Einführung: Warum über das Automotive Ethernet Protokoll sprechen?

Hallo zusammen, ich bin ein Ingenieur von key-iot. In letzter Zeit habe ich bei meiner Arbeit an Projekten für intelligente vernetzte Fahrzeuge festgestellt, dass immer mehr OEMs und Tier-1-Lieferanten über das "Automotive Ethernet Protocol" diskutieren. Tatsächlich ist das fahrzeuginterne Ethernet kein neues Konzept mehr, aber sein Protokollsystem unterscheidet sich deutlich vom herkömmlichen IT-Ethernet. Lassen Sie uns heute darüber sprechen, was das Automotive-Ethernet-Protokoll ist und warum es zur "neuen Infrastruktur" für intelligente Fahrzeuge wird.

1. Was ist das Automotive Ethernet Protokoll?

Einfach ausgedrückt ist das Automotive Ethernet Protocol eine Familie von Ethernet-Protokollen, die speziell für die Kommunikation im Fahrzeug entwickelt wurden. Es handelt sich dabei nicht um ein einzelnes Protokoll, sondern um ein komplettes System, das von der physikalischen Schicht bis zur Anwendungsschicht reicht und eine effiziente und zuverlässige Verbindung zwischen verschiedenen elektronischen Steuergeräten (ECUs), Sensoren, Kameras und anderen Geräten im Fahrzeug ermöglichen soll.Warum nicht einfach herkömmliches CAN, LIN oder FlexRay verwenden? Weil diese alten Busse eine begrenzte Bandbreite haben und die Datenrate und Echtzeitanforderungen neuer Anwendungen wie autonomes Fahren, intelligente Cockpits und In-Car-Entertainment nicht mehr erfüllen können. Ethernet bietet eine hohe Bandbreite, niedrige Kosten und eine starke Skalierbarkeit, was es zur bevorzugten Wahl für die nächste Generation von Fahrzeugnetzwerken macht.

2. Überblick über den Automotive-Ethernet-Protokollstapel

Wenn wir über Protokolle sprechen, kommen wir am OSI-Sieben-Schichten-Modell nicht vorbei. Der Automotive-Ethernet-Protokollstapel ist im Wesentlichen nach diesem Modell aufgebaut, aber jede Schicht ist speziell für Automotive-Szenarien optimiert.

1. Physikalische Schicht (PHY)Die physikalische Schicht von Automobil-Ethernet unterscheidet sich deutlich von herkömmlichem Ethernet. Die typischsten Standards sind 100BASE-T1, 1000BASE-T1 und 10BASE-T1S. Diese Standards verwenden alle eine ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitung (Single Pair Ethernet), unterstützen die Vollduplex-Kommunikation, haben starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten und sind leichtgewichtig - perfekt für die komplexe Automobilumgebung.Die physikalische Schicht definiert hauptsächlich Hardware-Schnittstellen, Signalcodierung, Daten-zu-Signal-Umwandlung und Übertragung sowie Master-Slave-Modus-Bestätigung. Mit 100BASE-T1 kann beispielsweise eine 100-Mbps-Vollduplex-Kommunikation über ein einziges Leitungspaar erreicht werden, was die Verkabelung im Fahrzeug erheblich vereinfacht.

2. Datenverbindungsschicht (MAC)Die Datenverbindungsschicht ist für die Rahmenkapselung, Adressierung und Fehlererkennung zuständig. Automotive Ethernet führt auf dieser Schicht die VLAN-Technologie (Virtual LAN) ein, die ein physisches Netzwerk in mehrere logische Broadcast-Domänen unterteilen, Broadcast-Stürme isolieren und die Netzwerkqualität verbessern kann. So können z. B. das Antriebssystem und das Unterhaltungssystem zu verschiedenen VLANs gehören, die sich nicht gegenseitig stören, wodurch das Netzwerk stabiler wird.

3. NetzwerkschichtDie Netzwerkschicht von Automobil-Ethernet verwendet hauptsächlich ARP- und IP-Protokolle. ARP übernimmt die Zuordnung zwischen IP-Adressen und MAC-Adressen, während das IP-Protokoll für die Paketadressierung und -weiterleitung zuständig ist. IPv4 ist weit verbreitet, aber IPv6 wird nach und nach eingeführt. CIDR (Classless Inter-Domain Routing) ermöglicht eine flexiblere Unterteilung der Netze und erleichtert die Verwaltung großer Knoten.

4. TransportschichtDie Transportschicht unterstützt Protokolle wie ICMP, UDP und TCP. ICMP wird hauptsächlich für Netzwerktests (wie PING) verwendet, während UDP und TCP für Szenarien mit unterschiedlichen Echtzeit- und Zuverlässigkeitsanforderungen geeignet sind. Beispielsweise verwenden Videoströme und Radardaten UDP, während Diagnose und Kalibrierung TCP verwenden.5. AnwendungsschichtDie Protokolle der Anwendungsschicht sind sehr umfangreich und umfassen vor allem Folgendes:

• UDPNM: Ein UDP-basiertes Netzverwaltungsprotokoll für koordiniertes Schlafen und Aufwachen von Knoten.
• DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol für die automatische Zuweisung von IP-Adressen.
• SOME/IP: Serviceorientiertes Middleware-Protokoll, das die Erkennung und Kommunikation von Diensten in einer SOA-Architektur unterstützt.
• DoIP: Diagnose über IP, unterstützt Ferndiagnose und Flashen.
• XCP über Ethernet: Kalibrierungsprotokoll, das Steuergerätekalibrierung, Messung und Bypass-Funktionen unterstützt.

3. Die wichtigsten Vorteile des Automotive Ethernet Protokolls

1. Hohe Bandbreite, niedrige LatenzTraditionelle CAN-Bus-Bandbreite erreicht maximal 1 Mbps, FlexRay 10 Mbps, während Automotive-Ethernet leicht Hunderte von Mbps oder sogar Gbps erreicht und damit den massiven Datenübertragungsbedarf von HD-Kameras, Radaren und LiDAR erfüllt.2. Flexible Erweiterung und einfache IntegrationEthernet ist ein offener Standard mit guter Gerätekompatibilität und lässt sich leicht mit IT-Systemen verbinden. Technologien wie VLAN und TSN machen die Netzwerktopologie flexibler und passen sich an unterschiedliche Fahrzeugmodelle und Funktionsanforderungen an.**3Untenstehend finden Sie die vollständige englische Übersetzung des Originaltextes über das "Automotive Ethernet Protocol", geschrieben im Stil eines Key-IoT-Mitarbeiters für ein Forum wie das Enshan Wireless Forum.

Einleitung: Warum über das Automotive Ethernet-Protokoll sprechen?

Hallo zusammen, ich bin ein Ingenieur bei Key-IoT. Bei meiner Arbeit an Projekten im Zusammenhang mit intelligenten, vernetzten Fahrzeugen ist mir in letzter Zeit aufgefallen, dass immer mehr Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer über das "Automotive Ethernet Protocol" diskutieren. Obwohl Automotive Ethernet kein neues Konzept ist, unterscheidet sich sein Protokollsystem deutlich vom traditionellen IT-Ethernet. Heute möchte ich Ihnen erläutern, was das Automotive Ethernet Protocol ist und warum es zur "neuen Infrastruktur" für intelligente Fahrzeuge geworden ist.

1. Was ist das Automotive Ethernet Protokoll?

Einfach ausgedrückt ist das Automotive Ethernet Protocol eine Reihe von Ethernet-Protokollen, die speziell für die Kommunikation im Fahrzeug entwickelt wurden. Es handelt sich dabei nicht um ein einzelnes Protokoll, sondern um ein umfassendes System, das von der physikalischen Schicht bis zur Anwendungsschicht reicht und eine effiziente und zuverlässige Verbindung zwischen verschiedenen Geräten im Fahrzeug, wie z. B. elektronischen Steuergeräten (ECUs), Sensoren und Kameras, ermöglichen soll. Der Grund dafür ist, dass diese traditionellen Bussysteme eine begrenzte Bandbreite haben und die Datenrate und Echtzeitanforderungen neuer Anwendungen wie autonomes Fahren, intelligente Cockpits und In-Car-Entertainment nicht mehr erfüllen können. Ethernet mit seiner hohen Bandbreite, seinen niedrigen Kosten und seiner Skalierbarkeit ist natürlich die bevorzugte Wahl für die nächste Generation von Fahrzeugnetzwerken geworden.

2. Überblick über den Automotive-Ethernet-Protokollstapel

Wenn wir über Protokolle sprechen, kommen wir um das OSI-Sieben-Schichten-Modell nicht herum. Der Automotive-Ethernet-Protokollstapel wurde im Wesentlichen auf der Grundlage dieses Modells entwickelt, aber jede Schicht wurde speziell für Kfz-Szenarien optimiert.1. Physikalische Schicht (PHY)
Die physikalische Schicht von Automotive Ethernet unterscheidet sich deutlich von herkömmlichem Ethernet. Die typischsten Standards sind 100BASE-T1, 1000BASE-T1 und 10BASE-T1S. Diese Standards verwenden eine ungeschirmte verdrillte Zweidrahtleitung (Single Pair Ethernet), unterstützen Vollduplex-Kommunikation, verfügen über starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten und sind leichtgewichtig, so dass sie für die komplexe Automobilumgebung geeignet sind.Die physikalische Schicht definiert hauptsächlich Hardware-Schnittstellen, Signalcodierung, Daten-zu-Signal-Konvertierung und Master-Slave-Modus-Bestätigung. Mit 100BASE-T1 kann beispielsweise eine 100-Mbit/s-Vollduplex-Kommunikation über ein einziges Kabelpaar erreicht werden, was die Verkabelung im Fahrzeug erheblich vereinfacht.

2. Datenverbindungsschicht (MAC)
Die Datenverbindungsschicht ist für die Rahmenkapselung, Adressierung und Fehlererkennung zuständig. Automotive Ethernet führt auf dieser Schicht die VLAN-Technologie (Virtual Local Area Network) ein, die ein physisches Netzwerk in mehrere logische Broadcast-Domänen unterteilen, Broadcast-Stürme isolieren und die Netzwerkqualität verbessern kann. So können beispielsweise das Antriebssystem und das Unterhaltungssystem verschiedenen VLANs angehören, was die Stabilität des Netzwerks gewährleistet, indem es Interferenzen verhindert.

3. Netzwerkschicht
Die Netzwerkschicht des Automobil-Ethernet verwendet in erster Linie ARP- und IP-Protokolle. ARP sorgt für die Zuordnung zwischen IP-Adressen und MAC-Adressen, während das IP-Protokoll für die Adressierung und Weiterleitung von Paketen zuständig ist. IPv4 ist die gängige Wahl, aber IPv6 wird nach und nach eingeführt. CIDR (Classless Inter-Domain Routing) ermöglicht eine flexiblere Unterteilung der Netze, was die Verwaltung großer Knoten erleichtert.

4. Transportschicht
Die Transportschicht unterstützt Protokolle wie ICMP, UDP und TCP. ICMP wird hauptsächlich für Netzwerktests verwendet (z. B. PING), während UDP und TCP für Szenarien mit unterschiedlichen Anforderungen an Echtzeitleistung und Zuverlässigkeit eingesetzt werden. Beispielsweise verwenden Videoströme und Radardaten UDP, während Diagnose und Kalibrierung TCP verwenden.5. Anwendungsschicht
Die Anwendungsschicht umfasst eine Vielzahl von Protokollen, wie z. B.:

• UDPNM: Ein auf UDP basierendes Netzverwaltungsprotokoll, das ein koordiniertes Einschlafen und Aufwachen von Knoten ermöglicht.
• DHCP: Ein dynamisches Host-Konfigurationsprotokoll für die automatische Zuweisung von IP-Adressen.
• SOME/IP: Ein Service-Middleware-Protokoll, das die Erkennung und Kommunikation von Diensten in SOA-Architekturen unterstützt.
• DoIP: Ein Diagnoseprotokoll über Ethernet, das Ferndiagnose und Flashen unterstützt.
• XCP über Ethernet: Ein Kalibrierungsprotokoll, das ECU-Kalibrierung, Messung und Bypassing unterstützt.

3. Kernvorteile des Automotive Ethernet Protokolls

1. Hohe Bandbreite und geringe Latenzzeit
Die traditionelle CAN-Bus-Bandbreite ist auf 1 Mbit/s begrenzt, und FlexRay erreicht nur 10 Mbit/s. Im Gegensatz dazu erreicht Automotive Ethernet problemlos Hunderte von Mbit/s oder sogar Gbit/s und erfüllt damit die Anforderungen von hochauflösenden Kameras, Radar und LiDAR für die Übertragung großer Datenmengen.

2. Flexible Skalierbarkeit und einfache Integration
Ethernet ist ein offener Standard mit hervorragender Gerätekompatibilität, so dass es sich leicht in IT-Systeme integrieren lässt. Technologien wie VLAN und TSN ermöglichen flexiblere Netztopologien, die sich an unterschiedliche Fahrzeugmodelle und Funktionsanforderungen anpassen lassen.

3. Kommunikation in Echtzeit und deterministisch
Durch Erweiterungen wie AVB (Audio Video Bridging) und TSN (Time-Sensitive Networking) kann Automotive Ethernet eine Echtzeitkommunikation im Millisekunden- oder sogar Mikrosekundenbereich erreichen und so die strengen Latenzanforderungen des autonomen Fahrens und der Fahrwerkssteuerung erfüllen.

4. Kosten- und Gewichtsvorteile
Das einpaarige Kabeldesign reduziert die Verdrahtungskosten und das Gewicht erheblich, insbesondere für Elektro- und Smart-Fahrzeuge, die leichte Lösungen erfordern.