Introducción: ¿Por qué hablar del protocolo Ethernet para automoción?

Hola a todos, soy un ingeniero de key-iot. Recientemente, mientras trabajaba en proyectos de vehículos inteligentes conectados, me he dado cuenta de que cada vez más fabricantes de equipos originales y proveedores de primer nivel hablan del "Protocolo Ethernet para automoción". De hecho, Ethernet en el vehículo ya no es un concepto nuevo, pero su sistema de protocolo es bastante diferente de la Ethernet de TI tradicional. Hoy vamos a hablar de qué es el protocolo Ethernet para automoción y por qué se está convirtiendo en la "nueva infraestructura" de los vehículos inteligentes.

1. ¿Qué es el protocolo Automotive Ethernet?

En pocas palabras, el Protocolo Ethernet para Automoción es una familia de protocolos Ethernet diseñados específicamente para la comunicación dentro del vehículo. No se trata de un único protocolo, sino de un sistema completo que abarca desde la capa física hasta la capa de aplicación, con el objetivo de posibilitar una interconexión eficiente y fiable entre diversas unidades de control electrónico (ECU), sensores, cámaras y otros dispositivos del interior del automóvil.¿Por qué no utilizar los tradicionales CAN, LIN o FlexRay? Porque estos buses heredados tienen un ancho de banda limitado y ya no pueden satisfacer los requisitos de velocidad de datos y tiempo real de nuevas aplicaciones como la conducción autónoma, las cabinas inteligentes y el entretenimiento en el automóvil. Ethernet ofrece un gran ancho de banda, un bajo coste y una gran escalabilidad, lo que la convierte en la opción preferida para la próxima generación de redes a bordo de vehículos.

2. Visión general de la pila de protocolos Ethernet para automoción

Cuando hablamos de protocolos, no podemos evitar el modelo OSI de siete capas. La pila de protocolos de Ethernet para automoción está diseñada básicamente según este modelo, pero cada capa está especialmente optimizada para escenarios de automoción.

1. Capa física (PHY)La capa física de Ethernet del automóvil es bastante diferente de la Ethernet tradicional. Los estándares más habituales son 100BASE-T1, 1000BASE-T1 y 10BASE-T1S. La capa física define principalmente las interfaces de hardware, la codificación de señales, la conversión de datos en señales y la transmisión, así como la confirmación del modo maestro-esclavo. Por ejemplo, 100BASE-T1 puede lograr una comunicación full-duplex de 100 Mbps en un solo par de cables, lo que simplifica enormemente el cableado del vehículo.

2. La capa de enlace de datos se encarga de la encapsulación de tramas, el direccionamiento y la detección de errores. Automotive Ethernet introduce la tecnología VLAN (Virtual LAN) en esta capa, que puede dividir una red física en múltiples dominios lógicos de difusión, aislar las tormentas de difusión y mejorar la calidad de la red. Por ejemplo, el sistema de tren motriz y el de entretenimiento pueden pertenecer a distintas VLAN, sin interferir entre sí, lo que hace que la red sea más estable.

3. Capa de redLa capa de red de Ethernet para automoción utiliza principalmente los protocolos ARP e IP. ARP se encarga del mapeo entre direcciones IP y direcciones MAC, mientras que el protocolo IP es responsable del direccionamiento y reenvío de paquetes. IPv4 es el protocolo dominante, pero IPv6 se está adoptando gradualmente. CIDR (Classless Inter-Domain Routing) permite una subred más flexible, lo que facilita la gestión de nodos a gran escala.

4. Capa de transporteLa capa de transporte soporta protocolos como ICMP, UDP y TCP. ICMP se utiliza principalmente para pruebas de red (como PING), mientras que UDP y TCP son adecuados para escenarios con diferentes requisitos de tiempo real y fiabilidad. Por ejemplo, los flujos de vídeo y los datos de radar utilizan UDP, mientras que el diagnóstico y la calibración utilizan TCP.5. Capa de aplicación Capa de aplicaciónLos protocolos de la capa de aplicación son muy ricos, e incluyen principalmente:

• UDPNM: protocolo de gestión de red basado en UDP para la activación y desactivación coordinadas de nodos.
• DHCP: Protocolo de configuración dinámica de host para la asignación automática de direcciones IP.
• SOME/IP: protocolo Middleware orientado a servicios que soporta el descubrimiento de servicios y la comunicación en arquitectura SOA.
• DoIP: Diagnóstico a través de IP, compatible con el diagnóstico remoto y el flasheo.
• XCP en Ethernet: Protocolo de calibración compatible con las funciones de calibración, medición y derivación de la ECU.

3. Principales ventajas del protocolo Ethernet para automoción

1. 1. Gran ancho de banda, baja latenciaEl ancho de banda del bus CAN tradicional alcanza como máximo 1 Mbps, FlexRay 10 Mbps, mientras que Ethernet para automoción alcanza fácilmente cientos de Mbps o incluso Gbps, satisfaciendo las necesidades de transmisión masiva de datos de cámaras HD, radares y LiDAR. Expansión flexible e integración sencillaEthernet es un estándar abierto con buena compatibilidad de dispositivos y es fácil de interconectar con sistemas informáticos. Tecnologías como VLAN y TSN hacen que la topología de red sea más flexible, adaptándose a diferentes modelos de vehículos y requisitos funcionales.**3A continuación se muestra la traducción completa al inglés del texto original sobre el "Protocolo Ethernet para Automoción", escrito al estilo de un empleado de Key-IoT para un foro como Enshan Wireless Forum.

Introducción: ¿Por qué hablar del protocolo Ethernet para automoción?

Hola a todos, soy ingeniero en Key-IoT. Recientemente, mientras trabajaba en proyectos relacionados con los vehículos inteligentes conectados, me di cuenta de que cada vez más fabricantes de automóviles y proveedores de primer nivel están discutiendo el "Protocolo Ethernet de automoción." Aunque Ethernet automotriz no es un concepto nuevo, su sistema de protocolo es bastante diferente de Ethernet de TI tradicional. Hoy me gustaría compartir con ustedes qué es el Protocolo Automotive Ethernet y por qué se ha convertido en la "nueva infraestructura" de los vehículos inteligentes.

1. ¿Qué es el protocolo Automotive Ethernet?

En términos sencillos, el Protocolo Ethernet para Automoción es un conjunto de protocolos Ethernet diseñados específicamente para la comunicación a bordo de vehículos. No se trata de un único protocolo, sino de un sistema completo que abarca desde la capa física hasta la capa de aplicación, con el objetivo de permitir una interconexión eficaz y fiable entre diversos dispositivos del vehículo, como unidades de control electrónico (ECU), sensores y cámaras. ¿Por qué no utilizar protocolos tradicionales como CAN, LIN o FlexRay? La razón es que estos sistemas de bus tradicionales tienen un ancho de banda limitado y ya no pueden satisfacer los requisitos de velocidad de datos y tiempo real de nuevas aplicaciones como la conducción autónoma, las cabinas inteligentes y el entretenimiento en el automóvil. Ethernet, con su gran ancho de banda, bajo coste y escalabilidad, se ha convertido naturalmente en la opción preferida para la próxima generación de redes a bordo de vehículos.

2. Visión general de la pila de protocolos Ethernet para automoción

Cuando hablamos de protocolos, no podemos evitar el modelo OSI de siete capas. La pila de protocolos de Ethernet para automoción se ha diseñado esencialmente basándose en este modelo, pero cada capa se ha optimizado especialmente para escenarios de automoción.1. Capa física (PHY)
La capa física de Ethernet para automoción es bastante diferente de la de Ethernet tradicional. Los estándares más habituales son 100BASE-T1, 1000BASE-T1 y 10BASE-T1S. Estos estándares utilizan un par trenzado sin apantallar (Single Pair Ethernet), admiten la comunicación full-duplex, tienen una gran capacidad antiinterferencias y son ligeros, por lo que resultan adecuados para el complejo entorno de la automoción. Por ejemplo, 100BASE-T1 puede lograr una comunicación full-duplex de 100 Mbps a través de un único par de cables, lo que simplifica considerablemente el cableado del vehículo.

2. Capa de enlace de datos (MAC)
La capa de enlace de datos se encarga de la encapsulación de tramas, el direccionamiento y la detección de errores. Automotive Ethernet introduce la tecnología VLAN (Virtual Local Area Network) en esta capa, que puede dividir una red física en varios dominios lógicos de difusión, aislar las tormentas de difusión y mejorar la calidad de la red. Por ejemplo, el sistema de propulsión y el de entretenimiento pueden pertenecer a distintas VLAN, lo que garantiza la estabilidad de la red al evitar interferencias.

3. Capa de red
La capa de red de Ethernet para automoción utiliza principalmente los protocolos ARP e IP. ARP se encarga del mapeo entre direcciones IP y direcciones MAC, mientras que el protocolo IP es responsable del direccionamiento y reenvío de paquetes. IPv4 es la opción dominante, pero IPv6 se está adoptando gradualmente. CIDR (Classless Inter-Domain Routing) permite una subred más flexible, lo que facilita la gestión de nodos a gran escala.

4. Capa de transporte
La capa de transporte soporta protocolos como ICMP, UDP y TCP. ICMP se utiliza principalmente para pruebas de red (por ejemplo, PING), mientras que UDP y TCP se utilizan para escenarios con diferentes requisitos de rendimiento y fiabilidad en tiempo real. Por ejemplo, los flujos de vídeo y los datos de radar utilizan UDP, mientras que el diagnóstico y la calibración utilizan TCP.5. Capa de aplicación
La capa de aplicación incluye diversos protocolos, como:

• UDPNM: protocolo de gestión de red basado en UDP que permite dormir y despertar nodos de forma coordinada.
• DHCP: protocolo de configuración dinámica de host para la asignación automática de direcciones IP.
• SOME/IP: protocolo de middleware de servicios que soporta el descubrimiento y la comunicación de servicios en arquitecturas SOA.
• DoIP: protocolo de diagnóstico a través de Ethernet que permite el diagnóstico y el flasheo remotos.
• XCP en Ethernet: Un protocolo de calibración que admite la calibración, medición y derivación de la ECU.

3. Principales ventajas del protocolo Ethernet para automoción

1. Gran ancho de banda y baja latencia
El ancho de banda del bus CAN tradicional tiene un límite de 1 Mbps, y FlexRay sólo alcanza los 10 Mbps. En cambio, Ethernet para automoción alcanza fácilmente cientos de Mbps o incluso Gbps, satisfaciendo las demandas de cámaras de alta definición, radares y LiDAR para la transmisión de grandes volúmenes de datos.

2. Escalabilidad flexible y fácil integración
Ethernet es un estándar abierto con una excelente compatibilidad de dispositivos, lo que facilita su integración con los sistemas informáticos. Tecnologías como VLAN y TSN permiten topologías de red más flexibles, adaptándose a distintos modelos de vehículos y requisitos funcionales.

3. Comunicación en tiempo real y determinista
Gracias a extensiones como AVB (Audio Video Bridging) y TSN (Time-Sensitive Networking), Ethernet para automóviles puede lograr una comunicación en tiempo real de milisegundos o incluso microsegundos, cumpliendo los estrictos requisitos de latencia de la conducción autónoma y el control de chasis.

4. Ventajas de coste y peso
El diseño de cable de un solo par reduce significativamente los costes de cableado y el peso, especialmente para vehículos eléctricos e inteligentes que exigen soluciones ligeras.