10 BASE 以太網(wǎng)與CAN-XL有哪些不同點(diǎn)呢？

隨著EEA-Zonal的架構(gòu)概念不斷發(fā)展，為了充分利用這種新架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，顯然需要將以太網(wǎng)連接擴(kuò)展到終端傳感器和驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)連接技術(shù)（如FlexRay和CAN）通常要求在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，這可能導(dǎo)致成本、復(fù)雜性和延時(shí)增加。現(xiàn)有的汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)（如100BASE-T1）需要使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交換連接，無(wú)法滿(mǎn)足支持終端連接應(yīng)用向以太網(wǎng)過(guò)渡的系統(tǒng)成本要求。

10BASE-T1S提供缺失的鏈接，通過(guò)優(yōu)化的以太網(wǎng)到邊緣連接支持這種過(guò)渡。在這個(gè)部署過(guò)程中，仍然需要克服一些問(wèn)題，例如以太網(wǎng)連接會(huì)增加模塊實(shí)施方案的元件成本和復(fù)雜性。10BASE-T1S通過(guò)降低系統(tǒng)成本，以及提供多種支持不同類(lèi)型的信號(hào)鏈分區(qū)的產(chǎn)品選擇來(lái)解決這些問(wèn)題。

一、10BASE-T1S 介紹

IEEE開(kāi)發(fā)了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一種新變體，它在單對(duì)物理層上提供10Mbit/s的帶寬。這一規(guī)范被稱(chēng)為IEEE Std 802.3cg-2019，并于2020年初發(fā)布。它主要包括兩個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：10Base-T1L和10Base-T1S。

10Base-T1L是10Mbit/s的SPE（Single Pair Ethernet）的遠(yuǎn)距離變體，允許電纜長(zhǎng)度達(dá)到1000米。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的變體可應(yīng)用于卡車(chē)、火車(chē)和其他車(chē)輛技術(shù)，也可用于工業(yè)4.0。通過(guò)該協(xié)議，可以打破在工廠執(zhí)行一線服務(wù)的基本操作設(shè)備（傳感器、閥門(mén)、執(zhí)行器和控制器）與實(shí)現(xiàn)新型智能工廠所需的智能企業(yè)數(shù)據(jù)、比特和字節(jié)庫(kù)之間的障礙。然而，對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用而言，這種變體并不適用。

10Base-T1S提供端到端的短距離全雙工傳輸，或者是半雙工的多對(duì)多傳輸，適用于汽車(chē)應(yīng)用。10BASE-T1S與其他汽車(chē)以太網(wǎng)技術(shù)的不同之處在于，它支持多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)同一對(duì)非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供了一個(gè)優(yōu)化的BOM（Bill of Materials），只需在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上部署一個(gè)以太網(wǎng)PHY，而無(wú)需采用與其他以太網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的交換機(jī)或星型拓?fù)洹Ｔ摌?biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須支持至少8個(gè)節(jié)點(diǎn)（可以支持更多節(jié)點(diǎn)），總線長(zhǎng)度必須達(dá)到25米。

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10Baes-T1S 總線式以太網(wǎng)

在使用10BASE-T1S總線拓?fù)鋾r(shí)，需要特別關(guān)注服務(wù)質(zhì)量，因此采用了一種稱(chēng)為物理層沖突規(guī)避（PLCA）的輪詢(xún)機(jī)制。PLCA的目的是避免共享網(wǎng)絡(luò)上的沖突，不像FlexRay中使用固定調(diào)度會(huì)浪費(fèi)未使用的傳輸時(shí)隙，相比CAN系列規(guī)范，PLCA使用了更高的帶寬利用率。

PLCA是對(duì)CSMA/CD的擴(kuò)展，其目標(biāo)是改進(jìn)以太網(wǎng)在多分叉（總線）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上現(xiàn)有碰撞檢測(cè)機(jī)制（CSMA/CD）在吞吐量、延遲和公平性方面的表現(xiàn)。這種仲裁純粹在物理層進(jìn)行，MAC在以下描述的過(guò)程中不承擔(dān)任何作用。啟動(dòng)PLCA后，只有具有傳輸機(jī)會(huì)的物理層設(shè)備被允許發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸機(jī)會(huì)以循環(huán)方式分配。每個(gè)物理層設(shè)備可以在其傳輸機(jī)會(huì)期間發(fā)送信息幀。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)時(shí)，新的周期開(kāi)始。

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PLCA 循環(huán)示例

在PLCA系統(tǒng)中，每個(gè)物理層設(shè)備（PHY）都被分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的PHY ID，范圍從0到255。PHY ID為0的設(shè)備是PLCA協(xié)調(diào)器。每個(gè)PHY設(shè)備都知道系統(tǒng)中PHY設(shè)備的數(shù)量。PLCA采用輪詢(xún)方案，每個(gè)輪次由PLCA協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)信標(biāo)（BEACON）來(lái)觸發(fā)。在PLCA方案中，每個(gè)參與者（包括協(xié)調(diào)器）按照PHY ID的順序，在信標(biāo)之后都有一個(gè)發(fā)送機(jī)會(huì)。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中的下一個(gè)PHY設(shè)備將在超時(shí)時(shí)間后獲得機(jī)會(huì)。如果節(jié)點(diǎn)有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，允許在其傳輸機(jī)會(huì)內(nèi)開(kāi)始傳輸幀。如果系統(tǒng)配置允許，節(jié)點(diǎn)還可以進(jìn)行突發(fā)傳輸，即發(fā)送多個(gè)幀，每個(gè)消息的有效載荷長(zhǎng)度可以不同。

這種調(diào)度方案避免了總線沖突和重傳，降低了帶寬的使用，并保證了系統(tǒng)內(nèi)傳輸機(jī)會(huì)的公平性。實(shí)踐中觀察到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的往返延遲小于半毫秒，在使用iperf3工具測(cè)量IP網(wǎng)絡(luò)上的最大可實(shí)現(xiàn)帶寬時(shí)，幾乎可以達(dá)到10Mbit/s的全速。在這種PLCA機(jī)制的基礎(chǔ)上，可以在MAC層啟用CBS或TAS等功能。

目前，數(shù)據(jù)線傳輸功率（PoDL）的傳輸尚未完全標(biāo)準(zhǔn)化，但已有一些工作組在研究和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE正在擴(kuò)展802.3cg規(guī)范，其中包括添加PoDL功能。10BASE-T1S的物理層是交流耦合的，因此可以為遠(yuǎn)程設(shè)備提供電力。

10BASE-T1S主要具有以下五個(gè)特點(diǎn)：多點(diǎn)物理層、無(wú)沖突、高效的帶寬利用、確定性和低延遲、安全機(jī)制。基于這些特點(diǎn)，10BASE-T1S非常適用于傳統(tǒng)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中的各種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、10BASE-T1S 與CAN-XL 對(duì)比

降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本一直是合理的訴求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于以太網(wǎng)完全覆蓋了FlexRay和MOST的應(yīng)用領(lǐng)域，因此FlexRay和MOST很可能被替換，只保留CAN和以太網(wǎng)。以太網(wǎng)適用于娛樂(lè)、ADAS、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)，工作速率在100～1000Mbit/s之間；而CAN/CAN-FD適用于發(fā)動(dòng)機(jī)管理和車(chē)身控制等系統(tǒng)，工作速率在0.5～5Mbit/s之間?？紤]到車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中大約90%的控制器節(jié)點(diǎn)的通信速率低于10Mbit/s，因此10Mbit/s的通信速率可以滿(mǎn)足廣泛的應(yīng)用需求，無(wú)論是音頻、雷達(dá)、超聲波傳感器還是底盤(pán)控制。因此，CAN-XL和以太網(wǎng)10BASE-T1S在這個(gè)領(lǐng)域存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

這兩種協(xié)議的開(kāi)發(fā)都是為了滿(mǎn)足新的電子/電氣架構(gòu)要求，并在10Mbit/s的區(qū)域提供預(yù)期的性能。這兩種協(xié)議都提供相同的數(shù)據(jù)速率，允許應(yīng)用傳輸更長(zhǎng)的有效載荷，并在總線上實(shí)現(xiàn)接近10Mbit/s的傳輸速度。然而，它們的介質(zhì)訪問(wèn)方案不同。接下來(lái)將對(duì)它們的數(shù)據(jù)報(bào)效率和總線循環(huán)效率進(jìn)行對(duì)比。

2.1數(shù)據(jù)報(bào)的效率

兩種協(xié)議在數(shù)據(jù)報(bào)中都有頭部和尾部的開(kāi)銷(xiāo)，包括尋址、協(xié)議字段和CRC等。在CAN-XL中，仲裁階段和數(shù)據(jù)階段的填充位以及不同的總線速度會(huì)進(jìn)一步影響效率。

通過(guò)將開(kāi)銷(xiāo)量與有效負(fù)載位上的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)相關(guān)聯(lián)，可以繪制出數(shù)據(jù)報(bào)在有效負(fù)載上的效率曲線。CAN-XL的仲裁階段較慢，報(bào)頭較大，開(kāi)銷(xiāo)較高。以1Mbit/s而不是500kbit/s的速度運(yùn)行仲裁階段可以顯著提高數(shù)據(jù)報(bào)的效率，特別對(duì)于較短的幀來(lái)說(shuō)效果更為顯著。

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數(shù)據(jù)報(bào)的效率比較

2.2總線循環(huán)效率

如果我們觀察PLCA循環(huán)而不是單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，情況將會(huì)有所改變。假設(shè)系統(tǒng)配置如圖所示，并假設(shè)只有PHY9有待處理的傳輸。



PLCA 循環(huán)示例

在這種情況下，假設(shè)總線保持未使用狀態(tài)的時(shí)間是靜默時(shí)間（24位）的9倍。另外，考慮到BEACON所需的額外時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕦?huì)發(fā)生變化，具體情況如圖所示。



總線循環(huán)效率示例

在CAN-XL中，等待任何傳輸機(jī)會(huì)不會(huì)降低總線效率，但我們?nèi)孕枰紤]空閑時(shí)間和EOF序列。在典型工作條件下，具有512字節(jié)有效載荷的情況下，CAN-XL和10Base-T1S兩種協(xié)議表現(xiàn)出相同的效率。然而，這兩種協(xié)議的效率取決于具體的用例、系統(tǒng)配置以及是否使用擴(kuò)展功能。

此外，我們還需要考慮到更高級(jí)別協(xié)議的可用性以及其他增強(qiáng)功能，例如安全性或電力傳輸。10Base-T1S和CAN-XL是兩種不同的技術(shù)，在發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中有一些區(qū)別，具體可以參考下表。

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與10BASE-T1S相比，CAN-XL能夠耦合星型和線型拓?fù)?，從而?gòu)建更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于10BASE-T1S不允許支線超過(guò)10cm的長(zhǎng)度，這導(dǎo)致現(xiàn)有的CAN解決方案的可靠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法直接用10BASE-T1S網(wǎng)絡(luò)來(lái)替代。然而，從CAN/CAN-FD升級(jí)到CAN-XL卻非常靈活，這得益于在布線和線束方面投入了大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

正是這種平滑的升級(jí)過(guò)程，使得關(guān)注緊湊型和中型汽車(chē)的原始設(shè)備制造商（OEM）對(duì)采用CAN-XL產(chǎn)生了濃厚的興趣。CAN-XL在現(xiàn)有車(chē)輛架構(gòu)的基礎(chǔ)上提供了一個(gè)理想的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，無(wú)需重新設(shè)計(jì)線束、控制器和協(xié)議棧。與IP相比，CAN的協(xié)議棧更為簡(jiǎn)單，這使得可以使用體積更小、成本更低的微控制器。CAN-XL的目標(biāo)之一就是繼續(xù)保持這一傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

而10BASE-T1可以替代CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay或音頻等連接，在以太網(wǎng)架構(gòu)下，可以在任何地方使用相同的軟件堆棧和通信機(jī)制。只需根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)段的特定速度等級(jí)更換PHY和線纜。例如，1000BASE-T1用于骨干網(wǎng)絡(luò)，100BASE-T1用于診斷和軟件下載，而10BASE-T1S用于車(chē)身和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的通信。整個(gè)以太網(wǎng)架構(gòu)無(wú)需任何網(wǎng)關(guān)，而CAN-XL則需要網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，這可能會(huì)增加成本、復(fù)雜性和延遲。在Zonal架構(gòu)中，10BASE-T1S能夠完美匹配。

汽車(chē)Zonal 架構(gòu)

10BASE-T1S和CAN-XL各有其優(yōu)勢(shì)。這兩種協(xié)議都有可能在同一個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用中使用。CAN-XL和10BASE-T1S可以共同提供連接，在基于信號(hào)的通信和面向服務(wù)的通信之間進(jìn)行橋接。通過(guò)適當(dāng)擴(kuò)展協(xié)議層，可以為應(yīng)用程序提供更多的可能性。

審核編輯：劉清