车载以太网：解决复杂线束并支持更多的数据

AutomotiveEthernet: solving complex wiring harnesses and supporting more data

导读

如果你曾经有机会观察过汽车线束中乱七八糟的东西，你就会知道这些东西可能非常庞大;数百根电线都用扎带捆绑在一起，希望你永远不必剪断这些电线，以免划伤内部敏感的屏蔽层。

这些捆绑包占用了汽车底盘内的宝贵空间，增加了不必要的重量并产生更多潜在的故障点。但是，由于采用企业标准网络协议开发的一些新型高带宽布线，可以用一根细长的线取代这一团线缆，提供比所有其他线加起来还要多的带宽。

这是车载以太网承诺的一部分，但它好处远不止于此。

以太网和软件定义汽车时代

软件定义车辆 (SDV) 时代即将来临。随着更多代码运行更多汽车的更多部件，从根本上改变汽车的行为方式甚至使用从云端下载的代码进行驾驶的可能性越来越大。

但是，汽车中运行的软件越多也意味着数据越多。很多很多的数据。所有这些帮助现代汽车了解周围世界的高清传感器每秒都会产生大量信息。所有这些数据都必须通过汽车以无穷无尽的数据流形式传输，这些数据流很快会汇成河流。

如果这还不够，你还可以使用可启动 64 个频道的现代信息娱乐系统。杜比全景声 (Dolby Atmos) 音频或高清视频流传输到多个后座信息娱乐显示屏。

换句话说，你的下一辆车的外表下发生了很多事情，所有这些都需要更多的带宽。以太网就是解决方案。

　　什么是以太网？

如果你熟悉以太网一词，可能知道它是一种用于将互联网提供商的调制解调器连接到无线路由器的电缆(最常见的是 Cat 6 以太网电缆)。或者，如果你是一名认真的游戏玩家，你可以使用它来将 PC 或控制台直接连接到网络，以获得最低的延迟。

这是很常见的事情，但这并不完全是我们谈论的车载以太网。从形式上来说，以太网实际上根本不是单一类型的电缆;它是一种电缆。它是一种网络标准，定义了多个设备安全可靠地交互的方式。

顺便说一句，以太网是大写的，因为它指的是施乐在 1970 年代注册的一项技术。施乐发布了该商标，以便该技术最终成为跨行业标准，但它仍然是一个专有名称。

我们通常称之为“以太网电缆”的东西。家里的电缆内部包含多对较小的电缆，绞合在一起，这就是它们通常被称为“双绞线”的原因。它们的每一端通常都有一个 RJ45 连接器，看起来像一个超大的电话插孔。这种电缆的正式名称是 100BASE-T 或 1000BASE-T，指的是每秒 100 兆位或 1,000 兆位(千兆位)的数据传输速度。如果使用的是千兆位以太网，则应该提供足够的带宽，可以在大约四分钟内传输一部 4K 电影。

当涉及到现代车载数据时，即使这样也太慢了。更快的速度需要一种完全不同的电缆。“我们谈论的是一种叫做T1的技术，”Amir Bar-Niv说。他是Marvell半导体公司的营销副总裁，Marvell是一家总部位于加州的主要国际半导体和网络设备供应商。“我们所做的一切，100兆、千兆位、多兆和25 gig,  ，都是为T1设计的。”

当Bar-Niv说“25gig,  ”时，他指的是25G，足以在8秒内传输同样的4K电影，并且有足够的带宽用于制作你想要的所有故事片。

这里的电缆类型不仅针对速度进行了优化，而且适用于汽车使用。它比你桌子后面杂乱的电缆更细更轻，也更便宜——一对电线缠绕成一根电缆，甚至是一根光纤线，使用一种名为T1的新型标准连接器，提供下一代SDV应用所需的所有带宽

事情并不总是这样的。事实上，车载以太网可以追溯到15年前。Ian richards说:“2008年，宝马在F01 7系车型上首次引入了这一技术。他是TechInsights汽车业务副总裁，这是一家专注于半导体分析的国际公司。“它最初用于诊断端口，也用于信息娱乐系统上的20mbps前座/后座链接。”第一个应用程序使用100BASE-T电缆，就像你在家里使用的那样。

当然，这些不断发展的电缆标准是系统的关键部分，但要真正建立一个网络，你需要一个地方来插入它们。在一端，你有传感器和系统产生数据并完成工作。另一端是汽车上处理数据的各种处理器。保持一切朝着正确的方向发展需要一系列的网络交换设备，即交换机和路由器。

将这些交换机最佳地放置在汽车内，可以最大限度地减少所需的布线数量，同时仍然使汽车中的所有设备能够相互通信。这种配置，通常被称为网络架构或拓扑，是事情开始变得有趣的地方。

退出域控制

传统上，随着汽车在其生命周期中获得功能和选项，统称为线束的电线束就会不断增长，随着每一项新功能的出现，会产生更多的线束。

巴尔-尼夫说，这是旧的事物连接方式的遗产，他称之为域架构。

将汽车的每个系统(例如照明或信息娱乐系统)视为一个单独的域。每个域都直接由一个或多个(可能是数十个独立的微处理单元)控制，所有这些单元都分散在汽车中。

如果汽车在中期更新中采用了一些新功能，例如加热清洗器喷嘴或盲点监控系统，则将在捆绑中添加更多电线来控制该功能。

“在域之间几乎根本不共享的汽车中，每个域都需要将所有电缆都绕在汽车周围，”巴尔-尼夫说道。“结果是，你知道，大量的电缆，高成本，电缆高速公路。”

通过以太网，他说，汽车可以转变为互连区域的集合，每个区域都包含传感器或设备，他将其称为代理：“每个区域现在都需要有它自己的以太网交换机连接到该区域中该域的所有代理，然后通过一条细细的以太网电缆聚合所有流量，该电缆真正构建了汽车的主干。”

这样，多个车载系统都通过同一网络进行通信。通过共享，汽车的设计可以从根本上简化。中央处理器不是散布在各处的数十个定制小芯片，而是更少、更强大的中央处理器处理整辆车的所有数字繁重工作。

除了简化之外，这还为汽车行为的演变打开了大门，而这正是SDV的标志。Bar-Niv以汽车摄像头为例:“如今的摄像头使用点对点连接，”他说，将数据直接从成像传感器传输到使用它的系统。

正因为如此，后视摄像头只能作为后视摄像头使用，因为车内的其他系统无法访问它。

例如，不能在信息娱乐系统和 ADAS 之间共享摄像头，”巴尔-尼夫说道。

但是，一旦所有这些摄像头都通过以太网进行通信(全部位于同一网络上)，就可以编写软件以有趣的新方式使用这些摄像头，例如将后视摄像头变成通过互联网传输镜头的行车记录仪。然后可以通过无线 (OTA) 更新下载此功能。

这种灵活性是 SDV 的核心，根据 Bar-Niv 的说法，最近对汽车制造商进行的一项调查显示，预计到 2026 年，80% 的新车将转向这种架构，成为一个价值 56 亿美元的产业。

换句话说：这不仅仅是高端豪华车的趋势。

而且，随着这种趋势的持续，对更多带宽的需求也将同样增加。“100 兆比特对于域基础设施来说已经足够了。现在，低于 2.5 GB 的设备是不可接受的。”巴尔-尼夫说道。

汽车级可靠性

这里的许多核心技术都基于常见的企业网络硬件——与银行或企业使用的东西相同。然而，将其引入汽车应用需要更高的可靠性。如果银行的某个网络硬件出现故障，该银行可能会蒙受损失，直到它被修复为止。这不太好，但是当汽车的主动安全系统通过网络运行时，在最坏的情况下，任何故障都可能导致人员伤亡。

防止此类故障的一个关键部分是提高汽车中安装的组件的最终质量。“我们用 DPPM 来衡量可靠性，”巴尔-尼夫说，它代表百万分之一的缺陷零件。Bar-Niv 表示，对于消费类网络设备，DPPM“在几百到 1,000 的范围内”。

在汽车领域，目标是少于 1 个 DPPM，即生产的百万分之一有缺陷的零件。

但即使这些零件是按照更高的标准制造的，故障仍然可能发生。这就是冗余的用武之地，比如使用所谓的双核锁步处理器的网络交换机。在这里，每个计算都由两个处理器处理。对每个输出的输出进行比较，如果存在差异，算法可以根据功能处理器的输出确保整个系统继续运行。

提高汽车的安全性

如果汽车中的每个组件(从远光灯到平视显示器)都在同一网络上进行通信，听起来有点安全风险。没错。以前，如果黑客访问了汽车上的给定系统(我们上面讨论的域之一)，那么黑客就不太可能接管汽车系统的其他方面。由于这些低效的布线量，每个系统域实际上都在单独的、断开连接的网络上运行。

在经过优化以使用车载以太网的汽车中，所有内容都合并到一个网络上，通过单个受损组件进行系统范围访问的可能性更大。值得庆幸的是，保护也更大。

“我们需要防止的是所谓的中间人攻击，”巴尔-尼夫说道。

这是指一种攻击，黑客有效地假装是汽车内的授权系统，与其他系统连接并使用它们来访问车内的数据。

阻止此类攻击的一种方法是使用硬件安全模块 (HSM)。它们在车内生成数字密钥，对车内传递的所有数据进行加密和数字签名。这种技术通常仅用于高端企业数字网络，它在汽车中的存在确保了类似程度的移动安全性。

成本与效益

在精美的布线、交换机和 HSM 之间，更不用说运行这一切的所有软件，在以太网上运行汽车而不是以前的更基本但冗余的域模型，听起来可能是一个昂贵的提议。

“是和否，” TechInsight 的 Riches 说道。“是的，以太网比车辆中速度较慢的现有 CAN 链路成本更高。然而，它是实现按需功能以及自动驾驶所需的高速通信所需的新型车辆架构的基本构建模块。”

换句话说，没有办法解决这个问题。Riches 表示以太网是“城里唯一的游戏”如果你想做需要大量数据的事情。但是，与其他传感器(例如安装在新的 Lotus Eletre 上的 3D 激光扫描仪)的成本相比，连接它们的网络硬件的成本将微不足道。

事实上，在某些情况下，从域切换到区域架构，并在此过程中删除所有冗余组件，实际上可以节省资金。“还有一种长期观点认为，随着计算性能的集中化，通过删除当今许多现有的离散 ECU 可以实现车辆级别的节省，”里奇斯说道。

根据许多 OEM 的一级供应商博世 的说法，改用这种架构可以使这些车载网络的成本降低 10%。据博世称，未来汽车所需的车载组件(例如微处理器)也将减少 20%，而此类组件的持续短缺仍然困扰着整个行业。

因此，转向车载以太网可能意味着汽车不仅会更智能、更便宜、更轻，而且未来也不会那么难找。