車載以太網(wǎng)為汽車網(wǎng)絡(luò)帶來根本性變革

作者：Marvell公司汽車應(yīng)用和架構(gòu)部高級總監(jiān)Christopher Mash

目前汽車中采用的車載網(wǎng)絡(luò)是基于幾種不同數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組合，其中一些已經(jīng)使用了幾十年。第一種叫作控制器局域網(wǎng)（CAN），主要負(fù)責(zé)動力總成和其他相關(guān)功能；第二個(gè)是本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN），主要用于對時(shí)間不敏感（如氣候控制、環(huán)境照明、座椅調(diào)整等）的乘客和駕駛員舒適性用途；第三種是針對信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)的面向媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）；第四種是用于防抱死制動（ABS），電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）和車輛穩(wěn)定功能的FlexRay?。

由于采用了不同的協(xié)議，這些網(wǎng)絡(luò)需要使用網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)施中傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的布線增大了車輛的重量，由此產(chǎn)生的復(fù)雜性也增加了汽車廠商的制造成本，從而會影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。對于一輛汽車而言，布線的重量在整車中占比僅次于發(fā)動機(jī)和底盤之后，名列第三；同樣在成本方面，布線也是第三貴的零部件類別。此外，這些網(wǎng)關(guān)也存在延遲問題，勢必會影響到需要快速響應(yīng)的安全關(guān)鍵型應(yīng)用。

另一方面，汽車中的電子控制單元（ECU）數(shù)量在不斷增加，目前豪華車型通常擁有150甚至更多個(gè)ECU，甚至標(biāo)準(zhǔn)車型也擁有近80～90個(gè)ECU。由于我們正朝著開發(fā)更高級別的自動駕駛汽車邁進(jìn)，數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用在不斷出現(xiàn)，以支持高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的實(shí)施。高清攝像頭和激光雷達(dá)技術(shù)也開始使用，所有這些都導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率和整體帶寬的顯著提高。

因此，對于目前車載網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)從整體技術(shù)來講，需要的是一個(gè)根本性的改變。首先是所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其次是它所依賴的底層技術(shù)。

目前，汽車內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施基于域（domain-based）的架構(gòu)。針對每個(gè)關(guān)鍵功能都有不同的域：一個(gè)用于車身控制，一個(gè)用于信息娛樂，一個(gè)用于遠(yuǎn)程信息處理，一個(gè)用于動力總成等等。通常情況下，不同的域使用不同種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組合（如CAN、LIN以及其他協(xié)議）。

隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的不斷提高，汽車工程師越來越清楚地認(rèn)識到，這種不同的域使用不同協(xié)議的方法效率越來越低。因此，在未來幾年中，將需要從目前基于域的體系架構(gòu)轉(zhuǎn)向區(qū)域（zonal）架構(gòu)。

區(qū)域架構(gòu)實(shí)施方案可以使來自不同傳統(tǒng)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)依據(jù)車輛中ECU的位置（區(qū)域）連接到該同一個(gè)ECU。這種安排將大大減少所需的布線，從而降低重量和成本，反過來將轉(zhuǎn)化為更高的燃油效率。而以太網(wǎng)技術(shù)將成為基于區(qū)域的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。

以太網(wǎng)技術(shù)除了能夠支持高數(shù)據(jù)速率之外，還同時(shí)支持廣受認(rèn)可的OSI通信模型。作為一種穩(wěn)定、歷史悠久、且廣為人知的技術(shù)，以太網(wǎng)已經(jīng)在數(shù)據(jù)通信和工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與其他車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，以太網(wǎng)明確定義了面向更高速度等級的發(fā)展路線圖，而CAN，LIN等協(xié)議卻已經(jīng)是某些應(yīng)用發(fā)展的瓶頸，而且也沒有明確的升級路徑來緩解問題。

展望未來，以太網(wǎng)技術(shù)將成為汽車所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，通過提供一個(gè)共同的協(xié)議棧，減少不同協(xié)議之間對于網(wǎng)關(guān)的需求（以及硬件和相關(guān)的軟件成本）。結(jié)果將是整個(gè)車輛采用單一的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中所有的協(xié)議和數(shù)據(jù)格式都是一致的。這意味著車載網(wǎng)絡(luò)將具有可擴(kuò)展性，不僅能夠滿足需要更高速度（例如10G）和超低延遲的功能，同時(shí)還能滿足低速功能的需求。無論是用于傳輸成像傳感數(shù)據(jù)的1Gbps設(shè)備，還是自動駕駛汽車中新一類低數(shù)據(jù)速率傳感器要求的以10Mbps運(yùn)行的設(shè)備，以太網(wǎng)PHY將可以根據(jù)具體的應(yīng)用和帶寬需求而進(jìn)行選擇。

區(qū)域架構(gòu)中的每個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)將能夠?yàn)樗胁煌挠蛑械幕顒觽魉蛿?shù)據(jù)，所有不同的數(shù)據(jù)域都將連接到本地交換機(jī)，再通過以太網(wǎng)骨干網(wǎng)聚合數(shù)據(jù)，從而更有效地使用已有的資源，使用相同的核心協(xié)議，在需要時(shí)支持不同的速度。這個(gè)同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將在車內(nèi)支持“任何地方的任何數(shù)據(jù)”，還可以通過整合來自網(wǎng)絡(luò)中不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)來支持新的應(yīng)用。

目前，在車載網(wǎng)絡(luò)走向汽車以太網(wǎng)和區(qū)域架構(gòu)的進(jìn)程中，Marvell處于領(lǐng)先地位。2017年夏季，Marvell推出了面向汽車市場并符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的88Q5050安全千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。該設(shè)備不僅能夠處理與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)施密切相關(guān)的OSI Layers 1-2（物理層和數(shù)據(jù)層）功能，還具有位于OSI Layers 3，4及以上（網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和更高層）的深度包檢測（DPI）等其他功能。這些與可信引導(dǎo)（Trusted Boot）功能相結(jié)合，可為汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師提供對于確保網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要的關(guān)鍵功能。