了时延,AVB/TSN 还包括同步、可靠性冗余机制以及时钟的冗余,当然还有一些资源管理方面的定义等都属于 AVB/TSN 的内容,在后续的系列分享中,我们也会为大家进行分享。

可扩展性


以太网提供了非常灵活的拓扑可扩展性,方便物理节点的增减。可以根据需要搭建星型/环形/树形/分布式冗余拓扑。

图4 灵活的以太网拓扑

在星型网络中,中间只需有个交换机,当交换机的端口足够多时,就可以任意的添加物理节点,其他节点不需要做更改。

当然,也可以组成环形拓扑或者树形拓扑。树形拓扑有点类似于传统 EEA 架构中的Domain 架构,这取决于网络如何配置,可以有主干网,主干网下还可以有子网。

也可以组分布式网络拓扑,比如在 EEA 发展后期的 Zonal 架构中,除了组成环形拓扑外,还需要有一些冗余的备份、链路等,都可能用到分布式网络拓扑,它的物理可扩展性是非常灵活的。

以太网的可扩展性除了表现在物理拓扑上,还体现在它的兼容性上。它使用开放公开的标准,使汽车网络与世界其它网络一致,这也是为什么汽车以太网的引入促进了FOTA/V2X 的发展。汽车作为以太网生态系统的一部分,进行万物互联。汽车将作为一个互联因子,在万物互联中扮演一定的角色!

安全性


再来看一下安全性方面。

传统以太网经历了几十年的应用和发展,在这个过程中遭遇过不同种类的威胁和攻击,为了应对这些威胁和攻击,以太网上已经有成熟的信息安全解决方案。下图显示了以太网信息安全技术。

图5 以太网信息安全技术

从上图中,我们可以看到,在以太网的每一层都可以添加防火墙!应用层也可以添加防火墙!传输层可以添加 UDP 防火墙以及与状态相关的 TCP/IP 防火墙!在网络层和下层也可以添加防火墙。通过添加防火墙可以进行一定的过滤!

除此之外还有一些认证加密的机制,比如传输层的 TLS 协议。通过 TLS,可以对基于 TCP/IP 的节点进行认证,对报文进行加密,还可以做一些签名等。
类似的,在网络层还有 IPSec 协议,同样也可以做认证、加密、解密等。
再下层,在数据链路层也有 MACsec 这样的机制,对报文进行加密、解密等。

除了上述提到的各个层级的防火墙,认证/签名/加密机制外,还可以使用最基础的VLAN 技术。VLAN 技术可以简单理解为虚拟的局域网。通过 VLAN 技术可以将物理上连接的关系进行虚拟化的划分。

除此之外还有一些其他的技术,如深度包检测,即 DPI。可以对每个包长度,包头每个字段的内容进行检测,可以做一些过滤机制等。这些都取决于如何设置!

还有上图中的 Ingress Filters,可以在每个交换机的入端口或者每个节点的入端口配置一些机制,可以对报文进行一些过滤的操作。过滤后的报文如何操作,取决于如何设置。还有一些可能在智能充电的时候用到的协议 ISO15118 等。

从上述我们可以看到以太网在应用的过程中有很多安全(security)解决方案,应对不同的威胁和攻击,在具体的使用过程中,可以根据具体的使用场景选择不同的安全(security)解决方案。并不是所有的协议都用得到!可以先评估车内的威胁和攻击有哪些,再去选择相应的解决方案,这是一个相互博弈的过程。

其他


再来看一下以太网在其他方面的表现。

汽车以太网促进了汽车EE架构从网关架构到 Domain 架构再到 Zonal 架构的发展。
当前,很多主机厂都在使用 Domain 架构。在 Domain 架构中,通过将整车分成几个域,再通过将以太网作为主干网将几个域连接起来。

还有最近比较热门的 Zonal 架构,这种架构的核心是有一个中央计算单元。在Zonal 架构下,更多的是使用 SOA 的设计。以太网的发展也促进了应用从传统的基于信号的设计到面向服务的 SOA 设计。SOA 设计的好处之一在于,更方便后期的迭代开发!

图6 EEA发展图

另外,以太网还支持 PoDL(Power over Data Line)技术,可以消除电源线。相比 LVDS 高速总线,基于一对双绞线的汽车以太网降低了车辆的重量。

综上所述,车载网络以太网化是业界公认的趋势!

汽车以太网概述


了解了以太网的一些特性后,接下来看看以太网到底是什么。

以太网发展


首先第一个问题,以太网从哪里来的?

以太网最初是由 Xerox 公司开发的一种基带局域网技术,被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要,使用同轴电缆作为网络媒体,采用载波侦听多路访问和冲突检测(CSMA/CD)机制,数据传输速率达到 10Mbps。

下图是描述以太网的原始术语,由以太网发明人 RobertM. Metcalfe 手绘,用于向1976 的美国计算机会议展示以太网。

图7 初始以太网

第二个问题,,汽车以太网是哪来的?

汽车以太网的开始是源于刷写时间要求,当时 BMW 需要将 1GB 的数据在 15min 中刷完,使用 CAN 总线大概需要 16h,而使用快速以太网 100BASE-TX 可以达到目标。于是 BMW 在 2008 年将 100BASE-TX 应用到 OBD 口。也就有了我们现在常听到的 DoIP!

而 100BASE-TX 是基于两对双绞线的以太网,CAN 等传统总线技术是基于一对双绞线,100BASE-TX 以太网相对于 CAN 来说,在总线上是没有优势的!因此,BMW 通过与 Broadcom 等公司合作,发明了基于一对双绞线的 BroadR-Reach 汽车以太网,这也就是后来被 IEEE 规范化的 100BASE-T1 的以太网技术!BMW 也在 2012 年将该技术应用到了车内。其他厂商也纷纷加入到这个方向,陆续应用到车内。

图8 汽车以太网的应用

当然,现在大多数厂商除了 100BASE-T1 以外,也已经使用了 1000BASE-T1。现在可能 1Gbps 也都无法解决带宽需求!接下来我们来看一下汽车以太网标准!

汽车以太网标准


在了解汽车以太网标准之前,我们先来看一下 IEEE 802 标准,因为与以太网相关的很多标准都是在 IEEE 802 里面进行定义的。如图 9 所示为 IEEE 802 的典型结构。

图9 IEEE 802典型结构

上图中,IEEE 802.1 主要是关于 Bridge、VLAN 以及 AVB/TSN 等的定义。
IEEE 802.3 主要是对以太网的定义。
IEEE 802.11 是关于 WLAN 的。
还有蓝牙等,也都是在 IEEE 802 协议里面定义的。

接下来我们看一下汽车以太网有哪些技术!行业上有多个组织在制定汽车以太网的标准:

OPEN 联盟主要制定物理层和数据链路层的标准和测试标准,如 100BASE-T1,100BASE-T1 最开始是上文我们提到的 BroadR-Reach 协议,后来被 IEEE 标准化后成为了 100BASE-T1!现在也有 1000BASE-T1 的协议。
此之外还有 TC8 测试协议,以及与休眠唤醒相关的 TC10 也是在 OPEN 联盟里面定义的。

AVNU 主要关注 AVB/TSN 的测试标准。
AUTOSAR 对 TCP/IP 协议栈进行了一些定义和测试标准,另外制定了 SOME/IP,SOME/IP-SD,和 UDPNM 等协议。

IEEE 组织主要定义汽车以太网的物理层标准和数据链路层标准,ISO 定义了 DoIP 和汽车以太网的标准化,IETF 任务组定义了最初的 TCP/IP 协议族和一些性能测试标准。

图10 汽车以太网标准组织

汽车以太网协议栈


经过多个标准组织的共同努力,汽车以太网形成一套严格分层的完整协议栈。如下图所示,严格意义上的汽车以太网主要是指汽车特有的以太网技术,包括物理层的100BASE-T1/1000BASE-T1 等,应用层的 DoIP/SOMEIP 等。物理层以及 5-7 层也是汽车以太网与传统以太网主要的不同之处。

在应用的过程中,根据不同的应用场景,选择不同的协议(集)。

图11 汽车以太网协议栈

一开始也提到了以太网是"尽力交付"到"可靠性交付",而汽车以太网主要是通过AVB/TSN 定义的同步、资源管理、预留、QoS、冗余等机制来保障的可靠性要求的。

图12 AVB/TSN

需要注意的是,上图中 802.1x 严格意义上不属于 AVB 的协议。当我们使用AVB/TSN 的时候,需要具体看一下到底使用了哪几种技术。不是所有的技术都是需要的,需要根据具体的应用场景来选择所需要的机制等。

最后,我们来看一下汽车以太网技术面临的问题、挑战和解决方案。

问题解决方案


汽车以太网在应用的过程中并不是完美契合汽车领域的,还存在着一些问题,这也是我们今后可能都要遇到的问题,需要持续的研究,共同去解决。
  • 速率问题:存在更高和更低的速率要求
    • 10Mbps
    • 2.5Gbps/5Gbps/10Gbps
  • 可靠性问题:数据可靠性要求
    • TSN
    • 网络安全
    • 功能安全
  • 成本问题:低成本要求
    • 建立更广泛的生态系统
  • 电磁可靠性问题:
    • 增加屏蔽
  • 功耗问题:
    • 摩尔定律,工艺改进

添加微信”btighteast”加入微信交流群
(仅限专业人士,添加备注单位+姓名)


END


汽车电子与软件 主要介绍汽车电子软件设计相关内容,每天分享一篇技术文章!
评论
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 73浏览
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 110浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 66浏览
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 72浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 66浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 76浏览
  • 随着市场需求不断的变化,各行各业对CPU的要求越来越高,特别是近几年流行的 AIOT,为了有更好的用户体验,CPU的算力就要求更高了。今天为大家推荐由米尔基于瑞芯微RK3576处理器推出的MYC-LR3576核心板及开发板。关于RK3576处理器国产CPU,是这些年的骄傲,华为手机全国产化,国人一片呼声,再也不用卡脖子了。RK3576处理器,就是一款由国产是厂商瑞芯微,今年第二季推出的全新通用型的高性能SOC芯片,这款CPU到底有多么的高性能,下面看看它的几个特性:8核心6 TOPS超强算力双千
    米尔电子嵌入式 2025-01-03 17:04 42浏览
  • 自动化已成为现代制造业的基石,而驱动隔离器作为关键组件,在提升效率、精度和可靠性方面起到了不可或缺的作用。随着工业技术不断革新,驱动隔离器正助力自动化生产设备适应新兴趋势,并推动行业未来的发展。本文将探讨自动化的核心趋势及驱动隔离器在其中的重要角色。自动化领域的新兴趋势智能工厂的崛起智能工厂已成为自动化生产的新标杆。通过结合物联网(IoT)、人工智能(AI)和机器学习(ML),智能工厂实现了实时监控和动态决策。驱动隔离器在其中至关重要,它确保了传感器、执行器和控制单元之间的信号完整性,同时提供高
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:28 166浏览
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 79浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 73浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦