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车载以太网会是传统总线的末路吗?


今天我们不聊高深的技术问题,只带大家看看车载以太网是怎么走到今天的。


2013年宝马X5的正式量产标志着以太网正式进入到车载领域,粗略计算已有7年的时间,它究竟有什么魔力让我们一个又一个的汽车人前赴后继呢?我们慢慢从头说起,先来了解下以太网的发展历程。


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宝马X5搭载的车载以太网(图片来源于网络)


以太网发展历程


以太网(Ethernet)是现实世界中最普遍的一种计算机网络,最早是由美国的Xerox公司和Stanford大学合作研制出来的。


1980年,DEX、Intel和Xerox 3个公司合作制定了有关以太网的工业标准,提出了Ethernet规范V1.0,即蓝皮书《以太网:数据链路层和物理层规范1.0版》。1982年修改为第二版规范,即DIX Ethernet V2,成为世界上第一个局域网产品的规范。


1983年,IEEE802委员会以DIX Ethernet V2为基础,推出了IEEE802.3(后面不带任何数字,就是第一个标准,定义了CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层)。


DIX Ethernet与IEEE802.3定义略有区别,但在不涉及网络协议的细节时,人们还是习惯将IEEE802.3局域网称为以太网。


IEEE802.3标准是以太网核心的内容,也是一个不断发展的协议体系。截止到现在IEEE802.3工作组总共定义了标准以太网、快速以太网、千兆以太网、万兆以太网、新型以太网五大以太网标准体系。这些标准最明显的区别就是速率不同。


  • IEEE802.3标准为采用不同传输介质的标准以太网制定对应标准,主要包括采用细同轴电缆的10BASE-2、采用粗同轴电缆的10BASE-5和采用双绞线的10BASE-T;

  • IEEE802.3u标准为采用不同传输介质的快速以太网制定相应规范,包括采用双绞线介质的100BASE-Tx和100BASE-T4,采用多模光纤介质的100BASE-Fx以及10/100M速率自协商功能;

  • IEEE802.3z和IEEE802.3ab标准定义了采用光纤为传输介质的1000BASE-SX/LX以及采用双绞线介质的1000BASE-T规范;

  • IEEE802.3ae标准定义了万兆以太网的特点:光纤传输、全双工模式,不再使用半双工和CSMA/CD介质访问控制技术,采用局域网和广域网两种物理模型,将以太网技术引入到广域网中;

  • IEEE802.3ba标准同时包含40Gbps与100Gbps两种速率接口。该标准解决了数据中心、运营商网络和其他流量密集的高性能计算环境,以及日益增长的应用对带宽的需求。

另外,除物理层和数据链路层的定义之外,IEEE802还进行了其他方面的标准化,如IEEE802.1制订以太网的通信系统实现的标准;IEEE802.2制订了逻辑链路层(LLC)。由于这些相关的标准适用于802相关的所有技术,因此可以说没有特定的“IEEE以太网”。


下面我们正式进入正题,聊一下我们最关心的车载以太网~


什么是车载以太网

车载以太网是用于连接汽车内各种电气设备的一种物理网络。车载以太网的设计是为了满足车载环境中的一些特殊需求。


例如:

  • 满足车载设备对于电气特性的要求(EMI/RF);

  • 满足车载设备对高带宽、低延迟以及音视频同步等应用的要求;

  • 满足车载系统对网络管理的需求等。


可以理解为:车载以太网是在民用的以太网协议基础上,改变了物理接口的电气特性,并结合车载网络需求定制了一些新标准。针对车载以太网标准,IEEE组织对IEEE 802.1和IEEE 802.3标准进行了相应的补充和修订。


当这些车载以太网新特性没有纳入IEEE之前,有一些商业组织负责和参与了前期的网络规格定义,如:OPEN Alliance和AVnu Alliance,关于这些组织的介绍可以看看我们之前的文章《汽车以太网标准化组织介绍》


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各主流OEM以太网应用情况(图片来源于网络)


宝马作为车载以太网推进的急先锋,从2008年~2013年就陆续开始了车载以太网技术的局部网络应用,如基于DoIP协议的OBD诊断、使用IP协议的摄像头等。


在宝马尝到车载以太网的甜头后,从2015年开始在其全系车型(7系、5系、3系和i系电动车)中部署车载以太网,不再是局部网络的应用,而是开始将娱乐、安全和通信子系统进行整合,构建车载以太网子系统。


2016年,车载以太网技术得到更多车厂的拥趸,捷豹、路虎和大众的帕萨特都在其某些车型集成了车载以太网技术。


国内造车势力也是有勇于“吃螃蟹"的,早在2015年奇瑞汽车就和博通签订了共同开发车载以太网应用的合作谅解备忘录;上汽荣威RX5是国内第一个将车载以太网应用到环视系统中的车型。在造车新势力中,车载以太网的应用也是非常迅速,如蔚来汽车、理想汽车、小鹏汽车等。


以下是我为大家梳理的车载以太网发展相关的重要时间节点,供大家参考:


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为什么以太网会进入到车载领域?


从行业的角度可以基于以下两方面考虑:

  • 过去的时光里,无论是受移动通讯革命驱动的电子行业还是受先进电子特性功能驱动的汽车行业都发生了重大变化,导致了人们对消费电子与汽车电子的需求有了更多的交集

  • 虽然车载网络以前的带宽需求较小,远远低于传统以太网提供的带宽,但由于ADAS、信息娱乐系统以及主动安全系统等新技术的应用和传统技术的增强,车内网络需求在近年来飞速增长且无放缓的迹象,超出了CAN或Flexray等传统车载网络的容量极限,使得人们在探求一种更快、更强的通信方式


你认为目前会有一种方式能比消费电子中应用广泛、传输速率又看起来没有上限的以太网更合适吗?但是以太网能进入车载领域最关键的还是博通在开发的车用以太网芯片和整体解决方案解决了以太网的两大痛点:

  • 通过BroadR-Reach技术成功解决了车规要求的EMC问题

  • 提出了单对非屏蔽双绞线方案,将传统线束重量减轻30%,降低了OEM的成本和线束的重量

车载以太网是传统总线的末路?


很多人可能都问过:目前传统的车载通信方式会不会被车载以太网取代,如CAN、LIN、MOST、FlexRay等。

怿星的看法是:未必会,因为我们在进行车载网络、通信设计的时候,考虑的不仅仅是谁更先进,而是谁更适合。以下我们就典型的传统网络进行简要分析:

  • CAN总线在我们现在车辆上应用最为广泛的标准, CAN总线技术是Bosch公司于20世纪80年代开发出来的,最大传输速率为1Mbps。

  • LIN总线是一种低成本的串行总线,是对CAN网络及其他车用网络的一种补充,最大传输速率为20Kbps,适用于对带宽、性能和容错功能没有过高要求的应用,如:车门、天窗、座椅控制等。

  • MOST主要支持多媒体流数据传输,MOST150标准的最大带宽为150 Mbps的,在车载多媒体数据传输应用较多。虽然MOST150支持基于IP的应用程序,但由于单一供应商的问题,基础开发成本较高。

  • FlexRay 的主要优势在于相比CAN 总线具有较高的带宽,可达10Mbps,可以满足汽车关键应用的要求,但是其成本却很高,主要适用于中高端车中的线控系统(如悬架控制、变速箱控制、制动器控制、转向控制等)。


可以看出,传统总线能满足部分子系统的要求,其优势在于实时性。但普遍存在的问题是带宽低、成本高。而随着ECU处理能力的提升,连接ECU的网络的带宽需求也相应增大,各传统总线势必无法全方位满足大多数现代汽车的需求。


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10BASE-T1S和CAN XL(图片来源于网络)


上图中我们可以看出车载通信速率以及通信方式的发展情况,尤其是在10Mbps通信速率,IEEE标准化了一个适用于汽车的10Mbps以太网版本(10BASE-T1S),发展千兆的1000BASE-T1的同时不忘10M的10BASE-T1S,IEEE的确有统一车载通信江湖的野心。但CiA(CAN inAutomation)联盟也不想轻易地被扫进历史课本,他们计划在今年的iCC(international CAN Conference,受疫情影响,会议时间已延迟至5月26日)正式发布支持10Mbps通信速率的CANXL。这两个标准在将来应用过程中必然会有一番龙争虎斗,后续的发展让我们拭目以待。


不得不提的是,车载以太网(如100BASE-T1)通过简化ECU之间的整体通信,的确有可能消除较旧或布置成本较高的协议,像MOST、FlexRay等。


行文至此,相信大家对车载以太网也有了一定的了解,不妨畅想下:在不远的未来,每辆汽车都可以配置一个公网IP地址。我们可以像升级手机APP一样通过OTA升级汽车的每一部分;GPS、5G、V2X、ADAS为用户的行驶保驾护航,甚至可以实现自动驾驶的真正商用化......那么,作为汽车人,我们应该如何推动这些技术的发展呢?欢迎大家关注“怿星科技”公众号一起交流吧~


参考:

[1] 李巍周轩羽(译)汽车以太网-原书第2版机械工业出版社 2019年2月

[2] 邓云佳等译网络百科全书科学出版社2003年7月