汽车以太网：革新车载网络，引领软件定义汽车新时代

要点速览：

汽车以太网有望在不久的将来实现每秒 100 吉比特的带宽。
许多较旧的车载网络（IVN）技术可能会被汽车以太网所取代。
网络布线的重量是汽车制造商面临的一个严重问题，因为它会降低电动汽车的续航里程。
你知道一辆汽车内部的布线长度超过一英里（约 1.6 公里），并且是汽车中第三重的系统吗？

这种极端的生存考验需要最先进的优化技术和工程设计，同时还需要最尖端的测试仪器和软件的支持。在本文中，了解像汽车以太网这样的网络创新技术是如何在优化长期设计的同时，提升车内体验的。

什么是汽车以太网？

汽车以太网是一套协议和设备标准，它将以太网技术适配于汽车领域，专门用于车载网络。

汽车以太网的历史始于博通公司（Broadcom）发起的 BroadR-Reach 计划。从那以后，该技术的各个方面都进行了标准化，以抑制专有技术的实施，并促进车辆、网络和软件系统之间的互操作性。

在接下来的部分中，我们将探讨汽车以太网的用途，将其与现有的车载网络技术进行比较，并展望其未来发展。

汽车以太网的用途是什么？

目前，汽车以太网主要用于需要大量带宽的应用场景（即每秒在网络上推送大量数据）。这类高带宽应用包括：

信息娱乐系统：将视频数据从存储介质传输到主机单元，每秒需要 5 到 25 兆比特（Mbps）的带宽。像音频视频桥接（AVB）、时间同步和带宽预留等专门协议，就是为了利用以太网的优势来实现高质量的多媒体功能而设计的。
摄像头数据传输：先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶依靠摄像头来全方位感知车辆周围的环境。每个摄像头每秒大约发送 500 到 3500 兆比特的视频帧数据。有趣的是，另一种车载网络平台 —— 汽车串行器 / 解串器（SerDes），在需要高清图像传输的应用中（如后置安全摄像头）正越来越受欢迎。
互联主干网：传感器、摄像头和功能的数量不断增加，意味着负责各个子系统的电子控制单元（ECU）之间有大量的数据流动。由于以太网采用的是对称点对点拓扑结构，而非共享总线拓扑结构，网络上的每一对节点都可以在设计的网络带宽（如 100 Mbps 或更高）下进行通信。所有连接的总带宽可以达到每秒数千兆比特（Gbps）的范围。大多数其他汽车网络技术无法维持如此高的数据传输速率。
诊断：汽车以太网特别适合传输现代车辆中所有子系统产生的大量诊断数据。

对于一些更关键的汽车应用，如车辆控制、线控转向、防抱死制动或汽车雷达传感器等，这些应用需要实时响应和容错能力，汽车制造商仍然依赖现有的技术，如控制器局域网（CAN）和 FlexRay，因为它们更成熟，在汽车环境中经过了验证，而且成本效益高。

然而，像电气和电子工程师协会（IEEE）针对时间敏感网络（TSN）制定的 802.1AS 标准等最新标准，使汽车以太网能够满足此类实时子系统所需的低延迟要求。例如，许多汽车制造商正在将其用于车辆的数字仪表盘、数据记录器、全景电子控制单元（ECU）和 AVB 交换机。

汽车以太网与标准以太网有何不同？

要了解它们的区别，首先了解它们的相似之处会有所帮助。我们先从以太网网络与网络功能的开放系统互连（OSI）模型的关系说起。

以太网规范对应于两个逻辑层：

物理层：最底层是以太网物理（PHY）层，它关注的是底层的物理、电气和光学方面。这些方面包括信号传播所通过的各种物理介质，如双绞线或光纤。它们还规定了各种电压信令电平、调制方案、连接器设计以及其他底层的电气和光学方面。存在数十种以太网 PHY 实现方式，其中两种是 100BASE-TX（通过一对双绞线实现 100 Mbps 带宽，由 IEEE 802.3u-1995 标准规定）和 400GBASE-DR4（通过单模光纤实现 400 Gbps 带宽）。
数据链路层：在这一层，以太网标准处理数据帧在任何底层 PHY 实现上的传输。它们对 PHY 实现的多样性完全不敏感。这意味着一个具有双绞线 PHY 的节点和一个具有光纤 PHY 的节点可以进行通信，而无需了解彼此物理方面的任何细节。

这里的要点是存在多种 PHY 实现方式。汽车以太网只是另一套 PHY 实现方式。它与标准以太网的所有区别都在 PHY 层。上面的层完全忽略这些差异，使得现有的网络堆栈、操作系统和软件能够像处理其他以太网一样处理汽车以太网。

以下是汽车以太网与标准以太网的不同之处：

环境和用途差异很大：与办公室或家庭中的标准以太网相比，车辆是一个极其恶劣的环境，存在大量的电磁干扰（EMI）、温度变化、振动、灰尘和污垢。此外，办公室网络每隔几年就会定期进行全面检修，但车辆的设计使用寿命为 11 至 12 年，期间无需对其内部布线进行任何检修。
标准不同：汽车以太网有自己的标准，如 100BASE-T1、1000BASE-T1 和 10BASE-T1S。
减少线缆数量和长度以减轻重量和降低成本：汽车制造商一直在寻找减轻整体重量和提高能源效率的方法。汽车以太网使用专为较短距离设计的单对双绞线，而标准以太网使用 2 到 4 对双绞线。因此，汽车布线的重量只有标准以太网的四分之一到一半，这意味着内部布线的长度可以减轻几十磅（约十几千克）。
非屏蔽线缆：两根线缆组成非屏蔽双绞线，以进一步减轻重量并降低屏蔽成本。为了避免电磁干扰并确保电磁兼容性（EMC），汽车以太网使用差分信令。
全双工操作：汽车以太网双绞线以全双工模式运行（即它们可以同时发送和接收数据）。相比之下，对于大多数标准以太网变体（除了最新的如 10GBase-T），单个线对以单工（单向）模式工作。只有当我们考虑所有线对时，它们才实际上是全双工的。

与汽车以太网相关的标准和协议有哪些？

汽车以太网的一些关键标准包括：

IEEE 802.3bw 标准，用于 100BASE-T1 PHY（通过单对双绞线实现 100 Mbps 带宽）
IEEE 802.3bp 标准，用于 1000BASE-T1 PHY（通过单对双绞线实现 1 Gbps 带宽）
IEEE 802.3cg 标准，用于 10BASE-T1S PHY（通过单对双绞线实现 10 Mbps 带宽）
IEEE 802.3ch 标准，用于 2.5 Gbps、5 Gbps 和 10 Gbps 的汽车以太网 PHY
IEEE 802.3cy 标准，用于 25 Gbps PHY
由汽车行业和技术供应商组成的联盟 —— 单对以太网联盟公司（简称 OPEN Alliance）发布的关于汽车以太网各个方面的详细规范
IEEE 802.1Qav 标准，用于在时间敏感流中进行转发和排队的服务质量标准
IEEE 802.1AS 标准，用于定时和同步

汽车以太网与其他车载网络有何不同？

在本节中，我们将了解汽车以太网与其他车载网络技术（如 CAN、CAN 灵活数据速率（CAN FD）、CAN 扩展数据字段长度（CAN XL）、汽车 SerDes、FlexRay 和本地互连网络（LIN））之间的一些关键区别。

汽车以太网与 CAN / CAN FD / CAN XL 的比较网络拓扑：CAN 采用总线拓扑结构。在一个子系统中，每个节点通过两根线连接到其双线 CAN 总线上。一辆汽车有多个 CAN 总线来处理不同的子系统，例如动力总成 CAN 总线。相比之下，汽车以太网采用星形拓扑结构，通过以太网交换机连接各个节点，但任意一对节点都可以像点对点连接一样有效地进行通信。不过，10BASE-T1S 同时提供了一种类似于 CAN 的多点总线模式和一种点对点模式。带宽：CAN 的带宽限制在大约 1 Mbps 左右。然而，CAN FD 和较新的 CAN XL 可以达到 2 到 10 Mbps 的带宽。汽车以太网的 10BASE-T1S 也能提供 10 Mbps 的带宽。冲突解决：由于 CAN 使用共享总线，当两个节点决定同时发送数据时，它需要某种方式来解决冲突。汽车以太网通常不需要冲突解决，因为它实际上是点对点的连接。不过，10BASE-T1S 总线模式实现了物理层的冲突避免。
汽车以太网与 SerDes 的比较
汽车 SerDes 是由汽车串行器 / 解串器联盟提出的一项最新标准，它是汽车以太网在市场份额竞争中的对手。它们的区别包括：非对称与对称通信：汽车以太网是对称的，下行链路和上行链路都可以以相同的数据速率运行。但在车辆中，这是一种资源浪费，因为从摄像头或传感器到电子控制单元（ECU）的下行链路吞吐量非常高，而上行链路则低得多，只是定期发送一些控制命令。SerDes 认识到了这一点，并针对非对称操作优化了其设计。带宽：与其他网络技术不同，汽车 SerDes 已经能够实现 16 到 64 Gbps 的带宽，而汽车以太网目前的带宽为 10 Gbps。汽车 SerDes 是高分辨率车载显示器（如信息娱乐系统或倒车摄像头）的常用连接方式。
汽车以太网与 FlexRay 的比较
FlexRay 曾是一些高端车辆中流行的技术，但现在大多数制造商都支持 SerDes。汽车以太网的 10Base-T1S 在带宽和容错能力方面与 FlexRay 相当。
汽车以太网与 LIN 的比较
由国际标准化组织（ISO）通过其 ISO 17987 标准规定的 LIN，仍然是用于车门和灯光控制等二级系统的一种简单且流行的技术。它的运行速度为每秒几千比特。由于其简单性和成本效益，LIN 不太可能在短期内被取代。

与其他车载协议相比，汽车以太网的优势是什么？

与大多数其他协议（SerDes 除外）相比，汽车以太网的优势包括：

带宽可根据各种应用进行扩展。
与现有的网络堆栈和软件兼容。
由于其设计，不存在节点冲突的可能性。
由于其中心辐射状的拓扑结构，具有无限的可扩展性。

汽车以太网的缺点是什么？

目前的一些缺点包括：

与较旧的技术相比，由于它是新技术，需要制造商进行更多的验证。
由于需要交换机，与 CAN 相比成本更高，重量也更重。

如何保护汽车以太网免受网络威胁？

联网车辆的开放接口使其成为网络攻击的主要目标，这些攻击甚至可能是致命的。提高汽车以太网网络安全的策略包括：

创建隔离区域：创建虚拟局域网，将关键任务子系统与其他子系统隔离开来，以防止窥探并避免侵犯隐私。
部署安全或网关 ECU：此类设备专门用于实现车载网络安全，并监控关键功能，防止任何破坏行为。
实施访问控制：采用经过验证的办公策略，如使用防火墙和访问控制列表来保护车辆子系统。
设置入侵检测：使用与办公网络相同的入侵检测技术。
缓解拒绝服务（DoS）攻击：监控车载网络流量和带宽使用情况，尽早识别 DoS 攻击，并通过限制或丢弃可疑连接来缓解攻击。

是德科技（Keysight）的 BreakingPoint 软件可以模拟现实的网络安全威胁和规避技术，帮助加固联网车辆的网关 ECU。

汽车以太网的未来趋势是什么？

汽车行业中与以太网发展相关的趋势包括：

区域架构：从基于域（子系统）的网络拓扑结构向区域架构转变，在区域架构中，每个区域汇总其周围不同子系统的信息。
标准融合：随着 OPEN Alliance 和汽车 SerDes 联盟都朝着 100 Gbps 带宽发展，它们相互竞争的 PHY 规范可能会趋于融合。
软件定义车辆：车辆的每一个功能，从基本的驾驶功能到非必要的信息娱乐功能，都可以通过网络进行配置和激活。

依靠是德科技进行汽车以太网验证

在本文中，我们解释了汽车以太网是如何为现代车辆中的高带宽应用提供便利的，以至于行业开始思考软件定义车辆的概念。

无论你是汽车制造商还是网络设备提供商，是德科技都为你的汽车以太网测试提供全面的硬件和软件解决方案，包括：

测试软件，如用于自动化网络协议验证的 IxANVL、用于虚拟网络基础设施和设备的二层到三层测试的 IxNetwork VE，以及用于对多重播放服务、应用交付平台和网络安全设备进行四层到七层性能测试的 IxLoad。
用于汽车网络安全测试的 BreakingPoint 测试软件。
标准合规性测试，包括根据 OPEN Alliance 规范进行的发射器和接收器测试、针对 IEEE 802.3bw 和 802.3bp 合规性的协议触发和解码，以及针对 OPEN Alliance 规范的信道测试。