车载以太网为汽车网络带来根本性变革

作者：Marvell公司汽车应用和架构部高级总监Christopher Mash

目前汽车中采用的车载网络是基于几种不同数据网络协议的组合，其中一些已经使用了几十年。第一种叫作控制器局域网（CAN），主要负责动力总成和其他相关功能；第二个是本地互联网络（LIN），主要用于对时间不敏感（如气候控制、环境照明、座椅调整等）的乘客和驾驶员舒适性用途；第三种是针对信息娱乐系统开发的面向媒体的系统传输（MOST）；第四种是用于防抱死制动（ABS），电子助力转向（EPS）和车辆稳定功能的FlexRay™。

由于采用了不同的协议，这些网络需要使用网关在网络设施中传输数据，每个网络所需的布线增大了车辆的重量，由此产生的复杂性也增加了汽车厂商的制造成本，从而会影响车辆的燃油经济性。对于一辆汽车而言，布线的重量在整车中占比仅次于发动机和底盘之后，名列第三；同样在成本方面，布线也是第三贵的零部件类别。此外，这些网关也存在延迟问题，势必会影响到需要快速响应的安全关键型应用。

另一方面，汽车中的电子控制单元（ECU）数量在不断增加，目前豪华车型通常拥有150甚至更多个ECU，甚至标准车型也拥有近80～90个ECU。由于我们正朝着开发更高级别的自动驾驶汽车迈进，数据密集型应用在不断出现，以支持高级驾驶员辅助系统（ADAS）的实施。高清摄像头和激光雷达技术也开始使用，所有这些都导致数据速率和整体带宽的显著提高。

因此，对于目前车载网络的改进从整体技术来讲，需要的是一个根本性的改变。首先是所使用的拓扑结构，其次是它所依赖的底层技术。

目前，汽车内部的网络设施基于域（domain-based）的架构。针对每个关键功能都有不同的域：一个用于车身控制，一个用于信息娱乐，一个用于远程信息处理，一个用于动力总成等等。通常情况下，不同的域使用不同种网络协议的组合（如CAN、LIN以及其他协议）。

随着网络复杂性的不断提高，汽车工程师越来越清楚地认识到，这种不同的域使用不同协议的方法效率越来越低。因此，在未来几年中，将需要从目前基于域的体系架构转向区域（zonal）架构。

区域架构实施方案可以使来自不同传统领域的数据依据车辆中ECU的位置（区域）连接到该同一个ECU。这种安排将大大减少所需的布线，从而降低重量和成本，反过来将转化为更高的燃油效率。而以太网技术将成为基于区域的车载网络技术的关键。

以太网技术除了能够支持高数据速率之外，还同时支持广受认可的OSI通信模型。作为一种稳定、历史悠久、且广为人知的技术，以太网已经在数据通信和工业自动化领域得到了广泛应用。与其他车载网络协议不同，以太网明确定义了面向更高速度等级的发展路线图，而CAN，LIN等协议却已经是某些应用发展的瓶颈，而且也没有明确的升级路径来缓解问题。

展望未来，以太网技术将成为汽车所有数据传输的基础，通过提供一个共同的协议栈，减少不同协议之间对于网关的需求（以及硬件和相关的软件成本）。结果将是整个车辆采用单一的同构网络，其中所有的协议和数据格式都是一致的。这意味着车载网络将具有可扩展性，不仅能够满足需要更高速度（例如10G）和超低延迟的功能，同时还能满足低速功能的需求。无论是用于传输成像传感数据的1Gbps设备，还是自动驾驶汽车中新一类低数据速率传感器要求的以10Mbps运行的设备，以太网PHY将可以根据具体的应用和带宽需求而进行选择。

区域架构中的每个以太网交换机将能够为所有不同的域中的活动传送数据，所有不同的数据域都将连接到本地交换机，再通过以太网骨干网聚合数据，从而更有效地使用已有的资源，使用相同的核心协议，在需要时支持不同的速度。这个同构网络将在车内支持“任何地方的任何数据”，还可以通过整合来自网络中不同领域的数据来支持新的应用。

目前，在车载网络走向汽车以太网和区域架构的进程中，Marvell处于领先地位。2017年夏季，Marvell推出了面向汽车市场并符合AEC-Q100标准的88Q5050安全千兆以太网交换机。该设备不仅能够处理与标准以太网实施密切相关的OSI Layers 1-2（物理层和数据层）功能，还具有位于OSI Layers 3，4及以上（网络层、传输层和更高层）的深度包检测（DPI）等其他功能。这些与可信引导（Trusted Boot）功能相结合，可为汽车网络架构师提供对于确保网络安全至关重要的关键功能。