以太网有助于推动速度和成本的提高

以太网在企业和消费者领域是一种普遍的网络技术，自 30 多年前推出以来，它的广泛采用有助于推动速度和成本的提高。如今，汽车制造商及其一级供应商正在寻求通过不断发展的 IEEE 标准来利用以太网的低成本和高带宽，以帮助提高网络技术的确定性和可靠性，正如 Marvell 汽车解决方案事业部高级产品营销经理 Alex Tan半导体在本次采访中解释道。

由于速度和成本优势，以太网似乎是车载网络的合理选择。当今汽车行业如何利用以太网？

TAN：当然，以太网在消费者和企业领域非常成功，但也用于许多其他应用。它首先进入的领域之一是工业方面，基本上表明您可以采用这种基于 IP 的、非确定性的松散网络，并使用它来控制实时系统和关键系统。它进入工业领域，被PROFINET、SERCOS III和DeviceNet采用，但也适用于许多不同的工业技术。它还进入智能电网进行配电。该模型采用标准以太网，然后开发在 IP 之上工作的上层协议以允许实时操作。

在汽车中，引起人们对以太网兴趣的真正原因是对带宽的需求。我相信宝马是第一家对此非常直言不讳的公司。他们回顾情况并说：“在 2010 年代中期，我们将有如此多的处理器运行如此多的代码行，如果我们使用现有的专有技术，如果有任何理由刷新软件，宝马车主将不得不将他们的车带进来两天才能让所有东西都闪烁。” 这是一个巨大的问题，你认为他们期待引入新技术，他们自然而然地关注了以太网。

他们发现的第一件事是，从协议的角度来看，以太网非常好，但车载网络本身的物理层与以太网的要求不匹配，因为汽车的物理层非常独特和健壮：你有EMI 问题；您有坚固性问题；您的电缆会在水下弄脏并摇晃；甚至对于这些汽车制造商来说，电缆甚至螺丝的重量都会增加每加仑英里数的成本。

这就是该行业在进入以太网之前所处的位置，因此必须发生两件事。一件事是通过 IEEE 发展单对以太网 （ 100BASE-T1 ），然后发展千兆以太网 （GbE），即1000BASE-T1。

将以太网引入系统后，无论是汽车、工业、智能电网还是能源基础设施，您都会发现这种带宽带来了许多其他优势和新功能。即使是双向、可配置和基于 IP 的 100 Mb 以太网也可以为您提供很多功能，并且与以前汽车中的任何设备都大不相同。如果你看看 CAN、LIN 或 MOST，它们中的每一个都有一个非常明确的架构，专为汽车中的特定应用而设计，但 MOST 用于信息娱乐，CAN 用于控制信号，LIN 用于安全，随着以太网的出现，你例如，可以将 CAN 信号封装在 IP 包中，然后通过您的 CAN 网络发送。这开启了新应用的爆炸式增长。

今天每个人都在谈论，到 2020 年代中期，自动驾驶汽车将如何出现。好吧，今天的技术就在那里，当然，我们只需要看看谷歌在做什么，或者奥迪在两次 CES 之前做了什么，当时一辆汽车从旧金山开到拉斯维加斯。但是把它做成一辆量产车，你可以在孩子们放学后作为他们的第一辆车为他们购买，这是一个巨大的不同，对吧？它不仅拥有技术，还必须满足汽车要求和汽车成本。

我们正在开发的 GbE 是连接汽车中不同领域（传统上是信息娱乐领域、高级驾驶员辅助系统 （ADAS） 领域、车身电子领域和控制领域）的骨干或基础设施，并连接他们都在一起。下一步是使用该信息连接自动驾驶汽车所需的其他传感器。所有这些都可以共同发挥作用，并为您提供所需的性能。

第二步不仅仅是连接车内，而是将车连接到云端。您的汽车成为物联网 （IoT） 的延伸。就在最近，我将我家的锁换成了与 Apple HomeKit 兼容的锁，这样我就可以使用手机查看我的前门是否锁上了。我的车应该能够告诉我同样的事情，事实上，我想从我的车上获得更多信息。是否被锁定？里面的温度是多少？是不是油耗低？如果您被锁在门外，能够拿起您的手机并进入那里并打开它不是很好吗？所有这些东西都非常有用。

这就是以太网为您提供的。这是一个非常灵活的主干，因此如果有一个新的应用程序，这个新的应用程序可以添加到汽车中。您需要您今天构建的架构的灵活性，以使您的汽车能够支持甚至还没有想到的功能。事实上，这真的很难，因为建筑师可能会在发布前五到七年进行设计，而且他们必须已经在考虑销售福特嘉年华的营销人员在七年之内想要什么信息娱乐系统年，这几乎是不可能的。

以太网提出了对丢包的担忧。汽车级以太网如何减少可能对车辆安全产生巨大影响的数据包丢失？

TAN：这个答案的基础来自工业，因为在汽车使用它之前，工业人员找到了采用旧 PROFIBUS 类型技术并用以太网取代它的方法。在这些情况下，如果您使用以太网来控制机械臂并丢失了一个数据包，那么机械臂可能会到达不应该出现的地方，这可能非常危险并且对制造非常不利。因此，开发了许多实时协议，它们基本上位于 IP 之上，并允许对根本上非确定性的网络进行确定性的实时控制。其中一项基础技术是称为1588 精确时间协议 （PTP）的 IEEE 标准，并且该协议允许网络上的不同节点交换它们的时间，以便它们可以同步操作（图 1）。这对于一个非常受控的环境来说已经足够强大了，但下一步是确保你不会丢失数据包，因为以太网本质上是突发的，这意味着在你发送尽可能多的数据、使用全部带宽和没有发送任何内容，或者您同时有两个事件，每个事件都在争夺带宽。

【图1 | IEEE 1588 精确时间协议旨在同步基于以太网的嵌入式系统以实现实时操作。］

幸运的是，有一个称为IEEE 802.1AS的标准子集是为音频视频桥接 （AVB） 开发的，其互操作性由 AVnu 联盟管理。最初，这些标准是为专业音乐会场地设计的，因为同样，您需要有准确的时间，但如果每个音符都在同一时间，但音频没有到达其中一个扬声器，因为它被另一个扬声器阻挡，这还不够好指示状态或其他内容的数据包。AVB 所做的是允许您在网络上动态分配带宽，以便您拥有保护与时间相关的流式传输流所需的带宽（图 2）。

【图2 | 开发了 IEEE 802.1AS 的音频视频桥接 （AVB） 部分，以确保通过流量整形将时间相关的流式流传输到各个网络节点。］

AVB 技术现在正通过一组称为时间敏感网络 （TSN）的新 802.1 子标准适用于汽车和工业应用正在远离音频/视频路线（图 3）。TSN 将其提升到一个新的水平，以保证流量保护和交付。例如，在今天的汽车系统中，您可以在您的软件中为您的交换机和 PHY 使用带有这些 TSN 扩展的 AVB，然后您的所有输入数据都保证为 50 Mbps，或者任何所需的带宽。但是，如果您关闭输入系统，例如，如果您想进行一次性闪存以更新所有处理器，则该带宽将完全可用。因此，这并不像说我们有一个完全隔离的网络仅用于视频那样具有限制性，而是它允许您保护需要保护的视频并充分利用系统。另一部分是你确实达到了极限，

【图3 | 新的时间敏感网络 （TSN） IEEE 标准组通过将网络资源专用于特定节点/应用程序，扩展了基于以太网的网络的 AVB 确定性。］

除了采用已经为工业和音频设计和验证的技术外，汽车制造商无需做任何事情。这是 Marvell Semiconductor 在开发 PTP 和 AVB TSN 方面一直处于技术领先地位的领域之一，我们直接在我们的硬件中实现了这些协议的许多计算难度更高的部分（图 4）。因此，这使得制作软件和管理网络变得更加容易，并且还使网络速度更快，减少了延迟，因此它们可以足够快地运行，以满足您在行驶时发送视频的汽车的要求路或类似的东西。

【图4 | Marvell 的汽车以太网参考平台带有来自 TE Connectivity 的用于汽车以太网的集成 MATEnet 连接器，包括两个 1000BASE-T1 PHY、两个 100BASE-T1 PHY、两个标准以太网 PHY，以及一个支持音频/视频桥接和时间敏感网络 （TSN） 的内置交换机） 协议。］

汽车级以太网会像我们在传统网络基础设施中看到的那样继续推动带宽吗？

审核编辑：郭婷