車載以太網為汽車網絡帶來根本性變革
2018-01-23 09:14:31 n作者：Marvell公司汽車應用和架構部高級總監Christopher Mash
目前汽車中采用的車載網絡是基于幾種不同數據網絡協議的組合，其中一些已經使用了幾十年。第一種叫作控制器局域網（CAN），主要負責動力總成和其他相關功能；第二個是本地互聯網絡（LIN），主要用于對時間不敏感（如氣候控制、環境照明、座椅調整等）的乘客和駕駛員舒適性用途；第三種是針對信息娛樂系統開發的面向媒體的系統傳輸（MOST）；第四種是用于防抱死制動（ABS），電子助力轉向（EPS）和車輛穩定功能的FlexRay™。
由于采用了不同的協議，這些網絡需要使用網關在網絡設施中傳輸數據，每個網絡所需的布線增大了車輛的重量，由此產生的復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濟性。對于一輛汽車而言，布線的重量在整車中占比僅次于發動機和底盤之后，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，這些網關也存在延遲問題，勢必會影響到需要快速響應的安全關鍵型應用。
另一方面，汽車中的電子控制單元（ECU）數量在不斷增加，目前豪華車型通常擁有150甚至更多個ECU，甚至標準車型也擁有近80～90個ECU。由于我們正朝著開發更高級別的自動駕駛汽車邁進，數據密集型應用在不斷出現，以支持高級駕駛員輔助系統（ADAS）的實施。高清攝像頭和激光雷達技術也開始使用，所有這些都導致數據速率和整體帶寬的顯著提高。
因此，對于目前車載網絡的改進從整體技術來講，需要的是一個根本性的改變。首先是所使用的拓撲結構，其次是它所依賴的底層技術。
目前，汽車內部的網絡設施基于域（domain-based）的架構。針對每個關鍵功能都有不同的域：一個用于車身控制，一個用于信息娛樂，一個用于遠程信息處理，一個用于動力總成等等。通常情況下，不同的域使用不同種網絡協議的組合（如CAN、LIN以及其他協議）。
隨著網絡復雜性的不斷提高，汽車工程師越來越清楚地認識到，這種不同的域使用不同協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轉向區域（zonal）架構。
區域架構實施方案可以使來自不同傳統領域的數據依據車輛中ECU的位置（區域）連接到該同一個ECU。這種安排將大大減少所需的布線，從而降低重量和成本，反過來將轉化為更高的燃油效率。而以太網技術將成為基于區域的車載網絡技術的關鍵。
以太網技術除了能夠支持高數據速率之外，還同時支持廣受認可的OSI通信模型。作為一種穩定、歷史悠久、且廣為人知的技術，以太網已經在數據通信和工業自動化領域得到了廣泛應用。與其他車載網絡協議不同，以太網明確定義了面向更高速度等級的發展路線圖，而CAN，LIN等協議卻已經是某些應用發展的瓶頸，而且也沒有明確的升級路徑來緩解問題。
展望未來，以太網技術將成為汽車所有數據傳輸的基礎，通過提供一個共同的協議棧，減少不同協議之間對于網關的需求（以及硬件和相關的軟件成本）。結果將是整個車輛采用單一的同構網絡，其中所有的協議和數據格式都是一致的。這意味著車載網絡將具有可擴展性，不僅能夠滿足需要更高速度（例如10G）和超低延遲的功能，同時還能滿足低速功能的需求。無論是用于傳輸成像傳感數據的1Gbps設備，還是自動駕駛汽車中新一類低數據速率傳感器要求的以10Mbps運行的設備，以太網PHY將可以根據具體的應用和帶寬需求而進行選擇。
區域架構中的每個以太網交換機將能夠為所有不同的域中的活動傳送數據，所有不同的數據域都將連接到本地交換機，再通過以太網骨干網聚合數據，從而更有效地使用已有的資源，使用相同的核心協議，在需要時支持不同的速度。這個同構網絡將在車內支持“任何地方的任何數據”，還可以通過整合來自網絡中不同領域的數據來支持新的應用。
目前，在車載網絡走向汽車以太網和區域架構的進程中，Marvell處于領先地位。2017年夏季，Marvell推出了面向汽車市場并符合AEC-Q100標準的88Q5050安全千兆以太網交換機。該設備不僅能夠處理與標準以太網實施密切相關的OSI Layers 1-2（物理層和數據層）功能，還具有位于OSI Layers 3,4及以上（網絡層、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（Trusted Boot）功能相結合，可為汽車網絡架構師提供對于確保網絡安全至關重要的關鍵功能。
