汽车以太网会赢吗?

随着内燃机被电动机所取代，机械连接越来越多地被电子信息传递所取代，需要一个车载网络来促进通信。为汽车和其他对时间敏感的应用而改进的以太网似乎是网络的选择。

但这个选择是板上钉钉的吗?以太网会取代所有其他的车载网络吗?至少到目前为止，答案还不清楚。

“现在有一个关于汽车以太网是否真的会成为首选总线的争论，”公司高级营销经理Joe Mallett说Synopsys对此．“它减少了电线的数量，无论何时减少电缆束，这都是一件好事。但服务质量一直是个挑战。”

整个汽车架构将极大地影响网络的发展方向。区域性架构有利于强大的骨干网，其中以太网似乎具有优势。但最终的决定还没有做出，即使以太网成为选择的主干，连接到传感器和显示器的各种本地节点仍然存在问题。

美国汽车工程师学会(SAE)的安全技术产品经理Thierry Kouthon说:“A是指你只有一个非常小的消息，就像一个开/关开关Rambus．“B介于每秒几百千比特之间。C会更快。D是大于1mbps的。在2000年以前的传统汽车中，带宽已经足够了。”

虽然最快的类别以1mbps开始，但以今天的标准来看，这是非常慢的流量，而新的数据要求正迫使人们讨论比这快3个甚至4个数量级的网络。

它始于信息娱乐
目前关于车载网络的大部分工作最初都是由信息娱乐的需求驱动的。这意味着至少要通过能够处理音频和视频需求的网络与内容源建立外部连接。

虽然普通以太网存在于许多系统中，但它不能处理音频/视频(A/V)的时间敏感需求，因为时间是不确定的。“它有可怕的防撞检测机制，”Kouthon解释说。这就是发展的动力time-sensitive-networking(听)以太网的特性。

“TSN始于AVB (A/V桥接)，”Avnu联盟总裁、英特尔技术营销策略师格雷格·施莱克特(Greg Schlechter)说。“然后，在汽车领域，他们说，‘我们需要在汽车周围移动A/V。“所以我们在那里进行了改编。现在工业部门正在接手。现在航空航天也在关注它。”

TSN指的是可以为不同的应用程序选择的一篮子功能。顾名思义，它涉及到在保证交付时间的情况下交付对时间敏感的流量的能力。这是基本以太网无法做到的，因为它是一种尽力而为的协议。

TSN特性包括流量整形、带宽预留、降低延迟、抢占和处理实时需求。这些解决了车辆内不同功能的整体服务质量需求。

但是，如果以太网将在信息娱乐中发挥作用，那么它可能会被尽可能多地用于车载网络。这包括其他时间敏感的控制功能，普通以太网可能无法处理，但带有TSN的以太网可以处理。

Synopsys的高级产品营销经理约翰·斯旺森(John Swanson)说:“当你踩下刹车时，在刹车到达之前你有很多时间。”“你不希望孩子的游戏干扰网络。异步流量整形器让您更加灵活。如果你有足够的裕度和带宽，TSN可以让你保证一切都能实现，而不必做所有详细的网络工程。”

已经建立了带有TSN的以太网的汽车配置文件，但问题仍然是这是否是整个车辆的最佳解决方案。

架构影响网络
如果以太网要在车辆中占据主导地位，就需要在安全关键应用中使用。这与信息娱乐截然不同，而且要复杂得多。在最高层次上，有两种相互竞争的架构，每种架构的支持者都倾向于沿着商业提供的路线对齐。

斯旺森说:“人们现在在两个方向上都在尝试。“一种是超级计算机控制汽车，另一种是区域方法。”

大型计算引擎的制造商倾向于集中计算，高端处理器的能力可以被利用，锁定在这个大批量的机会中。这意味着将所有数据集中到一个中心位置进行处理。

的分层体系结构相比之下，微软在各个区域和一个中心枢纽之间分配计算。区域指的是汽车的地理区域。例如，车辆的左前角可能是一个区域。一个区域可以有多种功能，本地计算可以尽可能地处理每一个功能。骨干网络将这些区域与中央处理器连接起来。

图1:两种主要的汽车网络选项。左边是集中式模型，所有网络端点都连接到中央处理器。右边是分区架构，在将结果传递给中央处理器之前，由本地分区处理一些处理。该区域内的网络仍然是一个悬而未决的问题。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

英飞凌产品营销总监维克拉姆·帕特尔(Vikram Patel)说:“如果他们沿着中间有沉重中央计算箱的带状架构走，那么千兆级速度的以太网主干可能是他们都在考虑的答案。”

这与按域组织不同，在域组织中，物理位置不再是决定因素。相反，普通功能构成了一个域，就像所有的相机一样。按域组织可能意味着中央计算，因为车内任何地方的所有共享功能都将一起处理。

中央计算的一个好处是它可以看到整个车辆，而一个区域只能看到区域内的东西。因此，区域架构意味着区域内的本地计算和进一步的中央计算之间的分离，从而将区域整合在一起。例如，可以在本地处理摄像机馈送的处理，将结果发送到一个中央集线器，在那里所有摄像机的结果可以适当地合并。

西门子EDA自动化和ADAS高级总监David Fritz表示:“区域架构成功的关键是一些新的桥梁。“您可以从区域中的本地化can网络转换到区域模块。然后是主网络，汽车以太网。”

采用分区式结构的一个关键因素是它可以减少布线。布线已成为新车中最重、最昂贵的部件，因此汽车厂商正在采取一切可能的措施来减少或简化连接。

如果使用星型网络配置，则中央计算意味着从所有传感器到中央集线器的“本垒打”。对于区域性体系结构，大多数连接都在区域内，只有一个连接从整个区域到中心。

斯旺森说:“我相信我们将会看到一种混合，即一台超级计算机知道正在发生的一切，可能会驱动一切，但不同的区域各有各的功能。”“处理视频并将其传到网络上是一个区域可以做到的事情，我们不必浪费以太网流量发送原始视频。”

为了简单起见，原始设备制造商更喜欢一个网络来完成所有的事情。由于以太网涉及软件方面的大量投资，因此尽可能利用这些投资可以提高开发效率。

英飞凌的Patel说:“一旦你投资于这种基于时间的域协议，就需要大量的软件，这是一种投资。”因此，一些原始设备制造商认为，如果你想进入以太网领域，就必须全力以赴。”

虽然这可能是一个长期的首选结果，但目前还不清楚它是否可行。

不同类型的网络流量
这可以归结为一个问题，即网络需求将是什么。答案受到必须传输的不同类型数据的影响。

在一种情况下，常规网络数据和流数据之间存在区别。网络数据往往由各种各样的数据包大小组成，并且出于不同的目的在网络上向多个方向移动。平均而言，它倾向于与交通方向对称——有的来，有的去。以太网被广泛认为是这种通信的自然选择。

相比之下，由传感器发出的流数据可能没有自然的界限，这使得打包变得容易。虽然可以将流的块放入包中，但通常是以任意的间隔完成的。此外，交通趋向于高度不对称和单向。

Cadence汽车解决方案总监罗伯特·施威格(Robert Schweiger)表示:“传感器向汽车传输了大量数据，你可能需要少量其他方向的数据来配置传感器。”“对于展示来说，情况恰恰相反。你有很多数据去显示各种各样的东西。但它不需要与数据源通信。”

以太网不被视为流数据的有效网络选择。由于以太网本质上是双向的，因此反向通道的容量很大程度上将被浪费。这可能是OEM对单一网络的渴望与实际考虑发生冲突的最明显的例子。

外部数据(如V2X与本地基础设施或信息娱乐源的通信)和内部数据(内部数据是在内部生成和消费的)之间也存在区别。外部通信必然是无线的，这意味着它的网络需求将不同于通过有线进行的内部通信。

Cadence设计IP营销总监Tom Wong指出:“无线模块将通过PCIe与计算机通信。

带宽需求
以太网速度对于低级控制消息传递不需要。它们是由信息娱乐、高级驾驶辅助系统(ADAS)和远程信息处理的需求驱动的。

集中式方案的主要挑战之一是带宽，它可以轻松地增加到10 Gbps。“我们离10gbps还有很长的路要走，更不用说100 Gbps了，”Fritz指出。“对于汽车以太网，我们的速度是1gbps。”

但内部需求可能会超过这一数字，尤其是将数据流传输到中央处理器的需求。雷达数据不需要1G以太网，但低速以太网可以工作。摄像头可以使用以太网，如果激光雷达，那么组合的相机/激光雷达数据将需要高速以太网。

市面上有10gbps的物理接口，但它们很复杂——因此也很昂贵。而且它们只能作为单独的芯片使用，不能作为IP集成到soc中。

Schweiger说:“从商业角度来看，从将进入汽车的物理设备数量来看，将10gb以太网物理设备作为IP可能会很有趣。”“最有可能的是，第一个版本将是外部PHY，之后可能是集成版本。”

然而，即使这样的IP是可用的，仍然有一个热的问题。这些驱动器会发热，而这些热量需要通过散热器进行管理。把散热器放在一个小型的仅供驱动的芯片上更便宜。仅以太网驱动程序所需的散热片会增加整个SoC的成本负担，这将更加昂贵。

Cadence的Wong说:“想象一下，你把一堆高速以太网物理层放入一个SoC中，你有五个不同的通道，它们都驱动着20、30甚至50英尺长的电缆。”“SoC的温度升高了，所以SoC的低成本包装就被抛弃了。你必须使用散热片封装，成本上升不是因为硅，而是因为封装和散热片。”

带宽需求可能低于10 Gbps——例如，2.5或5 Gbps——但预计专用设备将无法满足这些速度。相反，人们会从1 Gbps跳到10 Gbps，但会把时钟拨回所需的速率。也就是说，中央架构甚至可能超过所需的10gbps带宽，即使是当今最先进的PHY芯片也无法达到。

这也是为什么带状建筑在今天最受欢迎的另一个原因。高带宽活动可以在本地处理，而更高级别的数据(与原始数据相比自然是压缩的)需要更少的带宽来与中央处理器通信。

鉴于这种安排，人们广泛地(但不是普遍地)期望以太网充当所有区域用于与中央集线器通信的骨干网。剩下的问题是这些区域内发生了什么，这个问题的答案还不清楚。

区域冲突
在一个区域内，执行许多不同的功能。最抵制以太网的是流协议，如今流协议往往被基于mipi的协议所主导。虽然MIPI的D-PHY和C-PHY在手机领域占据主导地位，但该组织已经推出了串行a - phy版本，可以在车辆中处理长达15米的距离。与此同时，新的ASA小组提出了一个不同的串行标准来处理汽车摄像头和显示数据。目前还不清楚哪一种会占主导地位。

可用性和多种来源是一个重要的考虑因素。施魏格说:“我们不想只有一个供应商。“我们希望有5个甚至更多，这样我们就不会遇到供应链问题。”

Swanson所赞同的。“许多原始设备制造商希望坚持这些标准，但他们希望这些标准能够让他们的供应商相互竞争。”

对于较慢的与控制相关的消息传递，CAN在历史上一直占主导地位，并且它仍然存在于该区域内。另外，新的10- base - t1s提供了双绞线多滴选项，最高可达10 Mbps。

Swanson指出:“10-BASE-T1S实际上是CAN的替代品。对于流数据来说，它还远远不够快，但对于控制来说，它可以很好地工作。

Kouthon指出:“当你控制舒适的ECU时，它可以使你的座椅上下和向后倾斜，这就相当于一个开/关开关。“你不需要以太网。这太过分了。事实上，像CAN或LIN这样的传统网络就足够了。”

但如果出现异步以太网版本，可能还有另一种选择。“有些人赞成推广所谓的异步以太网通信，”Schweiger说。“所以你在一个方向上有宽带宽，在另一个方向上有低带宽。”

虽然还不清楚具体会是什么，但它可能会受益于利用目前汽车以太网部分所做的大部分工作，在更大程度上统一网络。

还有一个规模问题。一些人认为，汽车的界面决定是由手机的功能驱动的，手机的销量要高得多。如果相机制造商只专注于用于手机的格式(今天是MIPI)，那么它可能会胜过一级供应商或原始设备制造商可能拥有的其他偏好。

安全性和可靠性
考虑到一些车辆被入侵的公开方式，安全显然是车辆内部的一个问题。MacSec是第二层安全协议，预计将部署在车辆内，它的可用性增加了以太网成为主要竞争者的原因。

“MacSec是一种线速率技术，对延迟或带宽几乎没有影响，”Kouthon说。“它可以用来验证中央控制单元的所有传感器，这样你就知道你正在从车辆的实际摄像头接收真实的摄像头反馈。你不会从一个夹在中间的人那里得到它。”

但车内有两种主要的流量需要保护，一种是内部产生的流量，理论上，如果没有物理连接，就无法破解;另一种是通过外部无线连接进入汽车的数据流。

无线信号既可以连接安全关键的V2X通信，也可以连接非关键的信息娱乐流。这些流还需要在堆栈的更高级别上得到保护。

分区架构本身可以提供更高的安全性。“如果你的区域受到网关的限制，这就提高了安全级别，”Kouthon说。“当你有分段的vlan时，安全管理更容易，在那里你知道谁被授权与另一个子网通话。”

同时，可靠性对于网络的安全至关重要。足以破坏消息的噪音可能会产生严重影响。

帕特尔解释说:“如果你的屏幕掉了，这很烦人，但这不是安全问题。”“但如果依赖于安全连接的ADAS系统发送了错误的信息或信息被损坏，那将是一场灾难。”

虽然出于成本和重量的考虑，人们强烈希望使用非屏蔽双绞线电缆，但车内的电磁干扰太大，似乎需要屏蔽双绞线来防止这种噪音。

汽车以太网互操作
还需要做更多的工作来改进汽车以太网中利用的TSN特性。以太网是OSI第2层协议，附加到各种PHY(第1层)选项。对于标准以太网(例如用于办公网络)，第3层通常是IP，第4层通常是TCP，但偶尔是UDP。

因此，虽然以太网在许多应用程序中都有功能，但它只是整个网络堆栈中的一层。但今天的“汽车以太网”概念采用了第二层概念，并将其分配给整个堆栈。事实上，随着TSN特征的标准化，这似乎已经进入了思想。

Schlechter说:“在以太网之前，汽车中的每个通信协议都是一个完整的堆栈。“在汽车以太网中，他们实际上谈论的是一些传输。”

图2:7层OSI网络堆栈。在左边，一个典型的桌面计算堆栈通过传输层显示出来。在右边，TSN特性跨越了通常超出以太网范围的层。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

TSN特性是在提供系统间互操作的级别上指定的，它包括传统上可能驻留在更高层次上的元素。整个堆栈倾向于在上层的软件中实现，硬件主导第1层和第2层的部分。事实证明，虽然系统可以互操作，但TSN规范还没有设置到允许硅芯片清晰互操作的水平。

结果是针对这些不同的市场有了不同的以太网“风格”。斯旺森说:“有汽车行业、工业、服务提供商和航空航天行业。“可能还有其他的。我们也在与5G的人交谈，以确保所有这些东西都能协同工作。”

然而，这与最初的以太网不一致。“这不是以太网的工作原理，”Schlechter说。“真的不应该把这些东西放在‘以太网’这个词前面。它只是‘以太网’。”

如果芯片制造商能够将一种芯片销售到多个市场，汽车芯片的经济性就会提高。Schlechter说:“即使你有这些不同的垂直领域在使用它，但在一天结束的时候，有时相同的组件可以进入这些不同的市场。”

其他人也同意。Avnu联盟硅验证任务组主席、Analog Devices确定性以太网技术组营销总监Tom Weingartner表示:“如今在标准以太网中，MAC(媒体访问控制器，在第二层底部)就是MAC，而我们想通过TSN实现的只是另一个MAC。”“但规范不一定会说，‘你需要这样改变MAC，让每个人的MAC都能协同工作。’”

这在很大程度上与遵从性本身无关，因为大多数TSN特性都是可选的。Schlechter指出:“这就是以太网实现规模经济的方式。“每次有人使用以太网，就有一百种东西你不用。”

但只要有能力，就很难通过比较芯片来确定哪些芯片具有必要的功能和性能。因此，Avnu联盟正在努力进一步指定功能，以促进或至少阐明TSN功能的不同硅实现之间的互操作性。

施莱克特说:“有时我们只是需要一个共同的标准。

结论
汽车网络仍然是一个非常开放的讨论。它在原始设备制造商中有足够的知名度，以至于大众已经剥离出一个专门处理网络的小组。现在的可能性是支持以以太网为骨干的区域架构，尽管这还不确定，而且一些原始设备制造商可能会走不同的方向。

在可预见的未来，带宽需求将继续增长，尽管在遥远的将来可能会趋于平稳。他说:“可能需要5年，也可能是10年，但我们会达到第5级——不要动手，不要想，不要看，睡觉，让汽车开动。”“这代表了最高的实际带宽要求。”

在区域内，可以包括许多可能的网络。就目前而言，这种多样性可能会保持下去。问题是它们是否会随着时间的推移迁移到以太网的某个版本。这不会很快发生，因为出于设计风险的原因，更改将根据需要逐步进行。

Swanson表示:“整车厂显然对整合在单一网络上很感兴趣，因为这样可以简化一切。”“但你不可能一夜之间就去一家电视台。”

以太网能在汽车中普及到什么程度，在许多年内人们最终都不会知道。

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