مقدمة: لماذا الحديث عن بروتوكول إيثرنت السيارات؟

مرحبًا بالجميع، أنا مهندس من شركة Key-iot. في الآونة الأخيرة، أثناء العمل على مشاريع السيارات الذكية المتصلة بالإنترنت، لاحظت أن المزيد والمزيد من مصنعي المعدات الأصلية وموردي المستوى الأول يناقشون "بروتوكول إيثرنت السيارات". في الواقع، لم يعد إيثرنت داخل السيارة مفهومًا جديدًا، ولكن نظام البروتوكول الخاص به مختلف تمامًا عن إيثرنت تكنولوجيا المعلومات التقليدية. لنتحدث اليوم عن ماهية بروتوكول إيثرنت السيارات ولماذا أصبح "البنية التحتية الجديدة" للمركبات الذكية.

1. ما هو بروتوكول إيثرنت السيارات؟

ببساطة، بروتوكول إيثرنت السيارات هو مجموعة من بروتوكولات إيثرنت المصممة خصيصًا للاتصال داخل السيارة. إنه ليس بروتوكولاً واحداً، بل هو نظام كامل يمتد من الطبقة المادية إلى طبقة التطبيقات، ويهدف إلى تمكين الربط البيني الفعال والموثوق بين مختلف وحدات التحكم الإلكترونية (ECUs) وأجهزة الاستشعار والكاميرات والأجهزة الأخرى داخل السيارة، فلماذا لا تستخدم فقط CAN أو LIN أو FlexRay التقليدية؟ لأن هذه الحافلات القديمة ذات نطاق ترددي محدود ولم تعد قادرة على تلبية معدل البيانات ومتطلبات الوقت الحقيقي للتطبيقات الجديدة مثل القيادة الذاتية ومقصورات القيادة الذكية والترفيه داخل السيارة. توفر شبكة Ethernet نطاقاً ترددياً عالياً وتكلفة منخفضة وقابلية توسع قوية، مما يجعلها الخيار المفضل للجيل القادم من الشبكات داخل السيارة.

2. نظرة عامة على مكدس بروتوكول إيثرنت للسيارات

عند مناقشة البروتوكولات، لا يمكننا تجنب نموذج OSI المكون من سبع طبقات. تم تصميم مكدس بروتوكول إيثرنت السيارات بشكل أساسي على هذا المنوال، ولكن كل طبقة مصممة خصيصاً لسيناريوهات السيارات.

1. الطبقة الفيزيائية (PHY)تختلف الطبقة الفيزيائية لشبكة إيثرنت للسيارات اختلافاً كبيراً عن إيثرنت التقليدية. المعايير الأكثر شيوعًا هي 100BASE-T1 و1000BASE-T1 و10BASE-T1S. تستخدم جميع هذه المعايير زوجًا ملتويًا أحادي الزوج غير محمي (إيثرنت أحادي الزوج)، وتدعم الاتصال المزدوج الكامل، وتتمتع بقدرات قوية مضادة للتداخل، وهي خفيفة الوزن - وهي مثالية لبيئة السيارات المعقدة.تحدد الطبقة المادية بشكل أساسي واجهات الأجهزة، وترميز الإشارات، وتحويل البيانات إلى إشارات ونقلها، بالإضافة إلى تأكيد وضع السيد والعبد. على سبيل المثال، يمكن أن تحقق 100BASE-T1 اتصالاً مزدوجاً كاملاً بسرعة 100 ميجابت في الثانية على زوج واحد من الأسلاك، مما يبسّط إلى حد كبير الأسلاك داخل السيارة.

2. طبقة ارتباط البيانات (MAC)طبقة ارتباط البيانات مسؤولة عن تغليف الإطار والعنونة واكتشاف الأخطاء. تقدم شبكة Ethernet للسيارات تقنية شبكة محلية افتراضية (VLAN) في هذه الطبقة، والتي يمكن أن تقسم الشبكة المادية إلى نطاقات بث منطقية متعددة، وتعزل عواصف البث، وتحسن جودة الشبكة. على سبيل المثال، يمكن أن ينتمي نظام نقل الحركة ونظام الترفيه إلى شبكات محلية ظاهرية VLAN مختلفة، بحيث لا تتداخل مع بعضها البعض، مما يجعل الشبكة أكثر استقراراً.

3. طبقة الشبكةتستخدم طبقة شبكة الإيثرنت الآلية بشكل رئيسي بروتوكولي ARP وIP. يتعامل ARP مع التعيين بين عناوين IP وعناوين MAC، في حين أن بروتوكول IP مسؤول عن عنونة الحزم وإعادة توجيهها. IPv4 هو السائد، ولكن يتم اعتماد IPv6 تدريجياً. يسمح نظام CIDR (التوجيه بين النطاقات بدون فئات) بشبكة فرعية أكثر مرونة، مما يجعل إدارة العقدة على نطاق واسع أسهل.

4. طبقة النقل تدعم طبقة النقل بروتوكولات مثل ICMP و UDP و TCP. يُستخدم ICMP بشكل أساسي لاختبار الشبكة (مثل PING)، في حين أن UDP و TCP مناسبان لسيناريوهات ذات متطلبات مختلفة من حيث الوقت الحقيقي والموثوقية. على سبيل المثال، تستخدم تدفقات الفيديو وبيانات الرادار UDP، بينما يستخدم التشخيص والمعايرة TCP.5. طبقة التطبيق إن بروتوكولات طبقة التطبيق غنية جداً، وتشمل بشكل أساسي:

• UDPNM: بروتوكول إدارة الشبكة المستند إلى UDP لتنسيق سكون العقدة واستيقاظها.
• DHCP: بروتوكول تهيئة المضيف الديناميكي لتعيين عنوان IP تلقائياً.
• SOME/IP: بروتوكول البرمجيات الوسيطة الموجهة نحو الخدمة الذي يدعم اكتشاف الخدمة والاتصال في إطار بنية SOA.
• DoIP: التشخيص عبر IP، يدعم التشخيص والوميض عن بُعد.
• XCP على الإيثرنت: بروتوكول المعايرة الذي يدعم وظائف معايرة وحدة التحكم الإلكترونية والقياس والتجاوز.

3. المزايا الأساسية لبروتوكول إيثرنت للسيارات

1. عرض نطاق ترددي عالٍ وزمن كمون منخفضيصل عرض النطاق الترددي التقليدي لحافلة CAN إلى 1 ميجابت في الثانية، وFlexRay إلى 10 ميجابت في الثانية، بينما يصل عرض النطاق الترددي لشبكة إيثرنت للسيارات بسهولة إلى مئات الميجابت في الثانية أو حتى جيجابت في الثانية، مما يلبي احتياجات نقل البيانات الضخمة للكاميرات عالية الدقة والرادارات ورادارات الليدار.2. توسع مرن وسهولة التكاملالإيثرنت معيار مفتوح مع توافق جيد للأجهزة وسهولة التفاعل مع أنظمة تكنولوجيا المعلومات. تجعل التقنيات مثل VLAN وTSN طوبولوجيا الشبكة أكثر مرونة، وتتكيف مع طرازات المركبات المختلفة والمتطلبات الوظيفية.**3أدناه هو الترجمة الإنجليزية الكاملة للنص الأصلي حول "بروتوكول إيثرنت للسيارات"، مكتوب بأسلوب موظف في Key-IoT لمنتدى مثل منتدى إنشان وايرلس.

مقدمة: لماذا الحديث عن بروتوكول إيثرنت السيارات؟

مرحباً بالجميع، أنا مهندس في Key-IoT. في الآونة الأخيرة، أثناء عملي على مشاريع متعلقة بالمركبات الذكية المتصلة، لاحظت أن المزيد والمزيد من شركات صناعة السيارات وموردي المستوى الأول يناقشون "بروتوكول إيثرنت السيارات". على الرغم من أن إيثرنت السيارات ليس مفهومًا جديدًا، إلا أن نظام البروتوكول الخاص به يختلف تمامًا عن إيثرنت تكنولوجيا المعلومات التقليدية. واليوم، أود أن أشارككم ما هو بروتوكول إيثرنت السيارات ولماذا أصبح "البنية التحتية الجديدة" للسيارات الذكية.

1. ما هو بروتوكول إيثرنت السيارات؟

بعبارات بسيطة، بروتوكول إيثرنت السيارات هو مجموعة من بروتوكولات إيثرنت المصممة خصيصاً للاتصال داخل السيارة. وهو ليس بروتوكولاً واحداً بل نظاماً شاملاً يمتد من الطبقة المادية إلى طبقة التطبيقات، ويهدف إلى تمكين الربط البيني الفعال والموثوق بين مختلف الأجهزة داخل السيارة، مثل وحدات التحكم الإلكترونية (ECUs) وأجهزة الاستشعار والكاميرات، فلماذا لا تستخدم البروتوكولات التقليدية مثل CAN أو LIN أو FlexRay؟ السبب هو أن أنظمة الحافلات التقليدية هذه ذات نطاق ترددي محدود ولم تعد قادرة على تلبية معدل البيانات ومتطلبات الوقت الحقيقي للتطبيقات الجديدة مثل القيادة الذاتية ومقصورات القيادة الذكية والترفيه داخل السيارة. من الطبيعي أن تصبح الإيثرنت، بنطاقها الترددي العالي وتكلفتها المنخفضة وقابليتها للتوسع، الخيار المفضل للجيل القادم من الشبكات داخل السيارة.

2. نظرة عامة على مكدس بروتوكول إيثرنت للسيارات

عند مناقشة البروتوكولات، لا يمكننا تجنب نموذج OSI ذي الطبقات السبع. تم تصميم مكدس بروتوكول إيثرنت السيارات بشكل أساسي استنادًا إلى هذا النموذج، ولكن تم تحسين كل طبقة خصيصًا لسيناريوهات السيارات.
تختلف الطبقة المادية لشبكة إيثرنت للسيارات تمامًا عن إيثرنت التقليدية. المعايير الأكثر شيوعًا هي 100BASE-T1 و1000BASE-T1 و10BASE-T1S. وتستخدم هذه المعايير زوجًا ملتويًا أحادي الزوج غير محمي (إيثرنت أحادي الزوج)، وتدعم الاتصال المزدوج الكامل، وتتمتع بقدرات قوية مضادة للتداخل، وهي خفيفة الوزن، مما يجعلها مناسبة لبيئة السيارات المعقدة، وتحدد الطبقة المادية بشكل أساسي واجهات الأجهزة، وترميز الإشارة، وتحويل البيانات إلى إشارة، وتأكيد وضع السيد والعبد. على سبيل المثال، يمكن أن يحقق 100BASE-T1 اتصالاً مزدوجاً كاملاً بسرعة 100 ميغابت في الثانية عبر زوج واحد من الكابلات، مما يبسّط بشكل كبير الأسلاك داخل السيارة.

2. طبقة ارتباط البيانات (MAC)
طبقة ارتباط البيانات مسؤولة عن تغليف الإطار والعنونة واكتشاف الأخطاء. تقدم شبكة Ethernet للسيارات تقنية VLAN (الشبكة المحلية الافتراضية) في هذه الطبقة، والتي يمكنها تقسيم الشبكة المادية إلى نطاقات بث منطقية متعددة، وعزل عواصف البث، وتحسين جودة الشبكة. على سبيل المثال، يمكن أن ينتمي نظام نقل الحركة ونظام الترفيه إلى شبكات محلية افتراضية مختلفة، مما يضمن استقرار الشبكة من خلال منع التداخل.

3. طبقة الشبكة
تستخدم طبقة شبكة إيثرنت للسيارات بشكل أساسي بروتوكولي ARP و IP. يتعامل ARP مع التعيين بين عناوين IP وعناوين MAC، بينما يكون بروتوكول IP مسؤولاً عن عنونة الحزم وإعادة توجيهها. IPv4 هو الخيار السائد، ولكن يتم اعتماد IPv6 تدريجياً. يسمح نظام CIDR (التوجيه بين النطاقات بدون فئات) بشبكة فرعية أكثر مرونة، مما يسهل إدارة العقد الكبيرة الحجم.

4. طبقة النقل
تدعم طبقة النقل بروتوكولات مثل ICMP و UDP و TCP. يستخدم ICMP بشكل أساسي لاختبار الشبكة (على سبيل المثال، PING)، بينما يستخدم UDP و TCP لسيناريوهات ذات متطلبات مختلفة للأداء والموثوقية في الوقت الحقيقي. على سبيل المثال، تستخدم تدفقات الفيديو وبيانات الرادار UDP، بينما تستخدم عمليات التشخيص والمعايرة TCP.5. طبقة التطبيقات
تتضمن طبقة التطبيق مجموعة متنوعة من البروتوكولات، مثل:

• UDPNM: بروتوكول إدارة شبكة يعتمد على UDP، مما يتيح تنسيق سكون العقد وإيقاظها.
• DHCP: بروتوكول تكوين مضيف ديناميكي لتخصيص عنوان IP تلقائياً.
• SOME/IP: بروتوكول برمجيات وسيطة للخدمات يدعم اكتشاف الخدمات والاتصال في بنيات SOA.
• DoIP: بروتوكول تشخيص عبر Ethernet يدعم التشخيص والوميض عن بُعد.
• XCP على الإيثرنت: بروتوكول معايرة يدعم معايرة وحدة التحكم الإلكترونية والقياس والتجاوز.

3. المزايا الأساسية لبروتوكول إيثرنت السيارات

1. عرض النطاق الترددي العالي والكمون المنخفض
يبلغ عرض النطاق الترددي التقليدي لناقل CAN التقليدي 1 ميغابت في الثانية، ويصل عرض النطاق الترددي لـ FlexRay إلى 10 ميغابت في الثانية فقط. في المقابل، تحقق شبكة إيثرنت للسيارات بسهولة مئات الميغابت في الثانية أو حتى جيجابت في الثانية، مما يلبي متطلبات الكاميرات عالية الوضوح والرادار والرادار والليدار لنقل البيانات الكبيرة.

2. قابلية التوسع المرن وسهولة التكامل
Ethernet هو معيار مفتوح مع توافق ممتاز للأجهزة، مما يجعل من السهل دمجه مع أنظمة تكنولوجيا المعلومات. تسمح تقنيات مثل VLAN وTSN بطوبولوجيا شبكات أكثر مرونة، تتكيف مع نماذج المركبات المختلفة والمتطلبات الوظيفية.

3. الاتصالات الآنية والحتمية
من خلال ملحقات مثل AVB (توصيل الصوت والفيديو) و TSN (الشبكات الحساسة للوقت)، يمكن لشبكة Ethernet للسيارات تحقيق اتصال في الوقت الحقيقي على مستوى أجزاء من الثانية أو حتى ميكروثانية، مما يلبي متطلبات زمن الاستجابة الصارمة للقيادة الذاتية والتحكم في الهيكل.

4. مزايا التكلفة والوزن
يقلل تصميم الكبل أحادي الزوج بشكل كبير من تكاليف الأسلاك ووزنها، خاصة بالنسبة للسيارات الكهربائية والذكية التي تتطلب حلولاً خفيفة الوزن.