虹科方案 | 汽車領(lǐng)域向以太網(wǎng)融合，開發(fā)人員該如何進(jìn)行車內(nèi)通信驗(yàn)證？

在未來的發(fā)展中，汽車網(wǎng)絡(luò)將從不同協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向分層且同質(zhì)化的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在這種新情況下，反映真實(shí)車輛網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試臺(tái)將需要能夠在車內(nèi)通信驗(yàn)證過程中支持它們的分析工具，在記錄流量的同時(shí)進(jìn)行過濾和解析。

案例

背景

01

汽車領(lǐng)域向以太網(wǎng)融合

如今，汽車內(nèi)部的技術(shù)正變得越來越復(fù)雜和緊密。汽車內(nèi)最新的應(yīng)用程序和功能在帶寬、延遲、同步、高實(shí)用性、QoS方面有所提升，同時(shí)也降低了成本要求。一直以來在汽車上使用最多的傳統(tǒng)協(xié)議（即CAN、LIN、MOST、FlexRay等）無法滿足這一趨勢(shì)。在這種情況下，以太網(wǎng)明顯地引領(lǐng)著IVN--車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，因?yàn)榕c上述其他協(xié)議相比，它有著如下優(yōu)勢(shì)：

圖1 汽車行業(yè)中常用協(xié)議的簡(jiǎn)單對(duì)比

正如許多其他部門（航空航天、鐵路、工業(yè)自動(dòng)化等）一樣，汽車領(lǐng)域向以太網(wǎng)的融合也是著眼于現(xiàn)實(shí)的要求。根據(jù)MarketsAndMarkets預(yù)計(jì)，汽車以太網(wǎng)市場(chǎng)將從2019年的16億美元增長(zhǎng)到2024年增長(zhǎng)到44億美元。同樣地，F(xiàn)rost & Sullivan的數(shù)據(jù)顯示，到2022年，汽車以太網(wǎng)端口的總數(shù)量預(yù)計(jì)將高于所有其他以太網(wǎng)端口的總數(shù)。

02

汽車IVN架構(gòu)演變

從歷史上看，汽車中的電子系統(tǒng)被劃分為幾個(gè) "域" (主要為動(dòng)力系統(tǒng)、底盤、車身、舒適性和診斷等)。但近年來又出現(xiàn)了一些新的 "域"，如信息娛樂、駕駛員輔助、車內(nèi)體驗(yàn)、C-V2x、霧和云后端等。

在傳統(tǒng)方法中，每個(gè)域都有一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于一個(gè)專門的ECU（電子控制單元），并負(fù)責(zé)各個(gè)域內(nèi)特定的主要功能。如今，各個(gè)域之間有了更多的互動(dòng)和依賴性，但它們通常仍然有獨(dú)立的控制系統(tǒng)。此外，由于遺留問題，在最古老的域內(nèi)，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”是未來車輛最常用的架構(gòu)之一。

圖2 "中央網(wǎng)關(guān)+域控制器”架構(gòu)

如圖2所示，這種基于新型架構(gòu)的中央網(wǎng)關(guān)需要一個(gè)基于主干網(wǎng)的以太網(wǎng)（所謂的"融合主干網(wǎng)"），連接分布在汽車上的所有不同域。這個(gè)中央網(wǎng)關(guān)是一種以太網(wǎng)多端口路由器/交換機(jī)，具有額外的車輛控制層面功能。同時(shí)，有一個(gè)特定的域網(wǎng)關(guān)將每個(gè)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(shí)，該域網(wǎng)關(guān)將成為域交換機(jī)，因?yàn)樗阅撤N方式作為常規(guī)以太網(wǎng)交換機(jī)運(yùn)行。

在未來的發(fā)展中，汽車線束將從不同協(xié)議的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（CAN, LIN, MOST, FlexRay等）轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱拥?、同質(zhì)性的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

主要

挑戰(zhàn)

某個(gè)專注于汽車E/E系統(tǒng)領(lǐng)域的公司正在研發(fā)一個(gè)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)的融合主干網(wǎng)絡(luò)。這兩個(gè)域正在使用同一個(gè)域網(wǎng)關(guān)，因?yàn)樗鼈兌紝儆谕粋€(gè)汽車宏觀功能，即ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）服務(wù)。

這些域內(nèi)使用的協(xié)議是支持AVB（音頻視頻橋接）的以太網(wǎng)。因此，在這種情況下，域網(wǎng)關(guān)扮演著一個(gè)多端口以太網(wǎng)交換機(jī)的角色，具有特定的和應(yīng)用定制的功能，如以太網(wǎng)AVB支持。

以太網(wǎng)上的AVB是對(duì)IEEE802.1規(guī)范的一組延伸，它支持本地以太網(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)

在該域網(wǎng)關(guān)的驗(yàn)證過程中 ，在真實(shí)反映車輛網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)上，往往會(huì)在以下方面遇到困難：

1

在測(cè)試平臺(tái)上記錄流量，從而為域網(wǎng)關(guān)的模擬模型盡可能提供更多真實(shí)流量。

2

在特定條件下記錄的幀/數(shù)據(jù)包。舉個(gè)例子，假設(shè)在IEEE802.1AS平面上，一個(gè)特定的時(shí)間標(biāo)記之后記錄所有IEEE802.1Qat 幀是有必要的。Qat和AS是對(duì)一對(duì)IEEE802.1規(guī)范的擴(kuò)展，定義了流保留和定時(shí)同步。

為了實(shí)現(xiàn)以上需求，所采用的分析工具不僅需要能夠記錄流量，還需要在記錄數(shù)據(jù)包的同時(shí)保存一個(gè)時(shí)間戳，并能夠?qū)崟r(shí)過濾和解析網(wǎng)絡(luò)部分的基本流量。

虹科

解決方案

在關(guān)鍵系統(tǒng)中，必須能夠在幀級(jí)別分析網(wǎng)絡(luò)通信以進(jìn)行測(cè)試和取證。此外，這種分析的有效性將受到基礎(chǔ)設(shè)施將幀與公共時(shí)間參考相關(guān)聯(lián)的能力的限制。為滿足汽車行業(yè)的需求，虹科推出了一款高度專業(yè)化的分析工具RELY-REC，可用于無縫捕捉以太網(wǎng)流量，并能記錄所有存儲(chǔ)信息的時(shí)間戳。這個(gè)獨(dú)立的設(shè)備嵌入了所有的邏輯，使用與所分析網(wǎng)絡(luò)相同的 PTP 時(shí)序參考，可用于監(jiān)控、過濾、記錄時(shí)間戳并以一種低消耗而緊湊的格式捕獲最復(fù)雜的以太網(wǎng)流量。

圖4 虹科RELY-REC實(shí)物圖

在本案例中，虹科RELY-REC將以TAP 模式安裝在 "被測(cè)網(wǎng)絡(luò) "的網(wǎng)絡(luò)鏈接中，允許通過其服務(wù)端口，同步遠(yuǎn)程檢索記錄流量（PCAP格式）。該設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)之一是它對(duì)任何應(yīng)用的適應(yīng)性，這要?dú)w功于其基于 SFP 模塊的多媒體多速率以太網(wǎng)端口，以支持汽車領(lǐng)域使用的多數(shù)擴(kuò)展接口。

圖5 虹科RELY-REC的TAP配置

另外，虹科RELY-REC還包括一個(gè)強(qiáng)大的觸發(fā)工具，允許根據(jù)嵌套條件（AND、OR）定義觸發(fā)器并將多個(gè)動(dòng)作連接到觸發(fā)器。它支持多種輸入類型條件（模擬/數(shù)字輸入信號(hào)、警報(bào)和來自第三方系統(tǒng)的信號(hào)、時(shí)間表、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）。

圖6 觸發(fā)菜單中的 RELY-REC 條件和動(dòng)作配置示例

為了簡(jiǎn)化對(duì)存儲(chǔ)流量的訪問，虹科RELY-REC支持用于存儲(chǔ)優(yōu)化和高效監(jiān)控的可配置過濾器。這些過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，虹科RELY-REC 允許同時(shí)遠(yuǎn)程訪問通過服務(wù)端口存儲(chǔ)在內(nèi)部的記錄。設(shè)備中可用的帶時(shí)間戳的事件日志簡(jiǎn)化了觸發(fā)器與相應(yīng)記錄的關(guān)聯(lián)。

案例

總結(jié)

以太網(wǎng)融合已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，汽車網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域同樣如此。因此，在汽車網(wǎng)絡(luò)中驗(yàn)證和集成新設(shè)備的需求逐漸顯現(xiàn)，并在查看網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)流量、即時(shí)過濾流量、收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等方面提出了更高的要求。一些主要的測(cè)試需求如下：

1) 驗(yàn)證協(xié)議符合性和互操作性的符合性測(cè)試

2) 用于汽車堆棧和組件的TCP/UDP/IP一致性測(cè)試

3) 主要用于驗(yàn)證基于應(yīng)用性能的數(shù)據(jù)平面，以及較低層次的同步平面的準(zhǔn)確性和行為的協(xié)議驗(yàn)證和性能測(cè)試

4) 中央網(wǎng)關(guān)和域網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)交換功能測(cè)試；AVB功能，獲得預(yù)期的數(shù)據(jù)包丟失、損失、帶寬和每個(gè)服務(wù)類別的延遲服務(wù)（Qos）的預(yù)期數(shù)據(jù)包丟失、帶寬和延遲，鏈路故障后的切換和收斂時(shí)間，在某些節(jié)點(diǎn)行為不當(dāng)?shù)那闆r下的行為等。

虹科RELY-REC是一款能夠檢查、時(shí)間戳和記錄常規(guī)以太網(wǎng)和高可用性以太網(wǎng)流量的設(shè)備，能夠滿足上述的所有要求。此外，該設(shè)備還能夠升級(jí)為TSN功能。

虹科RELY-REC的關(guān)鍵特性

多介質(zhì)多速率端口

帶有數(shù)據(jù)包檢查和時(shí)間戳的事件日志的高級(jí)觸發(fā)工具

可定制的過濾器，用于確定記錄的流量

同步遠(yuǎn)程流量檢索

記錄為PCAP格式，與Wireshark應(yīng)用程序兼容

可使用時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）功能