車載以太網（一）

以太網發展概述

1969年的最早期互聯網隻能以每秒50千比特的速度傳輸數據。随着新技術的不斷發展，目前互聯網已經全面進入千兆比特時代。新技術不僅提高了互聯網的數據傳輸速度，并且擴大了其影響範圍。即使與當今互聯網的龐大規模相比，物聯網（Internet of Things-IoT）也将在一個難以想象的規模上将所有設備進行互聯。現代汽車中越來越多的安全性、舒适性以及迅速發展的自動駕駛功能，将促使全球汽車中數十億計的電子控制單元通過互聯網連接在一起。許多人或許還沒有意識到現代汽車已經被深度網絡化了，這至少體現在以下幾個方面：1. 汽車内部的網絡化。通過網絡化實現整車系統控制，駕駛員信息顯示、以及保證車輛的安全性和舒适性。2. 汽車之間的網絡化，比如避免車輛之間發生碰撞。3. 汽車和道路基礎設施之間的網絡化，這可以進一步提高安全性和交通效率。4. 汽車和互聯網之間的網絡化，這将使駕駛員可以實時獲取當前交通狀況等信息。在目前階段，汽車網絡化還主要集中在汽車内部的網絡化，并且使用在汽車工業以外很難看到的相對較為低端的網絡技術。但随着汽車的工作方式變得日益智能化和越來越複雜，汽車網絡化技術的升級已經迫在眉睫。但能夠在汽車上使用的網絡技術不僅僅需要更快、更便宜并且有能力連接所有節點，同樣需要這種網絡技術能夠标準化并且得到廣泛的接受。以太網是互聯網中使用最多和最廣泛的網絡技術，自從1973年5月22日作為個人計算機的局域網技術被發明以來，以太網技術快速發展并且作為IEEE 802下的一個開放标準集合。以太網技術以Wi-Fi的形式從有線網絡發展到無線網絡（也稱為無線以太網），無線以太網在未來也将作為汽車外部網絡連接的關鍵技術。當前全球每年有超過10億的有線或無線以太網端口出貨量，以太網在汽車工業的應用将極大地增長這一數字。

車載以太網的優勢和機會

在汽車工業引入一種新的網絡技術或者對現有的汽車網絡技術進行大量的修改是代價非常高昂的、并且充滿風險和困難。汽車涉及人員的生命安全并且需要在售出之後運行10年以上，這意味着任何新技術所需要的大量硬件和軟件更改必須進行廣泛的測試和驗證，這些工作費用高且非常耗時。因此任何新技術想要引入汽車工業并取得成功，必須提供遠遠抵消這些風險和成本的優勢，這也是汽車工業引入新技術相對較慢的重要原因。當今，我們已經見證越來越多的革命性功能引入汽車中，例如自适應巡航、車道保持、自動泊車甚至已經上路的自動駕駛汽車。車載以太網能夠為目前的功能提供足夠的帶寬，并且具有在未來實現更好性能的潛力。車載以太網将作為高速、多方通信甚至使以往隻能在科幻小說中出現的汽車功能成為可能。汽車工業從現在開始的以太網技術革命，将比1990開始的控制器局域網（CAN）産生更大和更深遠的影響。

2013年的寶馬X5首次使用了車載以太網，這距離以太網技術的發明時間（1973年）足足間隔了40年。為何間隔了這麼多年以太網才成為汽車網絡互聯的一項具有吸引力的網絡技術？讓我們先追溯到30多年以前，那時汽車内部網絡的開發和實施與以太網主導的住宅、商業和數據中心，甚至其它工業環境中使用的網絡是完全獨立的。産生這種現象的主要原因是車載網絡和車載電子産品的需求與其它行業有非常大的區别。然而在過去的幾年中，由于電子工業和汽車工業的巨大發展和變革，人們對消費電子和汽車電子的需求重合度日益增加。例如，移動設備的普及導緻小尺寸、長電池續航和經濟性成為核心産品 特質，這促使移動設備生産商向更小尺寸、更高能量效率和低成本方向進行技術創新，而這些需求對于汽車電子産品同樣非常重要。與此形成鮮明對比的是，車載網絡相比以太網來說隻能提供非常有限的帶寬，但随着諸如高級駕駛輔助（ADAS）等新功能的引入，對于車載網絡帶寬的需求在近幾年爆發式增長，并絲毫沒有減慢的趨勢，這導緻傳統的車載網絡技術，比如CAN已經不能滿足帶寬需求。基于以上原因，我們正在見證汽車電子和車載網絡、消費電子與消費電子産品網絡的融合。而車載網絡轉向以太網技術是這種融合的典型例子。由于汽車電子産品在整車中的成本比重快速增長，之前非汽車工業的半導體芯片公司，比如生産以太網芯片的博通（Broadcom）公司，将因為進入汽車行業獲得非常巨大的機會。2014年，全球每年大概有4億個有線以太網端口的出貨量，而每年新生産汽車中CAN節點的數量保守估計也達到12億個，是以太網端口數量的3倍！

以太網作為局域網的标準技術已經存在了幾十年，大量的傳輸方法和協議已經開發和實施完成。TCP/IP是實現互聯網通信應用的協議集合，從一開始TCP/IP就用來實現諸如電子郵件、萬維網、文件傳輸以及即時通訊等核心通信功能。音頻視頻橋接（Audio Video Bridging）是另一個用于以太網技術的通信标準集合，它主要應用于高性能的信息娛樂系統，用于傳輸對實時性要求比較高的音頻和視頻信息流。除了TCP/IP、AVB等通訊協議集合為以太網所提供的成千上萬的應用之外，還有很多協議是為了實現支持功能的，比如地址解析、網絡追蹤、時鐘同步等等。所有這些協議在IEEE和IETF（Internet Engineering Task Force）的标準中都有定義。設計所有這些協議、應用和工具的目的是為了在不考慮底層實施的情況下運行任何類型的以太網，因此這些協議、應用和工具在車載以太網中也是可以使用的。除此之外，以太網不僅為汽車公司提供了多種多樣的協議和應用，而且确保這些汽車公司可以獲取大量的人力資本，并且使傳統技術公司和汽車技術公司能夠進行協同工作，這在以前幾乎是不可能的。汽車上的電子控制器單元(ECU)之間的通信在不久的未來将不再使用汽車工業獨有的技術，而轉向使用幾乎每個其它工業都使用的相同技術。這必将使得汽車工業與其他工業之間的合作更容易，并且使汽車可以實現以往隻能猜想或者夢想的先進功能。在不久的将來，我們将可以擁有具備高級音頻和視頻流功能的汽車；可以和收費站直接通信的汽車；可以智能充電的汽車；甚至是自動駕駛汽車。這種汽車工業和非汽車工業之間互相融合的趨勢正在由像博通這樣的半導體供應商引領。之前博通公司的絕大部分營業收入來自于非汽車行業，但目前正成為汽車市場的重要巨頭。

在過去的20年中，作為在汽車網絡中占有統治地位的CAN網絡由于其最大1Mbit/S的帶寬使汽車電子工程師面臨巨大挑戰。随着汽車中ECU計算能力的不斷增長，ECU之間網絡連接所需要的帶寬也相應的增長。如前所述，要在汽車中使用一種新的網絡技術是一個非常具有挑戰性的工作任務，比如之前FlexRay的應用。使用車載以太網同樣需要巨大的努力，但它們之間存在着本質區别：汽車中一旦使用了以太網技術，不僅僅是給汽車提供了一項經過數十年實際應用驗證過的成熟網絡技術，更為關鍵的是，以太網技術是可以确保應對汽車行業在未來所面對的諸多挑戰的技術。以太網在過去的幾十年中能夠如此成功的一個最主要原因就在于它有能力不斷地進化、改變并能夠滿足不斷增長的帶寬需求，與此同時又滿足了對舊設備的向後兼容性。

以太網是使用OSI 7層網絡參考模型的主要受益者。通過這種分層的模塊化網絡設計，以太網允許對網絡底層的實施細節（OSI的第1層：物理層）進行大量更改，從而可以在使用新的通信線纜類型和更快的通信速度的同時，使其它所有的OSI模型高層協議和軟件不做更改。這意味着諸如AVB、TCP/IP和其它運行在以太網上的協議功能即使在網絡吞吐量增長10倍時也可以保持不變。使用以太網技術之後，在改變網絡底層實施技術的時候不再需要使用全新的網絡協議集合，但從CAN轉向FlexRay時必須要這樣做。1973年最初發明的以太網技術是在施樂（Xerox）的Palo Alto研發中心，那時的以太網與今天在住宅或辦公場所中使用的LAN（Local Area Network）沒有絲毫的相似之處，與在服務器機房和數據倉庫的高速以太網更是大相徑庭，但它們仍然都是以太網，因為細節雖然在變化，但是在基本工作原理上很大程度上是相同的。當以太網技術應用到汽車上時，情況也是如此。博通公司的BroadR-Reach技術可以使用單對非屏蔽雙絞線提供100Mb/s的網絡帶寬，這種通信方式從來沒有被以往的任何類型以太網使用過，但它仍然在OSI參考模型的高層上與其它以太網無縫集成并工作方式一緻。BroadR-Reach技術已經應用在量産汽車上，并且在2014年通過了IEEE 802标準化過程（1TPCE工作組-One Twisted Pair 100Mb/s Ethernet）。與此同時，同樣是使用BroadR-Reach技術的更快速度的以太網（Reduced Twisted PairGigabit Ehternet-RTPGE）預計可以為未來的應用提供高達1Gb/s的帶寬，并且具備完全的軟件兼容能力。在未來幾年，車載以太網的帶寬将達到1Gb/s，未來的汽車将成為可以搭載目前的車載網絡不可能實現的功能。

将現代以太網技術引入汽車中所帶來的優勢很多是來自于以太網卓越的技術特性。一、全雙工（Full-Duplex）的運行方式。全雙工運行意味着兩個互聯聯結的設備可以同時發送和接收數據，相比于傳統的共享式網絡有3個優勢。首先，全雙工意味着兩個設備可以同時發送和接收設備，而不需要輪流發送和接收數據。其次，全雙工意味着更大的帶寬總和。以100Mb/s的BroadR-Reach為例，考慮到兩個方向上同時發送和接收數據，理論上的最大帶寬總和為200Mb/s。最後，全雙工運行為不同設備之間的同步通信奠定了技術基礎，比如實現諸如AVB這樣的高級功能。二、包交換技術。包（packet）交換技術将通信數據拆分為稱作包的message，在以太網中，使用frame更普遍。這些message可以分段發送到不同的網絡上，允許同時發生多個數據交互。現代交換機可以處理來自多個發送方的frame，将每個frame轉到正确的接收方，這不僅僅實現了多方數據交換，而且是多方的同時數據交換。為了對以上進行解釋說明，讓我們考慮圖1所示的簡單的BroadR-Reach交換機網絡。

Head Unit和 Speaker之間的message可以在每個方向上進行100Mb/s的數據傳輸，Display和Console之間也是如此，而且它們之間的數據傳輸可以同時進行，因此總共的理論帶寬最大可以達到400Mb/s。三、基于地址的Message。每個以太網message都有一個源地址和目标地址。交換機通過目标地址将message路由到它們的接收方；源地址可以被接收方讀取并用于任何必要的回應。交換機對于message的處理功能可以與汽車中的網關（gateway）進行比較，但它們之間存在一個很大的區别。網關的message處理功能是由電子控制單元中的軟件實現的，因此在網絡拓撲改變時電子控制器單元 的軟件也必須改變。然而對于以太網交換機而言，它們可以連接在一起将message自動傳輸到接收方，而不需要考慮網絡配置的更改。這使得當增加以太網設備而需要增加交換機時變得很容易，也允許創建任意規模的網絡。交換機的這種靈活而強大的組網能力是許多汽車整車廠将以太網作為汽車主幹網的主要原因。圖2展示了這種交換機組網機制。

以太網技術的一個重要特點是在物理層實施時需要進行電氣隔離，這在IEEE802.3标準有描述，并且是基于IEC 60950-1:2001-Information Technology Equipment-safety标準中的規定。這種電氣隔離需求根據具體的以太網速度和電纜接口有所不同，但對于像Gigabit以太網這種新型的以太網技術，以太網控制器和以太網線纜至少通過以下三種電氣隔離測試：1.1500Vrsm at 50Hz to 69Hz 持續60秒。2. 220Vdc持續60秒。3. 以不少于1秒鐘的間隔實施10個2400V的變換極性的脈沖序列。這種電氣隔離要求使以太網在極端惡劣的電氣環境中具有很好的恢複能力，也是以太網能夠在長距離、高速傳輸網絡技術中非常受歡迎的一個原因。博通公司的BroadR-Reach技術有其自己的電氣隔離需求，并且在汽車電子協會的AEC-Q100進行了規定。圖3表示了博通公司BroadR-Reach通過單對雙絞線實現的100Mb/s的以太網技術。

另外一個汽車以太網能夠在降低重量的同時提高性能的領域是車載攝像頭網絡系統。近年來汽車中攝像頭的數量迅速增加，在大多數的攝像頭網絡系統中，攝像頭通過使用以下3種技術連接：1. 模拟量的NTCS(National Television System Committee)信号；2. 模拟量的PAL(Phase Alternating Line):3. 數字量的LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）。所有這些傳統攝像頭網絡系統都需要相對厚重的線纜，并且需要使用屏蔽層用來保護傳輸的信号不受到EMI幹擾，這些都導緻成本增加和維修困難。與此相反，博通公司的BroadR-Reach技術使用非常細的單對非屏蔽雙絞銅線，與諸如LVDS這類傳統技術相比，能夠降低80%的成本和30%的重量。随着汽車工業逐步轉向使用以太網技術，更多的競争和産品的多樣性将使成本在未來有進一步的下降。

無線功能也是車載以太網技術的一個優勢。雖然WIFI在IEEE802.11中定義，但正如前面所述，以太網 OSI模型中的高層協議技術與特定的網絡底層實施方案無關，這點對于以太網和WIFI同樣适用。這意味以太網引入汽車後也為更穩定和更快速的無線通信鋪平了道路。與以太網技術一樣，WIFI技術也不斷的在增強和進化，以滿足不斷變化的網絡世界的需求。正如博通公司的BroadR-Reach技術，WIFI針對汽車應用也推出了稱為WAVE(Wireless Access in Vehicular Environments)的技術，并且在2010年發布的IEEE802.11P中進行了定義，并随後集成到IEEE 802.11-2012标準中。這為V2V(vehicle to vehicle)和V2I(Vehicle to Infrastructure)開拓了一種新的可能性，并且為ITS智能交通系統(Intelligent Transportation System)提供了強有力的網絡技術，使得交通擁堵控制，緊急情況預警以及碰撞預警領域技術得到提高。