?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(zhǎng)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(shì)

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(wú)法滿足車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動(dòng)駕駛功能對(duì)高帶寬、低延遲數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。因此，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(shí)時(shí)傳輸，對(duì)于ADAS和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)至關(guān)重要?12。

融合以太網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景和案例

在實(shí)際應(yīng)用中，融合以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高清視頻播放、在線音樂(lè)流媒體傳輸以及與智能手機(jī)的快速連接和數(shù)據(jù)同步。在ADAS和自動(dòng)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(shí)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(yàn)?13。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

未來(lái)，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(shì)。這種融合不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車內(nèi)車外的無(wú)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(qiáng)安全性，為未來(lái)的智能交通系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)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(lái)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)，反映真實(shí)的車輛網(wǎng)絡(luò)，將需要分析工具，能夠支持他們?cè)隍?yàn)證過(guò)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(lái)越復(fù)雜，聯(lián)系也越來(lái)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(lái)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?yàn)樗c前面提到的其他協(xié)議相比有許多優(yōu)勢(shì)(請(qǐng)參閱下一個(gè)比較表作為參考)。

Network TypeAverage CostBandwidthComplexityTolerance

CANMediumLowHighHigh

FlexRayHighMediumHighMedium

MOSTMediumMediumMediumLow

EthernetLowHighMediumLow

表1：汽車常用協(xié)議簡(jiǎn)單比較

與許多其他行業(yè)(航空航天、鐵路、工業(yè)自動(dòng)化等)一樣，汽車行業(yè)也實(shí)現(xiàn)了向以太網(wǎng)的融合。預(yù)計(jì)2019年汽車市場(chǎng)的以太網(wǎng)市場(chǎng)將從2024億美元增長(zhǎng)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(jì)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(guò)去，汽車的電子系統(tǒng)被劃分為幾個(gè)領(lǐng)域(主要是動(dòng)力傳動(dòng)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(lè)、駕駛員輔助、車內(nèi)體驗(yàn)、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(gè)域都有一個(gè)獨(dú)立的控制，基于一個(gè)專用的ECU(電子控制單元)，每個(gè)域內(nèi)具有特定的主要功能。現(xiàn)如今，各個(gè)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(dú)立的控制系統(tǒng)。此外，由于遺留問(wèn)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(lái)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(gè)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(gè)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(jī)，具有附加的車輛控制級(jí)功能。同時(shí)，有一個(gè)特定于域的網(wǎng)關(guān)將每個(gè)域與以太網(wǎng)主干網(wǎng)連接起來(lái)。當(dāng)域內(nèi)的協(xié)議也是以太網(wǎng)時(shí)，該域網(wǎng)關(guān)就成為域交換機(jī)中的一個(gè)，因?yàn)樗阅撤N方式作為常規(guī)以太網(wǎng)交換機(jī)運(yùn)行。

在接下來(lái)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(kāi)發(fā)一種新的域網(wǎng)關(guān)，用于將駕駛員輔助和信息娛樂(lè)域連接到車內(nèi)的聚合主干網(wǎng)。這兩個(gè)域使用一個(gè)域網(wǎng)關(guān)，因?yàn)樗鼈兌紝儆谝粋€(gè)單一的汽車宏功能，即ADAS高級(jí)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(jī)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(kuò)展，支持本地以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)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(yàn)證過(guò)程中，在反映真實(shí)車輛網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)臺(tái)上缺少了以下特定功能：

① 能在試驗(yàn)臺(tái)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(shí)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(gè)時(shí)間標(biāo)記之后的所有IEEE802.1Qat幀。Qat和AS是IEEE802.1規(guī)范的兩個(gè)擴(kuò)展，定義了流保留和定時(shí)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(shí)間戳，并且能夠?qū)崟r(shí)地、動(dòng)態(tài)地過(guò)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(gè)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(chǔ)的報(bào)文記錄時(shí)間戳。

圖4：RELY-TSN-REC

這個(gè)獨(dú)立設(shè)備嵌入了過(guò)濾、記錄時(shí)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(gè)性價(jià)比高且高度集成的小模塊中。對(duì)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(cè)試中網(wǎng)絡(luò)”網(wǎng)絡(luò)鏈路中，允許通過(guò)其服務(wù)端口同時(shí)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(gè)結(jié)論是，以太網(wǎng)融合已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，在汽車網(wǎng)絡(luò)中也是如此。此外，對(duì)汽車網(wǎng)絡(luò)中新設(shè)備的驗(yàn)證和集成提出了新的需求：

① 一致性測(cè)試：其目的是驗(yàn)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(cè)試;

② 協(xié)議驗(yàn)證和性能測(cè)試：這里的主要目的是驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)平面的應(yīng)用程序性能，以及較低級(jí)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(cè)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(shí)間以及某些節(jié)點(diǎn)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(cè)到網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)流量;

② 能夠過(guò)濾實(shí)時(shí)傳輸?shù)牧髁?

③ 能收集實(shí)時(shí)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(shí)間戳;

④ 根據(jù)多個(gè)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(dú)立設(shè)備記錄儀RELY-TSN-REC符合上述所有功能。此外，它是一個(gè)支持TSN的設(shè)備，可以升級(jí)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(jí)分析網(wǎng)絡(luò)通信以進(jìn)行測(cè)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(shí)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(jìn)行檢查和記錄時(shí)間戳的設(shè)備，使用與分析中的網(wǎng)絡(luò)相同的PTP定時(shí)基準(zhǔn)。該設(shè)備的一些主要優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)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(gè)強(qiáng)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(gè)操作鏈接到一個(gè)觸發(fā)器。

支持多種輸入類型條件(模擬/數(shù)字輸入信號(hào)、來(lái)自第三方系統(tǒng)的警報(bào)和信號(hào)、時(shí)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(bào)輸出)。

為了簡(jiǎn)化對(duì)存儲(chǔ)流量的訪問(wèn)，RELYREC支持可配置的過(guò)濾器，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)優(yōu)化和高效監(jiān)控。這些過(guò)濾器可以由最終用戶根據(jù)Wireshark語(yǔ)義進(jìn)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(guò)服務(wù)端口同時(shí)遠(yuǎn)程訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)的記錄。設(shè)備中的時(shí)間戳事件日志簡(jiǎn)化了觸發(fā)器與相應(yīng)記錄的關(guān)聯(lián)。