从百兆到万兆，车载以太网如何成为智能汽车网络大动脉

现在，越来越多的辅助驾驶系统之间都在进行高速、高带宽的数据传输。作为一种低成本而且重量很轻的介质，车载以太网不但能够显著降低重量与成本，更能够为车载网络提供高级安全特性和稳定性能，是推动实现车联网的重要技术之一。

根据以太网联盟的预测，随着汽车智能化应用需求的快速推进，未来智能汽车单车以太网端口将超过100个，考虑到近年来中国汽车市场庞大的年销售量，以及高级辅助驾驶、车载娱乐系统、导航系统等已逐步成为智能汽车标配的实际情况，车载以太网芯片的市场规模之大可想而知。

仅以车载以太网物理层(PHY)芯片为例，来自中国汽车技术研究中心有限公司的预测显示，2021-2025年，车载以太网PHY芯片出货量将呈十倍数量级的增长，2025年中国车载以太网PHY芯片搭载量将超过2.9亿片，市场规模有望突破120亿元，近五年CAGR为30%以上。

什么是车载以太网

以太网最初开发于1970年代，是全球所有计算机网络使用的既定标准。与我们熟悉的标准以太网相比，适用于2.5Gbps、5Gbps和10Gbps的多千兆车载以太网标准由IEEE® 802.3ch工作组定义，相关半导体产品需要经过专门设计才能够满足汽车行业严格的环境要求，并包括系统构建者需要的ISO 26262功能安全合规所需的文档。

外形上，车载以太网使用一对非屏蔽双绞线(UTP)进行全双工高速信息传输，重量轻(可降低80%的连接成本和30%的线缆重量)，且成本低；在物理层连接之上，车载以太网使用与标准以太网相同的帧结构和通信机制，包括这种成熟技术提供的所有安全功能。此外，以太网的速度也远高于以前的标准，如CAN，CAN FD，FlexRay和MOST技术，这些都是车载以太网极具吸引力的原因。

早在2015年甚至更早，以博通、恩智浦为代表的半导体公司就推出了相关芯片方案，并得到了宝马、捷豹和大众帕萨特等车型的采用，他们甚至还为此成立了“单对以太网络联盟”(OPEN Alliance)以加速其推广力度。此外，IEEE 802.3工作组、汽车开放系统架构联盟AUTOSAR、AVnu联盟等标准化组织或联盟也起到了主要的推动作用。

“像大多数汽车技术一样，车载以太网首次在高端、功能丰富的车型中部署，现在正在大规模生产的车型中部署，并在行业中快速采用。由于以太网非常成熟，且只有物理层改变用于车辆，汽车制造商可以利用过去50年间以太网用于各种应用所获得的知识。”Microchip汽车业务部门企业副总裁Matthias Kaestner在接受《电子工程专辑》独家专访时表示，从目前的应用趋势来看，“大多数汽车制造商要么正在部署以太网，要么正在评估其在下一代车辆中的使用。”

Microchip汽车业务部门企业副总裁Matthias Kaestner

之所以受到更多车企的青睐，Matthias Kaestner的看法有三点：  

1. 以太网构成了车辆的基本通信骨干，且与车辆使用电动机还是内燃发动机无关；
2. 以太网使汽车制造商可以从硬件驱动的集中架构转变为更分散的区域架构，后一种架构需要网关并转换数据以在车辆的各个领域之间传输。换句话说，这种架构使车辆各部分的数据可供各种计算平台在标准化的以太网通信帧中访问，以便功能可以由软件定义，从而实现更复杂的系统，并简化诊断、维护和故障排除的难度。
3. 它还增强了安全性，因为使用了业界熟知的以太网专用验证和加密系统，而不必从头开始开发新系统。

并非豪车专属

此前，车载以太网技术的采用成本是比较高的，一直被视作是“豪华型”汽车才配拥有的配置。但Matthias Kaestner对此给出了否定的答案，他指出，车载以太网实际上并不比其他高带宽技术更昂贵，只是需要时间将其从为特定、独立功能优化的系统转移到需要通用通信机制的更灵活、面向软件的架构，以充分利用随处可得的信息，并使用分布式计算来实现各种系统。

实际情况也的确如此。如前文所述，宝马从2015年开始在其全系车型中部署车载以太网，将娱乐、安全和通信子系统进行整合，构建车载以太网系统。随后，捷豹、路虎和大众帕萨特都在其某些车型集成了车载以太网技术。国内车企方面，2015年，奇瑞汽车和博通签订了共同开发车载以太网应用的合作谅解备忘录，上汽荣威RX5则是国内第一个将车载以太网应用到环视系统中的车型。

在造车新势力中，车载以太网的应用也非常迅速。2022年，小鹏G9在国内首次实现千兆以太网为主干通信架构；2023年，长安、比亚迪、广汽、吉利等自主品牌将推出千兆以太网适用车型，长城将在下一代车型规划中全部搭载车载以太网技术。根据中国汽车工程学会国汽战略院的预计，到2023年，一批自主品牌将搭载千兆级车载以太网，应用规模将达到50万辆以上。

“过去，每个车辆领域都独立于其他系统发展，并使用为一个特定功能优化的硬件。如今，车辆被划分为各个区域，这些区域彼此通信以协调车辆需要执行哪些操作，软件已经接管了许多功能，硬件则更通用。”他说。

在我们以往的认知中，能够进行高速、高带宽的数据传输；能够显著降低重量与成本，是车载以太网技术最主要的优势。但实际上，随着智能驾驶/自动驾驶时代的到来，以太网的优点并不仅仅在于高速，而在于它提供的可扩展性，从而提供特定功能所需的带宽。

比如，一些传感器和执行器只需要几kbps的带宽，而更复杂的视觉系统可能需要Gbps。但以太网的妙处在于，无论速度如何，数据的格式(即以太网帧)都是相同的。这样一来，车企就可以使用10Mbps的链路连接传感器，连接到一个简单的交换机以将许多10Mb数据流聚合到更高的带宽，并使用同一台交换机传输需要更高速度的视频流或信息娱乐数据。

Microchip最近推出了通过汽车认证的10BASE-T1S以太网器件LAN8670/1/2系列，就可将以前需要采用自有通信系统的低速设备，连接到汽车应用中的标准以太网系统上，从而将以太网的覆盖范围扩展到通常位于网络边缘的设备，简化了系统设计。

相关分析机构指出，车载以太网今后的发展趋势将分为三个阶段：第一阶段为面向车载诊断系统和ECU软件刷新的DoIP协议的推广运用，以及使用IP摄像头的驾驶辅助系统；第二阶段是将几个子系统整合，面向车载智能座舱和智能辅助驾驶的推广应用，如将多媒体，驾驶辅助和诊断界面结合在一起；第三阶段将使用以太网作为车载主干网络，集成动力总成、底盘和车身控制、智能座舱等，形成一个跨域汽车网络，并逐步引入TSN等新一代以太网技术。

价格方面，该机构预测称，预计到2025年，平均单车以太网+SERDES芯片合计价值量(ASP)约为1250元；到2030年后，L4级别的车型将搭载100颗以上以太网芯片，假定其中有12颗摄像头+4个显示屏、其余为千兆PHY，加上5个TSN交换芯片和2个网关芯片，届时单车以太网+SERDES芯片价值量预计将达到约4760元。

车辆安全谁做主？

随着智能汽车/车联网逐渐从概念变为现实，很多业内人士开始担忧作为物联网的一部分，未来的汽车发展方向将会从原来一个完全封闭的系统，转变为一个完全开放的系统，大量非传统汽车行业企业涌入市场，有些甚至沿用消费类电子的研发标准，从而给整个汽车电子系统架构带来极大的安全隐患。

以车载网络为例，尽管其存在安全隐患的概率非常低，但可能性也是存在的。这意味着只要有足够的时间和资源，黑客就可以开发出一整套攻击方法，并将这些攻击分送到整个车队。换言之，一种单一、设计精妙的攻击可以产生广泛的影响，这也是汽车制造商和汽车行业采取措施确保联网汽车安全的原因。

涉及网络控制、服务拒绝、监视或信息窃取等内容的网络安全是需要重点提及的另一个话题。毕竟许多入口都是需要保护的，例如以太网OBD端口访问、以太网开放端口访问、网关设备和固件破坏等，这些只通过标准数据包格式来提供基本水平的保护是远远不够的。

而采用以太网的另一个重要好处是该技术此前一直用于各种类型的通信，存在安全、业界熟知且经过测试的系统，因此能够在网络中验证参与者的身份，并加密流经网络的信息。而其它类似技术则需要开发新的安全基础设施，并且几乎没有全球生态系统的支撑来不断寻找和解决最新发现的威胁。

Microchip的安全业务部门开发并部署了用于汽车和非汽车应用的安全产品，称之为CryptoAutomotive™ IC，它们可用来验证彼此通信的器件，以确保这些器件属于汽车；还可加密在网络参与者之间传输的信息。此外，Microchip还有安全的流程系统，帮助客户插入密钥和信任证书，防止任何客户的秘密在进入汽车之前被截获，以确保这些加密器件的整个制造过程是安全的。

以太网+PCIe，并肩战斗

自动驾驶汽车是一个复杂的系统，集成了越来越复杂的电子组件组合：中央处理器(CPU)、电子控制单元(ECU)、图形处理单元(GPU)、新声学尺寸(NAD)、片上系统(SoC)、传感器、加速器和存储设备。电子元件之间的架构和通信不但必须经过精心设计，以满足严格的安全性、可靠性、性能、成本和延迟要求，还需要大量的实时数据、云连接以及快速、安全和可靠的决策——它就像一个车轮上的数据中心。

下图是一个高级驾驶辅助系统(ADAS)的体系结构图，显示了三种类型的连接数据流如何在高性能计算平台中协同工作。

在图表顶部，摄像机使用汽车SerDes联盟(ASA) Motion Link SerDes(紫色)连接到多个计算SoC，用于高速串行数据，从2Gbps扩展到16Gbps，流量数据连接的宽度表示其相对带宽。

在蓝色图的底部是两个以太网桥，连接到车辆内的区域ECU，基于IP的对称点对点连接带宽可扩展到10Gbps。这些以太网网桥中的每一个都承载着来自不同区域的其他传感器通信量，可以为新区域添加额外的以太网到PCIe网桥，以支持扩展以实现更高级别的自治。

本地存储显示为使用NVMe™技术的橙色框。多个计算源(如SoC和MCU)需要高速访问此存储，因此互连通过PCIe交换机(深蓝色)处理。通过使用PCIe Gen4，对称的点对点连接范围为每个端口16到64Gbps(4通道)。

可以看出，尽管这三种通信技术在不同的时间发展以支持不同的需求，但异构架构利用了每种技术的优势和权衡，而PCIe将其全部整合在一起，以实现最丰富的功能和最经济高效的解决方案。

结语

Matthias Kaestner最后强调说，汽车行业的愿景正在向全以太网软件定义汽车(SDV)发展，互联区域ECU、传感器和设备由中央ECU 控制。对于“绿地”制造商(全新系统的开发制造商)来说，这种迁移比老牌公司更容易，绿地环境可以立即全面采用，以便轻松采用全以太网方法。对于其他汽车制造商来说，迁移到全以太网车辆可能需要一些时间，要求SDV包括CAN、LIN和其他总线的混合网络架构，以便通过主以太网主干网本地连接到某些组件。