車載以太網(wǎng)：解決復(fù)雜線束并支持更多的數(shù)據(jù)

本文作者：Tim Stevens

如果你曾經(jīng)有機(jī)會(huì)觀察過(guò)汽車線束中亂七八糟的東西，你就會(huì)知道這些東西可能非常龐大；數(shù)百根電線都用扎帶捆綁在一起，希望你永遠(yuǎn)不必剪斷這些電線，以免劃傷內(nèi)部敏感的屏蔽層。

這些捆綁包占用了汽車底盤內(nèi)的寶貴空間，增加了不必要的重量并產(chǎn)生更多潛在的故障點(diǎn)。但是，由于采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)的一些新型高帶寬布線，可以用一根細(xì)長(zhǎng)的線取代這一團(tuán)線纜，提供比所有其他線加起來(lái)還要多的帶寬。

這是車載以太網(wǎng)承諾的一部分，但它好處遠(yuǎn)不止于此。

以太網(wǎng)和軟件定義汽車時(shí)代

軟件定義車輛(SDV) 時(shí)代即將來(lái)臨。隨著更多代碼運(yùn)行更多汽車的更多部件，從根本上改變汽車的行為方式甚至使用從云端下載的代碼進(jìn)行駕駛的可能性越來(lái)越大。

但是，汽車中運(yùn)行的軟件越多也意味著數(shù)據(jù)越多。很多很多的數(shù)據(jù)。所有這些幫助現(xiàn)代汽車了解周圍世界的高清傳感器每秒都會(huì)產(chǎn)生大量信息。所有這些數(shù)據(jù)都必須通過(guò)汽車以無(wú)窮無(wú)盡的數(shù)據(jù)流形式傳輸，這些數(shù)據(jù)流很快會(huì)匯成河流。

如果這還不夠，你還可以使用可啟動(dòng) 64 個(gè)頻道的現(xiàn)代信息娛樂(lè)系統(tǒng)。杜比全景聲 (Dolby Atmos) 音頻或高清視頻流傳輸?shù)蕉鄠€(gè)后座信息娛樂(lè)顯示屏。

換句話說(shuō)，你的下一輛車的外表下發(fā)生了很多事情，所有這些都需要更多的帶寬。以太網(wǎng)就是解決方案。

什么是以太網(wǎng)？

如果你熟悉以太網(wǎng)一詞，可能知道它是一種用于將互聯(lián)網(wǎng)提供商的調(diào)制解調(diào)器連接到無(wú)線路由器的電纜（最常見(jiàn)的是 Cat 6 以太網(wǎng)電纜）?；蛘撸绻闶且幻J(rèn)真的游戲玩家，你可以使用它來(lái)將 PC 或控制臺(tái)直接連接到網(wǎng)絡(luò)，以獲得最低的延遲。

這是很常見(jiàn)的事情，但這并不完全是我們談?wù)摰能囕d以太網(wǎng)。從形式上來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)實(shí)際上根本不是單一類型的電纜；它是一種電纜。它是一種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，定義了多個(gè)設(shè)備安全可靠地交互的方式。

順便說(shuō)一句，以太網(wǎng)是大寫的，因?yàn)樗傅氖鞘?lè)在 1970 年代注冊(cè)的一項(xiàng)技術(shù)。施樂(lè)發(fā)布了該商標(biāo)，以便該技術(shù)最終成為跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它仍然是一個(gè)專有名稱。

我們通常稱之為“以太網(wǎng)電纜”的東西。家里的電纜內(nèi)部包含多對(duì)較小的電纜，絞合在一起，這就是它們通常被稱為“雙絞線”的原因。它們的每一端通常都有一個(gè) RJ45 連接器，看起來(lái)像一個(gè)超大的電話插孔。這種電纜的正式名稱是 100BASE-T 或 1000BASE-T，指的是每秒 100 兆位或 1,000 兆位（千兆位）的數(shù)據(jù)傳輸速度。如果使用的是千兆位以太網(wǎng)，則應(yīng)該提供足夠的帶寬，可以在大約四分鐘內(nèi)傳輸一部 4K 電影。

當(dāng)涉及到現(xiàn)代車載數(shù)據(jù)時(shí)，即使這樣也太慢了。更快的速度需要一種完全不同的電纜。“我們談?wù)摰氖且环N叫做T1的技術(shù)，”Amir Bar-Niv說(shuō)。他是Marvell半導(dǎo)體公司的營(yíng)銷副總裁，Marvell是一家總部位于加州的主要國(guó)際半導(dǎo)體和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商?！拔覀兯龅囊磺?，100兆、千兆位、多兆和25gig, ，都是為T1設(shè)計(jì)的。”

當(dāng)Bar-Niv說(shuō)“25gig, ”時(shí)，他指的是25G，足以在8秒內(nèi)傳輸同樣的4K電影，并且有足夠的帶寬用于制作你想要的所有故事片。

這里的電纜類型不僅針對(duì)速度進(jìn)行了優(yōu)化，而且適用于汽車使用。它比你桌子后面雜亂的電纜更細(xì)更輕，也更便宜——一對(duì)電線纏繞成一根電纜，甚至是一根光纖線，使用一種名為T1的新型標(biāo)準(zhǔn)連接器，提供下一代SDV應(yīng)用所需的所有帶寬

事情并不總是這樣的。事實(shí)上，車載以太網(wǎng)可以追溯到15年前。Ian richards說(shuō):“2008年，寶馬在F01 7系車型上首次引入了這一技術(shù)。他是TechInsights汽車業(yè)務(wù)副總裁，這是一家專注于半導(dǎo)體分析的國(guó)際公司。“它最初用于診斷端口，也用于信息娛樂(lè)系統(tǒng)上的20mbps前座/后座鏈接。”第一個(gè)應(yīng)用程序使用100BASE-T電纜，就像你在家里使用的那樣。

當(dāng)然，這些不斷發(fā)展的電纜標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，但要真正建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，你需要一個(gè)地方來(lái)插入它們。在一端，你有傳感器和系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)并完成工作。另一端是汽車上處理數(shù)據(jù)的各種處理器。保持一切朝著正確的方向發(fā)展需要一系列的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，即交換機(jī)和路由器。

將這些交換機(jī)最佳地放置在汽車內(nèi)，可以最大限度地減少所需的布線數(shù)量，同時(shí)仍然使汽車中的所有設(shè)備能夠相互通信。這種配置，通常被稱為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)或拓?fù)?，是事情開(kāi)始變得有趣的地方。

退出域控制

傳統(tǒng)上，隨著汽車在其生命周期中獲得功能和選項(xiàng)，統(tǒng)稱為線束的電線束就會(huì)不斷增長(zhǎng)，隨著每一項(xiàng)新功能的出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生更多的線束。

巴爾-尼夫說(shuō)，這是舊的事物連接方式的遺產(chǎn)，他稱之為域架構(gòu)。

將汽車的每個(gè)系統(tǒng)（例如照明或信息娛樂(lè)系統(tǒng)）視為一個(gè)單獨(dú)的域。每個(gè)域都直接由一個(gè)或多個(gè)（可能是數(shù)十個(gè)獨(dú)立的微處理單元）控制，所有這些單元都分散在汽車中。

如果汽車在中期更新中采用了一些新功能，例如加熱清洗器噴嘴或盲點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，則將在捆綁中添加更多電線來(lái)控制該功能。

“在域之間幾乎根本不共享的汽車中，每個(gè)域都需要將所有電纜都繞在汽車周圍，”巴爾-尼夫說(shuō)道。 “結(jié)果是，你知道，大量的電纜，高成本，電纜高速公路?！?/p>

通過(guò)以太網(wǎng)，他說(shuō)，汽車可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛ミB區(qū)域的集合，每個(gè)區(qū)域都包含傳感器或設(shè)備，他將其稱為代理：“每個(gè)區(qū)域現(xiàn)在都需要有它自己的以太網(wǎng)交換機(jī)連接到該區(qū)域中該域的所有代理，然后通過(guò)一條細(xì)細(xì)的以太網(wǎng)電纜聚合所有流量，該電纜真正構(gòu)建了汽車的主干。”

這樣，多個(gè)車載系統(tǒng)都通過(guò)同一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。通過(guò)共享，汽車的設(shè)計(jì)可以從根本上簡(jiǎn)化。中央處理器不是散布在各處的數(shù)十個(gè)定制小芯片，而是更少、更強(qiáng)大的中央處理器處理整輛車的所有數(shù)字繁重工作。

除了簡(jiǎn)化之外，這還為汽車行為的演變打開(kāi)了大門，而這正是SDV的標(biāo)志。Bar-Niv以汽車攝像頭為例:“如今的攝像頭使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，”他說(shuō)，將數(shù)據(jù)直接從成像傳感器傳輸?shù)绞褂盟南到y(tǒng)。

正因?yàn)槿绱?，后視攝像頭只能作為后視攝像頭使用，因?yàn)檐噧?nèi)的其他系統(tǒng)無(wú)法訪問(wèn)它。

例如，不能在信息娛樂(lè)系統(tǒng)和 ADAS 之間共享攝像頭，”巴爾-尼夫說(shuō)道。

但是，一旦所有這些攝像頭都通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信（全部位于同一網(wǎng)絡(luò)上），就可以編寫軟件以有趣的新方式使用這些攝像頭，例如將后視攝像頭變成通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸鏡頭的行車記錄儀。然后可以通過(guò)無(wú)線 (OTA) 更新下載此功能。

這種靈活性是 SDV 的核心，根據(jù) Bar-Niv 的說(shuō)法，最近對(duì)汽車制造商進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，預(yù)計(jì)到 2026 年，80% 的新車將轉(zhuǎn)向這種架構(gòu)，成為一個(gè)價(jià)值 56 億美元的產(chǎn)業(yè)。

換句話說(shuō)：這不僅僅是高端豪華車的趨勢(shì)。

而且，隨著這種趨勢(shì)的持續(xù)，對(duì)更多帶寬的需求也將同樣增加。 “100 兆比特對(duì)于域基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了?，F(xiàn)在，低于 2.5 GB 的設(shè)備是不可接受的?！卑蜖?尼夫說(shuō)道。

汽車級(jí)可靠性

這里的許多核心技術(shù)都基于常見(jiàn)的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)硬件——與銀行或企業(yè)使用的東西相同。然而，將其引入汽車應(yīng)用需要更高的可靠性。如果銀行的某個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件出現(xiàn)故障，該銀行可能會(huì)蒙受損失，直到它被修復(fù)為止。這不太好，但是當(dāng)汽車的主動(dòng)安全系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，在最壞的情況下，任何故障都可能導(dǎo)致人員傷亡。

防止此類故障的一個(gè)關(guān)鍵部分是提高汽車中安裝的組件的最終質(zhì)量。 “我們用 DPPM 來(lái)衡量可靠性，”巴爾-尼夫說(shuō)，它代表百萬(wàn)分之一的缺陷零件。 Bar-Niv 表示，對(duì)于消費(fèi)類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，DPPM“在幾百到 1,000 的范圍內(nèi)”。

在汽車領(lǐng)域，目標(biāo)是少于 1 個(gè) DPPM，即生產(chǎn)的百萬(wàn)分之一有缺陷的零件。

但即使這些零件是按照更高的標(biāo)準(zhǔn)制造的，故障仍然可能發(fā)生。這就是冗余的用武之地，比如使用所謂的雙核鎖步處理器的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。在這里，每個(gè)計(jì)算都由兩個(gè)處理器處理。對(duì)每個(gè)輸出的輸出進(jìn)行比較，如果存在差異，算法可以根據(jù)功能處理器的輸出確保整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

提高汽車的安全性

如果汽車中的每個(gè)組件（從遠(yuǎn)光燈到平視顯示器）都在同一網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。沒(méi)錯(cuò)。以前，如果黑客訪問(wèn)了汽車上的給定系統(tǒng)（我們上面討論的域之一），那么黑客就不太可能接管汽車系統(tǒng)的其他方面。由于這些低效的布線量，每個(gè)系統(tǒng)域?qū)嶋H上都在單獨(dú)的、斷開(kāi)連接的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。

在經(jīng)過(guò)優(yōu)化以使用車載以太網(wǎng)的汽車中，所有內(nèi)容都合并到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)單個(gè)受損組件進(jìn)行系統(tǒng)范圍訪問(wèn)的可能性更大。值得慶幸的是，保護(hù)也更大。

“我們需要防止的是所謂的中間人攻擊，”巴爾-尼夫說(shuō)道。

這是指一種攻擊，黑客有效地假裝是汽車內(nèi)的授權(quán)系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)連接并使用它們來(lái)訪問(wèn)車內(nèi)的數(shù)據(jù)。

阻止此類攻擊的一種方法是使用硬件安全模塊 (HSM)。它們?cè)谲噧?nèi)生成數(shù)字密鑰，對(duì)車內(nèi)傳遞的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和數(shù)字簽名。這種技術(shù)通常僅用于高端企業(yè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，它在汽車中的存在確保了類似程度的移動(dòng)安全性。

成本與效益

在精美的布線、交換機(jī)和 HSM 之間，更不用說(shuō)運(yùn)行這一切的所有軟件，在以太網(wǎng)上運(yùn)行汽車而不是以前的更基本但冗余的域模型，聽(tīng)起來(lái)可能是一個(gè)昂貴的提議。

“是和否，” TechInsight 的 Riches 說(shuō)道。 “是的，以太網(wǎng)比車輛中速度較慢的現(xiàn)有 CAN 鏈路成本更高。然而，它是實(shí)現(xiàn)按需功能以及自動(dòng)駕駛所需的高速通信所需的新型車輛架構(gòu)的基本構(gòu)建模塊?！?/p>

換句話說(shuō)，沒(méi)有辦法解決這個(gè)問(wèn)題。 Riches 表示以太網(wǎng)是“城里唯一的游戲”如果你想做需要大量數(shù)據(jù)的事情。但是，與其他傳感器（例如安裝在新的Lotus Eletre上的 3D 激光掃描儀）的成本相比，連接它們的網(wǎng)絡(luò)硬件的成本將微不足道。

事實(shí)上，在某些情況下，從域切換到區(qū)域架構(gòu)，并在此過(guò)程中刪除所有冗余組件，實(shí)際上可以節(jié)省資金。 “還有一種長(zhǎng)期觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著計(jì)算性能的集中化，通過(guò)刪除當(dāng)今許多現(xiàn)有的離散 ECU 可以實(shí)現(xiàn)車輛級(jí)別的節(jié)省，”里奇斯說(shuō)道。

根據(jù)許多 OEM 的一級(jí)供應(yīng)商博世的說(shuō)法，改用這種架構(gòu)可以使這些車載網(wǎng)絡(luò)的成本降低 10%。據(jù)博世稱，未來(lái)汽車所需的車載組件（例如微處理器）也將減少 20%，而此類組件的持續(xù)短缺仍然困擾著整個(gè)行業(yè)。

因此，轉(zhuǎn)向車載以太網(wǎng)可能意味著汽車不僅會(huì)更智能、更便宜、更輕，而且未來(lái)也不會(huì)那么難找。

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