Введение: Зачем говорить о протоколе Automotive Ethernet?

Привет всем, я инженер из компании Key-iot. Недавно, работая над проектами интеллектуальных подключенных автомобилей, я заметил, что все больше и больше OEM-производителей и поставщиков Tier 1 обсуждают "протокол автомобильного Ethernet". На самом деле, автомобильный Ethernet уже не является новой концепцией, но его протокольная система значительно отличается от традиционного IT Ethernet. Сегодня мы поговорим о том, что такое протокол автомобильного Ethernet и почему он становится "новой инфраструктурой" для умных автомобилей.

1. Что такое протокол Automotive Ethernet Protocol?

Проще говоря, протокол Automotive Ethernet Protocol - это семейство протоколов Ethernet, специально разработанных для автомобильной связи. Это не один протокол, а целая система, охватывающая физический и прикладной уровни, призванная обеспечить эффективное и надежное взаимодействие между различными электронными блоками управления (ЭБУ), датчиками, камерами и другими устройствами внутри автомобиля. Почему не использовать традиционные CAN, LIN или FlexRay? Потому что эти устаревшие шины имеют ограниченную пропускную способность и больше не могут соответствовать скорости передачи данных и требованиям реального времени новых приложений, таких как автономное вождение, интеллектуальные кабины и автомобильные развлечения. Ethernet обеспечивает высокую пропускную способность, низкую стоимость и широкие возможности масштабирования, что делает его предпочтительным выбором для следующего поколения автомобильных сетей.

2. Обзор стека протоколов автомобильного Ethernet

При обсуждении протоколов мы не можем обойти стороной семиуровневую модель OSI. Стек протоколов автомобильного Ethernet в основном разработан по этой модели, но каждый уровень специально оптимизирован для автомобильных сценариев.

1. Физический уровень (PHY)Физический уровень автомобильного Ethernet значительно отличается от традиционного Ethernet. Наиболее типичными стандартами являются 100BASE-T1, 1000BASE-T1 и 10BASE-T1S. Все эти стандарты используют однопарную неэкранированную витую пару (Single Pair Ethernet), поддерживают полнодуплексную связь, обладают сильными возможностями защиты от помех и имеют малый вес, что идеально подходит для сложной автомобильной среды. Физический уровень в основном определяет аппаратные интерфейсы, кодирование сигналов, преобразование данных в сигналы и их передачу, а также подтверждение режима "ведущий-ведомый". Например, 100BASE-T1 может обеспечить полнодуплексную связь 100 Мбит/с по одной паре проводов, значительно упрощая автомобильную проводку.

2. Канальный уровень (MAC)Канальный уровень отвечает за инкапсуляцию кадров, адресацию и обнаружение ошибок. Автомобильный Ethernet внедряет на этом уровне технологию VLAN (Virtual LAN), которая позволяет разделить физическую сеть на несколько логических широковещательных доменов, изолировать широковещательные штормы и улучшить качество сети. Например, система трансмиссии и развлекательная система могут принадлежать к разным VLAN, не мешая друг другу, что делает сеть более стабильной.

3. Сетевой уровеньНа сетевом уровне автомобильного Ethernet в основном используются протоколы ARP и IP. ARP управляет сопоставлением IP-адресов и MAC-адресов, а протокол IP отвечает за адресацию и пересылку пакетов. Протокол IPv4 является основным, но постепенно внедряется протокол IPv6. CIDR (Classless Inter-Domain Routing - бесклассовая междоменная маршрутизация) позволяет создавать более гибкие подсети, что упрощает управление крупными узлами.

4. Транспортный уровеньТранспортный уровень поддерживает такие протоколы, как ICMP, UDP и TCP. ICMP в основном используется для тестирования сети (например, PING), а UDP и TCP подходят для сценариев с различными требованиями к реальному времени и надежности. Например, для передачи видеопотоков и данных радара используется UDP, а для диагностики и калибровки - TCP.5. Прикладной уровеньПротоколы прикладного уровня очень богаты, в основном они включают:

• UDPNM: протокол управления сетью на основе UDP для координированного сна и пробуждения узлов.
• DHCP: протокол динамической конфигурации хоста для автоматического назначения IP-адресов.
• SOME/IP: протокол Service-Oriented Middleware, поддерживающий обнаружение сервисов и взаимодействие в архитектуре SOA.
• DoIP: диагностика по IP, поддержка удаленной диагностики и перепрошивки.
• XCP on Ethernet: Протокол калибровки, поддерживающий функции калибровки, измерения и обхода ЭБУ.

3. Основные преимущества протокола Automotive Ethernet

1. Высокая пропускная способность, низкая задержкаПропускная способность традиционной шины CAN достигает 1 Мбит/с, FlexRay - 10 Мбит/с, в то время как автомобильный Ethernet легко достигает сотен Мбит/с или даже Гбит/с, удовлетворяя огромные потребности в передаче данных HD-камер, радаров и LiDAR.2. Гибкое расширение и простая интеграцияEthernet - это открытый стандарт с хорошей совместимостью устройств и простым интерфейсом с ИТ-системами. Такие технологии, как VLAN и TSN, делают топологию сети более гибкой, адаптируясь к различным моделям автомобилей и функциональным требованиям.**3 Ниже представлен полный перевод на английский язык оригинального текста о "Протоколе автомобильного Ethernet", написанного в стиле сотрудника Key-IoT для форума типа Enshan Wireless Forum.

Введение: Зачем говорить о протоколе Automotive Ethernet?

Привет всем, я инженер компании Key-IoT. Недавно, работая над проектами, связанными с интеллектуальными подключенными автомобилями, я заметил, что все больше и больше автопроизводителей и поставщиков первого уровня обсуждают "протокол автомобильного Ethernet". Хотя автомобильный Ethernet не является новой концепцией, его протокольная система значительно отличается от традиционного IT Ethernet. Сегодня я хотел бы поделиться с вами тем, что представляет собой протокол Automotive Ethernet Protocol и почему он стал "новой инфраструктурой" для умных автомобилей.

1. Что такое протокол Automotive Ethernet Protocol?

Проще говоря, протокол Automotive Ethernet Protocol - это набор протоколов Ethernet, специально разработанных для автомобильной связи. Это не один протокол, а комплексная система, которая охватывает все уровни - от физического до прикладного, и призвана обеспечить эффективное и надежное взаимодействие между различными бортовыми устройствами, такими как электронные блоки управления (ЭБУ), датчики и камеры. Почему не использовать традиционные протоколы, такие как CAN, LIN или FlexRay? Причина в том, что эти традиционные шинные системы имеют ограниченную пропускную способность и больше не могут соответствовать скорости передачи данных и требованиям реального времени новых приложений, таких как автономное вождение, интеллектуальные кабины и автомобильные развлечения. Ethernet с его высокой пропускной способностью, низкой стоимостью и масштабируемостью, естественно, стал предпочтительным выбором для следующего поколения автомобильных сетей.

2. Обзор стека протоколов автомобильного Ethernet

При обсуждении протоколов мы не можем обойти стороной семиуровневую модель OSI. Стек протоколов Automotive Ethernet, по сути, разработан на основе этой модели, но каждый уровень был специально оптимизирован для автомобильных сценариев.1. Физический уровень (PHY)
Физический уровень автомобильного Ethernet значительно отличается от традиционного Ethernet. Наиболее типичными стандартами являются 100BASE-T1, 1000BASE-T1 и 10BASE-T1S. Эти стандарты используют однопарную неэкранированную витую пару (Single Pair Ethernet), поддерживают полнодуплексную связь, обладают сильными возможностями защиты от помех и имеют небольшой вес, что делает их подходящими для сложной автомобильной среды. Физический уровень в основном определяет аппаратные интерфейсы, кодирование сигналов, преобразование данных в сигналы и подтверждение режима "ведущий-ведомый". Например, 100BASE-T1 может обеспечить полнодуплексную передачу данных со скоростью 100 Мбит/с по одной паре кабелей, что значительно упрощает проводку в автомобиле.

2. Уровень канала передачи данных (MAC)
Канальный уровень отвечает за инкапсуляцию кадров, адресацию и обнаружение ошибок. В автомобильном Ethernet на этом уровне реализована технология VLAN (Virtual Local Area Network), которая позволяет разделить физическую сеть на несколько логических широковещательных доменов, изолировать широковещательные штормы и повысить качество сети. Например, система трансмиссии и развлекательная система могут принадлежать к разным VLAN, обеспечивая стабильность сети за счет предотвращения помех.

3. Сетевой уровень
На сетевом уровне автомобильного Ethernet в основном используются протоколы ARP и IP. ARP управляет сопоставлением IP-адресов и MAC-адресов, а протокол IP отвечает за адресацию и пересылку пакетов. В основном используется протокол IPv4, но постепенно внедряется протокол IPv6. CIDR (Classless Inter-Domain Routing - бесклассовая междоменная маршрутизация) обеспечивает более гибкое построение подсетей, что упрощает управление крупными узлами.

4. Транспортный уровень
Транспортный уровень поддерживает такие протоколы, как ICMP, UDP и TCP. ICMP в основном используется для тестирования сети (например, PING), а UDP и TCP - для сценариев с различными требованиями к производительности и надежности в реальном времени. Например, для передачи видеопотоков и данных радара используется UDP, а для диагностики и калибровки - TCP.5. Прикладной уровень
Прикладной уровень включает в себя различные протоколы, такие как:

• UDPNM: протокол управления сетью на основе UDP, позволяющий координировать сон и пробуждение узлов.
• DHCP: протокол динамической конфигурации хоста для автоматического выделения IP-адресов.
• SOME/IP: протокол сервисного промежуточного ПО, поддерживающий обнаружение сервисов и взаимодействие в SOA-архитектурах.
• DoIP: диагностический протокол через Ethernet, поддерживающий удаленную диагностику и перепрошивку.
• XCP on Ethernet: Протокол калибровки, поддерживающий калибровку, измерение и обход ЭБУ.

3. Основные преимущества протокола Automotive Ethernet

1. Высокая пропускная способность и низкая задержка
Пропускная способность традиционной шины CAN ограничена 1 Мбит/с, а FlexRay достигает лишь 10 Мбит/с. В отличие от этого, автомобильный Ethernet легко достигает сотен Мбит/с или даже Гбит/с, удовлетворяя потребности камер высокой четкости, радаров и LiDAR в передаче больших объемов данных.

2. Гибкая масштабируемость и простая интеграция
Ethernet - это открытый стандарт с отличной совместимостью устройств, что упрощает интеграцию с ИТ-системами. Такие технологии, как VLAN и TSN, позволяют создавать более гибкие сетевые топологии, адаптирующиеся к различным моделям автомобилей и функциональным требованиям.

3. Коммуникация в реальном времени и детерминированная коммуникация
Благодаря таким расширениям, как AVB (Audio Video Bridging) и TSN (Time-Sensitive Networking), автомобильный Ethernet может обеспечить связь в реальном времени на уровне миллисекунд или даже микросекунд, что соответствует жестким требованиям к задержкам при автономном вождении и управлении шасси.

4. Преимущества по стоимости и весу
Однопарная конструкция кабеля значительно снижает стоимость и вес проводки, что особенно актуально для электрических и интеллектуальных автомобилей, требующих легких решений.