車載以太網：解決復雜線束并支持更多的數據

如果你曾經有機會觀察過汽車線束中亂七八糟的東西，你就會知道這些東西可能非常龐大；數百根電線都用扎帶捆綁在一起，希望你永遠不必剪斷這些電線，以免劃傷內部敏感的屏蔽層。

這些捆綁包占用了汽車底盤內的寶貴空間，增加了不必要的重量并產生更多潛在的故障點。但是，由于采用企業標準網絡協議開發的一些新型高帶寬布線，可以用一根細長的線取代這一團線纜，提供比所有其他線加起來還要多的帶寬。

這是車載以太網承諾的一部分，但它好處遠不止于此。

以太網和軟件定義汽車時代

軟件定義車輛 (SDV) 時代即將來臨。隨著更多代碼運行更多汽車的更多部件，從根本上改變汽車的行為方式甚至使用從云端下載的代碼進行駕駛的可能性越來越大。

但是，汽車中運行的軟件越多也意味著數據越多。很多很多的數據。所有這些幫助現代汽車了解周圍世界的高清傳感器每秒都會產生大量信息。所有這些數據都必須通過汽車以無窮無盡的數據流形式傳輸，這些數據流很快會匯成河流。

如果這還不夠，你還可以使用可啟動 64 個頻道的現代信息娛樂系統。杜比全景聲 (Dolby Atmos) 音頻或高清視頻流傳輸到多個后座信息娛樂顯示屏。

換句話說，你的下一輛車的外表下發生了很多事情，所有這些都需要更多的帶寬。以太網就是解決方案。

什么是以太網？

如果你熟悉以太網一詞，可能知道它是一種用于將互聯網提供商的調制解調器連接到無線路由器的電纜（最常見的是 Cat 6 以太網電纜）。或者，如果你是一名認真的游戲玩家，你可以使用它來將 PC 或控制臺直接連接到網絡，以獲得最低的延遲。

這是很常見的事情，但這并不完全是我們談論的車載以太網。從形式上來說，以太網實際上根本不是單一類型的電纜；它是一種電纜。它是一種網絡標準，定義了多個設備安全可靠地交互的方式。

順便說一句，以太網是大寫的，因為它指的是施樂在 1970 年代注冊的一項技術。施樂發布了該商標，以便該技術最終成為跨行業標準，但它仍然是一個專有名稱。

我們通常稱之為“以太網電纜”的東西。家里的電纜內部包含多對較小的電纜，絞合在一起，這就是它們通常被稱為“雙絞線”的原因。它們的每一端通常都有一個 RJ45 連接器，看起來像一個超大的電話插孔。這種電纜的正式名稱是 100BASE-T 或 1000BASE-T，指的是每秒 100 兆位或 1,000 兆位（千兆位）的數據傳輸速度。如果使用的是千兆位以太網，則應該提供足夠的帶寬，可以在大約四分鐘內傳輸一部 4K 電影。

當涉及到現代車載數據時，即使這樣也太慢了。更快的速度需要一種完全不同的電纜。“我們談論的是一種叫做T1的技術，”Amir Bar-Niv說。他是Marvell半導體公司的營銷副總裁，Marvell是一家總部位于加州的主要國際半導體和網絡設備供應商。“我們所做的一切，100兆、千兆位、多兆和25 gig,  ，都是為T1設計的。”

當Bar-Niv說“25gig,  ”時，他指的是25G，足以在8秒內傳輸同樣的4K電影，并且有足夠的帶寬用于制作你想要的所有故事片。

這里的電纜類型不僅針對速度進行了優化，而且適用于汽車使用。它比你桌子后面雜亂的電纜更細更輕，也更便宜——一對電線纏繞成一根電纜，甚至是一根光纖線，使用一種名為T1的新型標準連接器，提供下一代SDV應用所需的所有帶寬

事情并不總是這樣的。事實上，車載以太網可以追溯到15年前。Ian richards說:“2008年，寶馬在F01 7系車型上首次引入了這一技術。他是TechInsights汽車業務副總裁，這是一家專注于半導體分析的國際公司。“它最初用于診斷端口，也用于信息娛樂系統上的20mbps前座/后座鏈接。”第一個應用程序使用100BASE-T電纜，就像你在家里使用的那樣。

當然，這些不斷發展的電纜標準是系統的關鍵部分，但要真正建立一個網絡，你需要一個地方來插入它們。在一端，你有傳感器和系統產生數據并完成工作。另一端是汽車上處理數據的各種處理器。保持一切朝著正確的方向發展需要一系列的網絡交換設備，即交換機和路由器。

將這些交換機最佳地放置在汽車內，可以最大限度地減少所需的布線數量，同時仍然使汽車中的所有設備能夠相互通信。這種配置，通常被稱為網絡架構或拓撲，是事情開始變得有趣的地方。

退出域控制

傳統上，隨著汽車在其生命周期中獲得功能和選項，統稱為線束的電線束就會不斷增長，隨著每一項新功能的出現，會產生更多的線束。

巴爾-尼夫說，這是舊的事物連接方式的遺產，他稱之為域架構。

將汽車的每個系統（例如照明或信息娛樂系統）視為一個單獨的域。每個域都直接由一個或多個（可能是數十個獨立的微處理單元）控制，所有這些單元都分散在汽車中。

如果汽車在中期更新中采用了一些新功能，例如加熱清洗器噴嘴或盲點監控系統，則將在捆綁中添加更多電線來控制該功能。

“在域之間幾乎根本不共享的汽車中，每個域都需要將所有電纜都繞在汽車周圍，”巴爾-尼夫說道。 “結果是，你知道，大量的電纜，高成本，電纜高速公路。”

通過以太網，他說，汽車可以轉變為互連區域的集合，每個區域都包含傳感器或設備，他將其稱為代理：“每個區域現在都需要有它自己的以太網交換機連接到該區域中該域的所有代理，然后通過一條細細的以太網電纜聚合所有流量，該電纜真正構建了汽車的主干。”

這樣，多個車載系統都通過同一網絡進行通信。通過共享，汽車的設計可以從根本上簡化。中央處理器不是散布在各處的數十個定制小芯片，而是更少、更強大的中央處理器處理整輛車的所有數字繁重工作。

除了簡化之外，這還為汽車行為的演變打開了大門，而這正是SDV的標志。Bar-Niv以汽車攝像頭為例:“如今的攝像頭使用點對點連接，”他說，將數據直接從成像傳感器傳輸到使用它的系統。

正因為如此，后視攝像頭只能作為后視攝像頭使用，因為車內的其他系統無法訪問它。

例如，不能在信息娛樂系統和 ADAS 之間共享攝像頭，”巴爾-尼夫說道。

但是，一旦所有這些攝像頭都通過以太網進行通信（全部位于同一網絡上），就可以編寫軟件以有趣的新方式使用這些攝像頭，例如將后視攝像頭變成通過互聯網傳輸鏡頭的行車記錄儀。然后可以通過無線 (OTA) 更新下載此功能。

這種靈活性是 SDV 的核心，根據 Bar-Niv 的說法，最近對汽車制造商進行的一項調查顯示，預計到 2026 年，80% 的新車將轉向這種架構，成為一個價值 56 億美元的產業。

換句話說：這不僅僅是高端豪華車的趨勢。

而且，隨著這種趨勢的持續，對更多帶寬的需求也將同樣增加。 “100 兆比特對于域基礎設施來說已經足夠了。現在，低于 2.5 GB 的設備是不可接受的。”巴爾-尼夫說道。

汽車級可靠性

這里的許多核心技術都基于常見的企業網絡硬件——與銀行或企業使用的東西相同。然而，將其引入汽車應用需要更高的可靠性。如果銀行的某個網絡硬件出現故障，該銀行可能會蒙受損失，直到它被修復為止。這不太好，但是當汽車的主動安全系統通過網絡運行時，在最壞的情況下，任何故障都可能導致人員傷亡。

防止此類故障的一個關鍵部分是提高汽車中安裝的組件的最終質量。 “我們用 DPPM 來衡量可靠性，”巴爾-尼夫說，它代表百萬分之一的缺陷零件。 Bar-Niv 表示，對于消費類網絡設備，DPPM“在幾百到 1,000 的范圍內”。

在汽車領域，目標是少于 1 個 DPPM，即生產的百萬分之一有缺陷的零件。

但即使這些零件是按照更高的標準制造的，故障仍然可能發生。這就是冗余的用武之地，比如使用所謂的雙核鎖步處理器的網絡交換機。在這里，每個計算都由兩個處理器處理。對每個輸出的輸出進行比較，如果存在差異，算法可以根據功能處理器的輸出確保整個系統繼續運行。

提高汽車的安全性

如果汽車中的每個組件（從遠光燈到平視顯示器）都在同一網絡上進行通信，聽起來有點安全風險。沒錯。以前，如果黑客訪問了汽車上的給定系統（我們上面討論的域之一），那么黑客就不太可能接管汽車系統的其他方面。由于這些低效的布線量，每個系統域實際上都在單獨的、斷開連接的網絡上運行。

在經過優化以使用車載以太網的汽車中，所有內容都合并到一個網絡上，通過單個受損組件進行系統范圍訪問的可能性更大。值得慶幸的是，保護也更大。

“我們需要防止的是所謂的中間人攻擊，”巴爾-尼夫說道。

這是指一種攻擊，黑客有效地假裝是汽車內的授權系統，與其他系統連接并使用它們來訪問車內的數據。

阻止此類攻擊的一種方法是使用硬件安全模塊 (HSM)。它們在車內生成數字密鑰，對車內傳遞的所有數據進行加密和數字簽名。這種技術通常僅用于高端企業數字網絡，它在汽車中的存在確保了類似程度的移動安全性。

成本與效益

在精美的布線、交換機和 HSM 之間，更不用說運行這一切的所有軟件，在以太網上運行汽車而不是以前的更基本但冗余的域模型，聽起來可能是一個昂貴的提議。

“是和否，” TechInsight 的 Riches 說道。 “是的，以太網比車輛中速度較慢的現有 CAN 鏈路成本更高。然而，它是實現按需功能以及自動駕駛所需的高速通信所需的新型車輛架構的基本構建模塊。”

換句話說，沒有辦法解決這個問題。 Riches 表示以太網是“城里唯一的游戲”如果你想做需要大量數據的事情。但是，與其他傳感器（例如安裝在新的 Lotus Eletre 上的 3D 激光掃描儀）的成本相比，連接它們的網絡硬件的成本將微不足道。

事實上，在某些情況下，從域切換到區域架構，并在此過程中刪除所有冗余組件，實際上可以節省資金。 “還有一種長期觀點認為，隨著計算性能的集中化，通過刪除當今許多現有的離散 ECU 可以實現車輛級別的節省，”里奇斯說道。

根據許多 OEM 的一級供應商博世 的說法，改用這種架構可以使這些車載網絡的成本降低 10%。據博世稱，未來汽車所需的車載組件（例如微處理器）也將減少 20%，而此類組件的持續短缺仍然困擾著整個行業。

因此，轉向車載以太網可能意味著汽車不僅會更智能、更便宜、更輕，而且未來也不會那么難找。