车载以太网（一）

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车载以太网（一）

      汽车电子电气架构设计的核心内容是研究汽车电气系统的“组成”和”交互“问题，而”交互“分为硬线信号交互和网络信号交互。由于现代汽车上带有网络接口的电子控制器单元日益增多，网络信号的交互已经占有绝对优势，因此车载网络技术是进行汽车电子电气架构设计时需要重点关注的关键技术。从此篇文章开始，笔者将系统地介绍目前非常热门的车载以太网技术。

以太网发展概述

       1969年的最早期互联网只能以每秒50千比特的速度传输数据。随着新技术的不断发展，目前互联网已经全面进入千兆比特时代。新技术不仅提高了互联网的数据传输速度，并且扩大了其影响范围。即使与当今互联网的庞大规模相比，物联网（Internet of Things-IoT）也将在一个难以想象的规模上将所有设备进行互联。现代汽车中越来越多的安全性、舒适性以及迅速发展的自动驾驶功能，将促使全球汽车中数十亿计的电子控制单元通过互联网连接在一起。许多人或许还没有意识到现代汽车已经被深度网络化了，这至少体现在以下几个方面：1. 汽车内部的网络化。通过网络化实现整车系统控制，驾驶员信息显示、以及保证车辆的安全性和舒适性。2. 汽车之间的网络化，比如避免车辆之间发生碰撞。3. 汽车和道路基础设施之间的网络化，这可以进一步提高安全性和交通效率。4. 汽车和互联网之间的网络化，这将使驾驶员可以实时获取当前交通状况等信息。在目前阶段，汽车网络化还主要集中在汽车内部的网络化，并且使用在汽车工业以外很难看到的相对较为低端的网络技术。但随着汽车的工作方式变得日益智能化和越来越复杂，汽车网络化技术的升级已经迫在眉睫。但能够在汽车上使用的网络技术不仅仅需要更快、更便宜并且有能力连接所有节点，同样需要这种网络技术能够标准化并且得到广泛的接受。以太网是互联网中使用最多和最广泛的网络技术，自从1973年5月22日作为个人计算机的局域网技术被发明以来，以太网技术快速发展并且作为IEEE 802下的一个开放标准集合。以太网技术以Wi-Fi的形式从有线网络发展到无线网络（也称为无线以太网），无线以太网在未来也将作为汽车外部网络连接的关键技术。当前全球每年有超过10亿的有线或无线以太网端口出货量，以太网在汽车工业的应用将极大地增长这一数字。

车载以太网的优势和机会

        在汽车工业引入一种新的网络技术或者对现有的汽车网络技术进行大量的修改是代价非常高昂的、并且充满风险和困难。汽车涉及人员的生命安全并且需要在售出之后运行10年以上，这意味着任何新技术所需要的大量硬件和软件更改必须进行广泛的测试和验证，这些工作费用高且非常耗时。因此任何新技术想要引入汽车工业并取得成功，必须提供远远抵消这些风险和成本的优势，这也是汽车工业引入新技术相对较慢的重要原因。当今，我们已经见证越来越多的革命性功能引入汽车中，例如自适应巡航、车道保持、自动泊车甚至已经上路的自动驾驶汽车。车载以太网能够为目前的功能提供足够的带宽，并且具有在未来实现更好性能的潜力。车载以太网将作为高速、多方通信甚至使以往只能在科幻小说中出现的汽车功能成为可能。汽车工业从现在开始的以太网技术革命，将比1990开始的控制器局域网（CAN）产生更大和更深远的影响。

2013年的宝马X5首次使用了车载以太网，这距离以太网技术的发明时间（1973年）足足间隔了40年。为何间隔了这么多年以太网才成为汽车网络互联的一项具有吸引力的网络技术？让我们先追溯到30多年以前，那时汽车内部网络的开发和实施与以太网主导的住宅、商业和数据中心，甚至其它工业环境中使用的网络是完全独立的。产生这种现象的主要原因是车载网络和车载电子产品的需求与其它行业有非常大的区别。然而在过去的几年中，由于电子工业和汽车工业的巨大发展和变革，人们对消费电子和汽车电子的需求重合度日益增加。例如，移动设备的普及导致小尺寸、长电池续航和经济性成为核心产品 特质，这促使移动设备生产商向更小尺寸、更高能量效率和低成本方向进行技术创新，而这些需求对于汽车电子产品同样非常重要。与此形成鲜明对比的是，车载网络相比以太网来说只能提供非常有限的带宽，但随着诸如高级驾驶辅助（ADAS）等新功能的引入，对于车载网络带宽的需求在近几年爆发式增长，并丝毫没有减慢的趋势，这导致传统的车载网络技术，比如CAN已经不能满足带宽需求。基于以上原因，我们正在见证汽车电子和车载网络、消费电子与消费电子产品网络的融合。而车载网络转向以太网技术是这种融合的典型例子。由于汽车电子产品在整车中的成本比重快速增长，之前非汽车工业的半导体芯片公司，比如生产以太网芯片的博通（Broadcom）公司，将因为进入汽车行业获得非常巨大的机会。2014年，全球每年大概有4亿个有线以太网端口的出货量，而每年新生产汽车中CAN节点的数量保守估计也达到12亿个，是以太网端口数量的3倍！

        以太网作为局域网的标准技术已经存在了几十年，大量的传输方法和协议已经开发和实施完成。TCP/IP是实现互联网通信应用的协议集合，从一开始TCP/IP就用来实现诸如电子邮件、万维网、文件传输以及即时通讯等核心通信功能。音频视频桥接（Audio Video Bridging）是另一个用于以太网技术的通信标准集合，它主要应用于高性能的信息娱乐系统，用于传输对实时性要求比较高的音频和视频信息流。除了TCP/IP、AVB等通讯协议集合为以太网所提供的成千上万的应用之外，还有很多协议是为了实现支持功能的，比如地址解析、网络追踪、时钟同步等等。所有这些协议在IEEE和IETF（Internet Engineering Task Force）的标准中都有定义。设计所有这些协议、应用和工具的目的是为了在不考虑底层实施的情况下运行任何类型的以太网，因此这些协议、应用和工具在车载以太网中也是可以使用的。除此之外，以太网不仅为汽车公司提供了多种多样的协议和应用，而且确保这些汽车公司可以获取大量的人力资本，并且使传统技术公司和汽车技术公司能够进行协同工作，这在以前几乎是不可能的。汽车上的电子控制器单元(ECU)之间的通信在不久的未来将不再使用汽车工业独有的技术，而转向使用几乎每个其它工业都使用的相同技术。这必将使得汽车工业与其他工业之间的合作更容易，并且使汽车可以实现以往只能猜想或者梦想的先进功能。在不久的将来，我们将可以拥有具备高级音频和视频流功能的汽车；可以和收费站直接通信的汽车；可以智能充电的汽车；甚至是自动驾驶汽车。这种汽车工业和非汽车工业之间互相融合的趋势正在由像博通这样的半导体供应商引领。之前博通公司的绝大部分营业收入来自于非汽车行业，但目前正成为汽车市场的重要巨头。

          在过去的20年中，作为在汽车网络中占有统治地位的CAN网络由于其最大1Mbit/S的带宽使汽车电子工程师面临巨大挑战。随着汽车中ECU计算能力的不断增长，ECU之间网络连接所需要的带宽也相应的增长。如前所述，要在汽车中使用一种新的网络技术是一个非常具有挑战性的工作任务，比如之前FlexRay的应用。使用车载以太网同样需要巨大的努力，但它们之间存在着本质区别：汽车中一旦使用了以太网技术，不仅仅是给汽车提供了一项经过数十年实际应用验证过的成熟网络技术，更为关键的是，以太网技术是可以确保应对汽车行业在未来所面对的诸多挑战的技术。以太网在过去的几十年中能够如此成功的一个最主要原因就在于它有能力不断地进化、改变并能够满足不断增长的带宽需求，与此同时又满足了对旧设备的向后兼容性。

         以太网是使用OSI 7层网络参考模型的主要受益者。通过这种分层的模块化网络设计，以太网允许对网络底层的实施细节（OSI的第1层：物理层）进行大量更改，从而可以在使用新的通信线缆类型和更快的通信速度的同时，使其它所有的OSI模型高层协议和软件不做更改。这意味着诸如AVB、TCP/IP和其它运行在以太网上的协议功能即使在网络吞吐量增长10倍时也可以保持不变。使用以太网技术之后，在改变网络底层实施技术的时候不再需要使用全新的网络协议集合，但从CAN转向FlexRay时必须要这样做。1973年最初发明的以太网技术是在施乐（Xerox）的Palo Alto研发中心，那时的以太网与今天在住宅或办公场所中使用的LAN（Local Area Network）没有丝毫的相似之处，与在服务器机房和数据仓库的高速以太网更是大相径庭，但它们仍然都是以太网，因为细节虽然在变化，但是在基本工作原理上很大程度上是相同的。当以太网技术应用到汽车上时，情况也是如此。博通公司的BroadR-Reach技术可以使用单对非屏蔽双绞线提供100Mb/s的网络带宽，这种通信方式从来没有被以往的任何类型以太网使用过，但它仍然在OSI参考模型的高层上与其它以太网无缝集成并工作方式一致。BroadR-Reach技术已经应用在量产汽车上，并且在2014年通过了IEEE 802标准化过程（1TPCE工作组-One Twisted Pair 100Mb/s Ethernet）。与此同时，同样是使用BroadR-Reach技术的更快速度的以太网（Reduced Twisted PairGigabit Ehternet-RTPGE）预计可以为未来的应用提供高达1Gb/s的带宽，并且具备完全的软件兼容能力。在未来几年，车载以太网的带宽将达到1Gb/s，未来的汽车将成为可以搭载目前的车载网络不可能实现的功能。

将现代以太网技术引入汽车中所带来的优势很多是来自于以太网卓越的技术特性。一、全双工（Full-Duplex）的运行方式。全双工运行意味着两个互联联结的设备可以同时发送和接收数据，相比于传统的共享式网络有3个优势。首先，全双工意味着两个设备可以同时发送和接收设备，而不需要轮流发送和接收数据。其次，全双工意味着更大的带宽总和。以100Mb/s的BroadR-Reach为例，考虑到两个方向上同时发送和接收数据，理论上的最大带宽总和为200Mb/s。最后，全双工运行为不同设备之间的同步通信奠定了技术基础，比如实现诸如AVB这样的高级功能。二、包交换技术。包（packet）交换技术将通信数据拆分为称作包的message，在以太网中，使用frame更普遍。这些message可以分段发送到不同的网络上，允许同时发生多个数据交互。现代交换机可以处理来自多个发送方的frame，将每个frame转到正确的接收方，这不仅仅实现了多方数据交换，而且是多方的同时数据交换。为了对以上进行解释说明，让我们考虑图1所示的简单的BroadR-Reach交换机网络。



Head Unit和 Speaker之间的message可以在每个方向上进行100Mb/s的数据传输，Display和Console之间也是如此，而且它们之间的数据传输可以同时进行，因此总共的理论带宽最大可以达到400Mb/s。三、基于地址的Message。每个以太网message都有一个源地址和目标地址。交换机通过目标地址将message路由到它们的接收方；源地址可以被接收方读取并用于任何必要的回应。交换机对于message的处理功能可以与汽车中的网关（gateway）进行比较，但它们之间存在一个很大的区别。网关的message处理功能是由电子控制单元中的软件实现的，因此在网络拓扑改变时电子控制器单元 的软件也必须改变。然而对于以太网交换机而言，它们可以连接在一起将message自动传输到接收方，而不需要考虑网络配置的更改。这使得当增加以太网设备而需要增加交换机时变得很容易，也允许创建任意规模的网络。交换机的这种灵活而强大的组网能力是许多汽车整车厂将以太网作为汽车主干网的主要原因。图2展示了这种交换机组网机制。



          以太网技术的一个重要特点是在物理层实施时需要进行电气隔离，这在IEEE802.3标准有描述，并且是基于IEC 60950-1:2001-Information Technology Equipment-safety标准中的规定。这种电气隔离需求根据具体的以太网速度和电缆接口有所不同，但对于像Gigabit以太网这种新型的以太网技术，以太网控制器和以太网线缆至少通过以下三种电气隔离测试：1.1500Vrsm at 50Hz to 69Hz 持续60秒。2. 220Vdc持续60秒。3. 以不少于1秒钟的间隔实施10个2400V的变换极性的脉冲序列。这种电气隔离要求使以太网在极端恶劣的电气环境中具有很好的恢复能力，也是以太网能够在长距离、高速传输网络技术中非常受欢迎的一个原因。博通公司的BroadR-Reach技术有其自己的电气隔离需求，并且在汽车电子协会的AEC-Q100进行了规定。图3表示了博通公司BroadR-Reach通过单对双绞线实现的100Mb/s的以太网技术。



        另外一个汽车以太网能够在降低重量的同时提高性能的领域是车载摄像头网络系统。近年来汽车中摄像头的数量迅速增加，在大多数的摄像头网络系统中，摄像头通过使用以下3种技术连接：1. 模拟量的NTCS(National Television System Committee)信号；2. 模拟量的PAL(Phase Alternating Line):3. 数字量的LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）。所有这些传统摄像头网络系统都需要相对厚重的线缆，并且需要使用屏蔽层用来保护传输的信号不受到EMI干扰，这些都导致成本增加和维修困难。与此相反，博通公司的BroadR-Reach技术使用非常细的单对非屏蔽双绞铜线，与诸如LVDS这类传统技术相比，能够降低80%的成本和30%的重量。随着汽车工业逐步转向使用以太网技术，更多的竞争和产品的多样性将使成本在未来有进一步的下降。

        无线功能也是车载以太网技术的一个优势。虽然WIFI在IEEE802.11中定义，但正如前面所述，以太网 OSI模型中的高层协议技术与特定的网络底层实施方案无关，这点对于以太网和WIFI同样适用。这意味以太网引入汽车后也为更稳定和更快速的无线通信铺平了道路。与以太网技术一样，WIFI技术也不断的在增强和进化，以满足不断变化的网络世界的需求。正如博通公司的BroadR-Reach技术，WIFI针对汽车应用也推出了称为WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)的技术，并且在2010年发布的IEEE802.11P中进行了定义，并随后集成到IEEE 802.11-2012标准中。这为V2V(vehicle to vehicle)和V2I(Vehicle to Infrastructure)开拓了一种新的可能性，并且为ITS智能交通系统(Intelligent Transportation System)提供了强有力的网络技术，使得交通拥堵控制，紧急情况预警以及碰撞预警领域技术得到提高。