はじめになぜ車載イーサネット・プロトコルなのか？

皆さんこんにちは、key-iotのエンジニアです。最近、インテリジェント・コネクテッド・ビークルのプロジェクトに携わっている中で、より多くのOEMやTier1サプライヤーが "車載イーサネット・プロトコル "について議論していることに気づきました。実際、車載イーサネットはもはや新しいコンセプトではありませんが、そのプロトコルシステムは従来のITイーサネットとはかなり異なります。今日は、車載イーサネット・プロトコルとは何か、そしてなぜそれがスマート・ビークルの「新しいインフラ」になりつつあるのかについてお話ししましょう。

1.車載イーサネット・プロトコルとは？

簡単に言えば、車載イーサネット・プロトコルは、車載通信専用に設計されたイーサネット・プロトコル群である。単一のプロトコルではなく、物理層からアプリケーション層までの完全なシステムであり、車内のさまざまな電子制御ユニット（ECU）、センサー、カメラ、その他のデバイス間の効率的で信頼性の高い相互接続を可能にすることを目的としている。これらのレガシーバスは帯域幅が限られており、自律走行、スマートコックピット、車内エンターテインメントなどの新しいアプリケーションのデータレートやリアルタイム要件をもはや満たすことができないからです。イーサネットは高帯域幅、低コスト、強力なスケーラビリティを提供し、次世代の車載ネットワークに適した選択肢となっています。

2.車載イーサネット・プロトコルスタックの概要

プロトコルを論じるとき、OSIの7層モデルを避けて通ることはできない。車載イーサネット・プロトコル・スタックは基本的にこのラインに沿って設計されているが、各レイヤーは車載シナリオ用に特別に最適化されている。

1.物理層（PHY）車載イーサネットの物理層は、従来のイーサネットとはかなり異なる。最も代表的な規格は、100BASE-T1、1000BASE-T1、10BASE-T1Sである。物理層は主に、ハードウェア・インターフェース、信号エンコーディング、データ-信号変換、伝送、マスター-スレーブ・モードの確認を定義します。例えば、100BASE-T1は、1対のワイヤで100Mbps全二重通信を実現し、車内配線を大幅に簡素化します。

2.データリンク層（MAC）データリンク層は、フレームのカプセル化、アドレス指定、エラー検出を行う。車載イーサネットはこの層にVLAN（仮想LAN）技術を導入しており、物理ネットワークを複数の論理ブロードキャスト・ドメインに分割し、ブロードキャスト・ストームを分離してネットワーク品質を向上させることができる。例えば、パワートレイン・システムとエンターテインメント・システムは異なるVLANに属することができ、互いに干渉しないため、ネットワークがより安定します。

3.ネットワーク層車載イーサネットのネットワーク層は、主にARPとIPプロトコルを使用する。ARPはIPアドレスとMACアドレスのマッピングを処理し、IPプロトコルはパケットのアドレス指定と転送を担当する。IPv4が主流ですが、IPv6も徐々に採用されています。CIDR（Classless Inter-Domain Routing）は、より柔軟なサブネット設定を可能にし、大規模なノード管理を容易にする。

4.トランスポート層トランスポート層はICMP、UDP、TCPなどのプロトコルをサポートする。ICMPは主にネットワークテスト（PINGなど）に使用され、UDPとTCPはリアルタイム性と信頼性の要求が異なるシナリオに適しています。例えば、ビデオストリームやレーダーデータはUDPを使用し、診断や校正はTCPを使用します5。アプリケーション層アプリケーション層のプロトコルは非常に豊富で、主に以下のようなものがある：

• UDPNM: 調整されたノードのスリープとウェイクアップのためのUDPベースのネットワーク管理プロトコル。
• DHCP：Dynamic Host Configuration Protocolで、IPアドレスの自動割り当て。
• SOME/IP: SOAアーキテクチャの下でのサービス発見と通信をサポートするサービス指向ミドルウェアプロトコル。
• DoIP：リモート診断と点滅をサポートするDiagnostics over IP。
• イーサネット上のXCP：ECU適合、計測、バイパス機能をサポートする適合プロトコル。

3.車載イーサネット・プロトコルの主な利点

1.高帯域幅、低遅延従来のCANバスの帯域幅は最大1Mbps、FlexRayは10Mbpsであるのに対し、車載イーサネットは数百MbpsからGbpsにも容易に達し、HDカメラ、レーダー、LiDARの膨大なデータ伝送ニーズに対応する。2.2.柔軟な拡張性と容易な統合イーサネットは、デバイスの互換性に優れたオープン規格であり、ITシステムとのインターフェースも容易です。VLANやTSNのような技術は、ネットワーク・トポロジーをより柔軟にし、異なる車種や機能要件に適応させる。**3以下は、遠山無線フォーラムのようなフォーラム向けにKey-IoT社員のスタイルで書かれた「車載イーサネット・プロトコル」に関する原文の全英訳である。

はじめになぜ車載イーサネット・プロトコルなのか？

Key-IoTのエンジニアです。最近、インテリジェントなコネクテッドカーに関連するプロジェクトに携わっている中で、"車載イーサネット・プロトコル "について議論する自動車メーカーやティア1サプライヤーが増えていることに気づきました。車載イーサネットは新しいコンセプトではありませんが、そのプロトコル・システムは従来のITイーサネットとはかなり異なります。本日は、車載イーサネット・プロトコルとは何か、そしてなぜそれがスマート・ビークルの「新しいインフラ」となったのかをご紹介したいと思います。

1.車載イーサネット・プロトコルとは？

簡単に言えば、車載イーサネット・プロトコルは、車載通信専用に設計されたイーサネット・プロトコルのセットである。これは単一のプロトコルではなく、物理層からアプリケーション層にわたる包括的なシステムであり、電子制御ユニット（ECU）、センサー、カメラなど、さまざまな車載デバイス間の効率的で信頼性の高い相互接続を可能にすることを目的としている。なぜCAN、LIN、FlexRayといった従来のプロトコルを使用しないのだろうか。なぜCAN、LIN、FlexRayのような従来のプロトコルを使わないのでしょうか。その理由は、これらの従来のバスシステムは帯域幅が限られており、自律走行、スマートコックピット、車載エンターテインメントなどの新しいアプリケーションのデータレートとリアルタイム要件をもはや満たすことができないからです。高帯域幅、低コスト、スケーラビリティを備えたイーサネットは、当然のことながら、次世代の車載ネットワークに適した選択肢となっている。

2.車載イーサネット・プロトコルスタックの概要

プロトコルを論じるとき、OSIの7層モデルを避けて通ることはできない。車載イーサネット・プロトコル・スタックは、基本的にこのモデルに基づいて設計されていますが、各レイヤーは車載シナリオ用に特別に最適化されています。
車載イーサネットの物理層は、従来のイーサネットとはかなり異なる。最も代表的な規格は、100BASE-T1、1000BASE-T1、10BASE-T1Sである。物理層は主にハードウェア・インターフェース、信号エンコーディング、データ-信号変換、マスター-スレーブ・モード確認を定義しています。例えば、100BASE-T1は1対のケーブルで100Mbpsの全二重通信を実現し、車内配線を大幅に簡素化します。

2.データリンク層（MAC）
データリンク層は、フレームのカプセル化、アドレス指定、エラー検出を行う。車載イーサネットはこのレイヤーにVLAN（仮想ローカルエリアネットワーク）技術を導入しており、物理ネットワークを複数の論理ブロードキャストドメインに分割し、ブロードキャストストームを分離してネットワーク品質を向上させることができる。例えば、パワートレイン・システムとエンターテインメント・システムは異なるVLANに属することができ、干渉を防ぐことでネットワークの安定性を確保します。

3.ネットワーク層
車載イーサネットのネットワーク層は、主にARPとIPプロトコルを使用する。ARPはIPアドレスとMACアドレスのマッピングを処理し、IPプロトコルはパケットのアドレス指定と転送を担当する。IPv4が主流だが、IPv6も徐々に採用されつつある。CIDR（Classless Inter-Domain Routing）は、より柔軟なサブネット設定を可能にし、大規模ノードの管理を容易にします。

4.トランスポート層
トランスポート層はICMP、UDP、TCPなどのプロトコルをサポートしている。ICMPは主にネットワークテスト（PINGなど）に使用され、UDPとTCPはリアルタイムのパフォーマンスと信頼性に対する要求が異なるシナリオに使用される。例えば、ビデオストリームやレーダーデータはUDPを使用し、診断や校正はTCPを使用します5。アプリケーション層
アプリケーション層には、以下のような様々なプロトコルが含まれる：

• UDPNM：UDPに基づくネットワーク管理プロトコルで、ノードのスリープとウェイクアップを協調して行うことができる。
• DHCP：IPアドレスを自動的に割り当てるためのダイナミック・ホスト・コンフィギュレーション・プロトコル。
• SOME/IP: SOAアーキテクチャにおけるサービス・ディスカバリーとコミュニケーションをサポートするサービス・ミドルウェア・プロトコル。
• DoIP：リモート診断と点滅をサポートするイーサネット上の診断プロトコル。
• イーサネット上のXCP：ECU適合、計測、バイパスをサポートする適合プロトコル。

3.車載イーサネット・プロトコルの主な利点

1.高帯域幅と低遅延
従来のCANバスの帯域幅は1Mbpsが上限で、FlexRayは10Mbpsにしか達しない。対照的に、車載イーサネットは数百Mbps、あるいはGbpsを容易に達成し、高解像度カメラ、レーダー、LiDARの大容量データ伝送の要求に応えている。

2.柔軟な拡張性と容易な統合
イーサネットは、デバイスの互換性に優れたオープン規格であるため、ITシステムとの統合が容易です。VLANやTSNのような技術は、より柔軟なネットワーク・トポロジーを可能にし、異なる車両モデルや機能要件に適応します。

3.リアルタイム通信と決定論的通信
AVB（Audio Video Bridging）やTSN（Time-Sensitive Networking）などの拡張機能により、車載イーサネットはミリ秒、あるいはマイクロ秒レベルのリアルタイム通信を実現し、自律走行やシャーシ制御の厳しいレイテンシ要件を満たすことができる。

4.コストと重量の利点
1対のケーブル設計により、配線コストと重量が大幅に削減され、特に軽量ソリューションが求められる電気自動車やスマートカーに適している。