車載乙太網——兩個世界的深度擁抱 | 科普
雷鋒網按：本文作者老塗，汽車電子工程師，供職于國內某汽車技術中心，從事汽車智慧網聯技術研發。
汽車智慧化、網聯化，甚至自動駕駛大浪已經來臨；浪潮帶來的是ADAS技術的不斷革新、高品質車載娛樂影音的影音推進、以及OTA遠端升級、V2X、大資料、雲計算等一系列技術的發展；這推進了車載網路容量需求的爆發式發展，
車載乙太網不僅具備了適應ADAS、影音娛樂、汽車網聯化等所需要的頻寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力（如自動駕駛時代所需要的更大資料傳輸）。
↑ Etherent,FlexRay,MOST節點裝載數量預測
一、 傳統汽車匯流排技術
1、傳統車載網路
當前主流的車載網路主要由 CAN、LIN、FlexRay、MOST 、LVDS等構成。
表1 傳統車載網路對比
CAN主要用於車上控制資料傳輸，是現役車載網路應用最為廣泛的標準，
LIN 是一種低成本通用序列匯流排，在汽車領域主要用於車門、天窗、座椅控制等，最大傳送速率為 20 kb/s。
FlexRay 是繼 CAN 和 LIN 之後的新一代汽車控制匯流排技術，同樣屬於共用式匯流排技術，頻寬可達 10Mbps。FlexRay 的主要優勢在於相比CAN 匯流排具有較高的頻寬，可以滿足汽車關鍵應用的要求，但是同樣作為共用式匯流排技術，
MOST主要支援的多媒體流資料傳輸，MOST150標準的最大頻寬為150 Mb/s的，在車載多媒體資料傳輸應用較多，MOST150支援基於IP的應用程式，由於單一供應商的問題，基礎開發成本較高。
LVDS是一種電氣數位信號系統，通過銅纜雙絞線傳輸高速資料（最高可達 850 Mb/s，最長傳輸距離10 m），
2、深度擁抱的契機
如果說2013年寶馬在X5僅僅是拉開了乙太網進軍車載系統的帷幕（圖例），那麼可以毫不誇張的說時至今日乙太網與汽車將迎來了一次深度擁抱的契機，它們也將共同演繹一場“融合”大戲。
↑ 寶馬車載乙太網搭載
大家耳熟能詳的摩爾定律告訴我們微處理器上的電晶體數目每兩年就會增加一倍；這一定律似乎同樣適合汽車行業，隨著處理器運算能力和硬體的高速發展，使得許多創新在汽車環境下得到迅速推進，汽車電子產品在整車中所占比重也與日俱增，連接ECU的網路頻寬需求也相應的增大，這一需求將遠遠超出CAN或FlexRay等傳統車載網路的容量極限。此外，伴隨著車輛網聯化、智慧的推進，智慧手機與車載設備的聯動、雲和大資料的運用，以及高級駕駛輔助系統（ADAS）的普及，構築新電子網路匯流排平臺已經成為新一代汽車的必然任務，一直被汽車行業拒之門外的乙太網不會放過這次絕佳的契機。
↑ 未來智慧網聯汽車
二、 車載乙太網技術
1、車載乙太網相關優勢
低成本下的高頻寬
新的汽車功能，如自動泊車系統、車道偏離檢測系統、盲點檢測和高級資訊娛樂系統等引發了對新的資料匯流排需求。顯然未來我們需要的是更加開放、高速，且易於與其他電子系統或者設備集成的車載網路，同時有助於減少功耗，線束重量和部署成本。對於上述需求乙太網似乎能提供一攬子的解決方案，以博通公司採用的突破性 BroadR-Reach 技術為例，其可用單對的非遮罩雙絞線進行信號傳輸，並能夠提供 100Mbit/s 及更高的寬頻性能，並使電纜重量減輕 30%、降低連接成本可達80%。
↑ 2015年CES發佈的下一代BroadR-Reach 車載乙太網晶片
支援不同應用的多種協定和功能
傳統車載網路支援的通信協定較為單一，而車載乙太網可以同時支援AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多種協定或應用形式。其中，Ethernet AVB 是對傳統乙太網功能的擴展，通過增加精確時鐘同步、頻寬預留等協定增強傳統乙太網音視頻傳輸的即時性，是極具發展潛力的網路音視頻即時傳輸技術。SOME/IP(Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP)則規定了車載攝像頭應用的視頻通信介面要求，可應用於車載攝像頭領域，並通過API實現駕駛輔助攝像頭的模式控制。
作為AVB協定的擴展，車載時間敏感網路(TSN, Time-Sensitive Networking)則引入時間觸發式乙太網的相關技術，能高效的實現汽車控制類資訊的傳輸。此外，1Gbit 速率通信標準的車載乙太網同時還支援 POE(Power Over Ethernet)功能和高效節能乙太網(EEE, Energy-Efficient Ethernet)功能，POE 功能可在雙絞線傳輸資料的同時為連接的終端設備供電，省去了終端外接電源線，降低了供電的複雜度。
適應未來的能力
歷史經驗告訴我們，乙太網之所以長期以來如此成功，主要原因之一便是乙太網是一種可持續更新、發展的技術。在經歷了標準乙太網(10Mbps)、快速乙太網(100Mbps)和千兆乙太網(Gigabit Ethernet)推進和發展後，乙太網還在繼續著不斷的自我反覆運算升級。當然在支援頻寬持續增長的同時，它任然保持對原有系統的相容性。所以說：一旦乙太網技術推廣至汽車行業，它帶來的不僅僅是一種成熟的通信技術，更是一種對未來的適應能力。
無線功能
多年來，最能體現乙太網是如何適應新需求的、發掘新潛力的事例之一就是當前非常流行的無線網路wifi的引入。類似於Broadcom公司的BroadR-Reach，WiFi也有專供汽車使用的變體，“汽車環境無線存取”WAVE；2010年發佈的IEEE802.11p通信規範對WAVE進行了定義，後被寫入IEEE802.11-2012主標準中。車載乙太網的普及無疑將成為WAVE引入汽車最佳催化劑，而在智慧交通時代，WAVE也將為V2X提供新的想像空間。
↑ V2X通訊場景
2、車載乙太網發展趨勢
↑ 車載乙太網技術發展路線
乙太網作為一種新型車載網路的進入汽車網路，肯定是無法一蹴而就，在短期內是無法取代現有的車載網路，因此乙太網在進入汽車網路時考慮分階段、從子系統開始逐步深入，並最終統籌汽車網路的演進過程。現今可預期的車載乙太網的發展主要可分為三個階段：
第一階段（已經有實用案例），基於DoIP標準的車載診斷系統（OBD）和ECU軟體刷新。以ECU軟體刷新為例，和原有的CAN（1M/S）相比，刷新時間將縮短為原來的百分之一，該應用將大大提升診斷和刷新效率，節省時間、生產及服務成本。
第二階段車載乙太網在資訊娛樂系統和駕駛員輔助系統的使用，伴隨著BroadR-Reach技術的日益成熟和標準化的不斷推進，基於AVB，SOME/IP等技術將逐步推廣使用，車載乙太網將以單節點或多個節點的形式進行搭載，如使用高解析度的IP攝像頭的全景泊車等駕駛輔助系統，多屏互動的高清資訊娛樂系統等進入人們的視野。
↑ 基於車載乙太網技術的全景泊車
第三階段，前兩個階段專注於一個特定的應用領域，在經歷的前兩個階段的積累和磨練，第三階段將使用乙太網為車載網路骨幹，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個域級別的汽車網路。
3、挑戰
雖然不乏OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織在積極推動車載乙太網的發展，但是各類標準的完善和落地還需一些時日；雖然Broadcom、NXP、Marvell等半導體公司對車載乙太網保持著積極的研發投入，但是市場上其他各類配套開發、測試技術似乎才邁出“萬里長征第一步”。因此，現階段對於車載乙太網的推進而言相關開發工具、配套測試裝備的相對匱乏將成為最大的難題。此外，車載乙太網的引入，將給汽車帶來新的資料資訊安全風險，相關應對措施也值得開發人員的思考。
↑ 車載乙太網標準化組織
三、基於網域控制站的混合車載網路
如第二部分所述，汽車電子發展的趨勢似乎表明乙太網將取代CAN成為骨幹網，而子網將是由若干網域控制站(Domain Controller)組成的車載網路結構。如圖，該車載網路以高速乙太網作為骨幹，將5個核心網域控制站（動力總成、底盤控制、車身、娛樂、ADAS）連接在一起。各個網域控制站在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的閘道功能。這種基於網域控制站的架構改變傳統的車載網路中ECU到ECU的點到點通信方式，如：在車身控制域內部，各部件通過CAN、LIN溝通實現資料共用（類似于傳統車載網路架構），在娛樂子網中，娛樂網域控制站與其子部件的通信將通過乙太網實現；當一個域需要與其他域交換資訊時則經由閘道、乙太網路由實現。
↑ 面向網域控制站的混合車載網路架構
四、總結
當然，這並不意味著車載乙太網將策底顛覆傳統的車載網路。這些傳統車載網路不僅價格低廉、久經考驗而且性能穩定。乙太網不會完全取代所有車載網路，尤其是CAN、LIN，這兩種網路在許多方面還保持著對乙太網的優勢。汽車電子元件多元化也意味網路模式的多元化。乙太網的目標不是去顛覆原本沒有問題的地方，而是填補新形勢下的需求空白，讓我們一起期待這一時代的到來。
↑ 寶馬車載乙太網搭載
大家耳熟能詳的摩爾定律告訴我們微處理器上的電晶體數目每兩年就會增加一倍；這一定律似乎同樣適合汽車行業，隨著處理器運算能力和硬體的高速發展，使得許多創新在汽車環境下得到迅速推進，汽車電子產品在整車中所占比重也與日俱增，連接ECU的網路頻寬需求也相應的增大，這一需求將遠遠超出CAN或FlexRay等傳統車載網路的容量極限。此外，伴隨著車輛網聯化、智慧的推進，智慧手機與車載設備的聯動、雲和大資料的運用，以及高級駕駛輔助系統（ADAS）的普及，構築新電子網路匯流排平臺已經成為新一代汽車的必然任務，一直被汽車行業拒之門外的乙太網不會放過這次絕佳的契機。
↑ 未來智慧網聯汽車
二、 車載乙太網技術
1、車載乙太網相關優勢
低成本下的高頻寬
新的汽車功能，如自動泊車系統、車道偏離檢測系統、盲點檢測和高級資訊娛樂系統等引發了對新的資料匯流排需求。顯然未來我們需要的是更加開放、高速，且易於與其他電子系統或者設備集成的車載網路，同時有助於減少功耗，線束重量和部署成本。對於上述需求乙太網似乎能提供一攬子的解決方案，以博通公司採用的突破性 BroadR-Reach 技術為例，其可用單對的非遮罩雙絞線進行信號傳輸，並能夠提供 100Mbit/s 及更高的寬頻性能，並使電纜重量減輕 30%、降低連接成本可達80%。
↑ 2015年CES發佈的下一代BroadR-Reach 車載乙太網晶片
支援不同應用的多種協定和功能
傳統車載網路支援的通信協定較為單一，而車載乙太網可以同時支援AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多種協定或應用形式。其中，Ethernet AVB 是對傳統乙太網功能的擴展，通過增加精確時鐘同步、頻寬預留等協定增強傳統乙太網音視頻傳輸的即時性，是極具發展潛力的網路音視頻即時傳輸技術。SOME/IP(Scalable Service-Oriented MiddlewarE on IP)則規定了車載攝像頭應用的視頻通信介面要求，可應用於車載攝像頭領域，並通過API實現駕駛輔助攝像頭的模式控制。
作為AVB協定的擴展，車載時間敏感網路(TSN, Time-Sensitive Networking)則引入時間觸發式乙太網的相關技術，能高效的實現汽車控制類資訊的傳輸。此外，1Gbit 速率通信標準的車載乙太網同時還支援 POE(Power Over Ethernet)功能和高效節能乙太網(EEE, Energy-Efficient Ethernet)功能，POE 功能可在雙絞線傳輸資料的同時為連接的終端設備供電，省去了終端外接電源線，降低了供電的複雜度。
適應未來的能力
歷史經驗告訴我們，乙太網之所以長期以來如此成功，主要原因之一便是乙太網是一種可持續更新、發展的技術。在經歷了標準乙太網(10Mbps)、快速乙太網(100Mbps)和千兆乙太網(Gigabit Ethernet)推進和發展後，乙太網還在繼續著不斷的自我反覆運算升級。當然在支援頻寬持續增長的同時，它任然保持對原有系統的相容性。所以說：一旦乙太網技術推廣至汽車行業，它帶來的不僅僅是一種成熟的通信技術，更是一種對未來的適應能力。
無線功能
多年來，最能體現乙太網是如何適應新需求的、發掘新潛力的事例之一就是當前非常流行的無線網路wifi的引入。類似於Broadcom公司的BroadR-Reach，WiFi也有專供汽車使用的變體，“汽車環境無線存取”WAVE；2010年發佈的IEEE802.11p通信規範對WAVE進行了定義，後被寫入IEEE802.11-2012主標準中。車載乙太網的普及無疑將成為WAVE引入汽車最佳催化劑，而在智慧交通時代，WAVE也將為V2X提供新的想像空間。
↑ V2X通訊場景
2、車載乙太網發展趨勢
↑ 車載乙太網技術發展路線
乙太網作為一種新型車載網路的進入汽車網路，肯定是無法一蹴而就，在短期內是無法取代現有的車載網路，因此乙太網在進入汽車網路時考慮分階段、從子系統開始逐步深入，並最終統籌汽車網路的演進過程。現今可預期的車載乙太網的發展主要可分為三個階段：
第一階段（已經有實用案例），基於DoIP標準的車載診斷系統（OBD）和ECU軟體刷新。以ECU軟體刷新為例，和原有的CAN（1M/S）相比，刷新時間將縮短為原來的百分之一，該應用將大大提升診斷和刷新效率，節省時間、生產及服務成本。
第二階段車載乙太網在資訊娛樂系統和駕駛員輔助系統的使用，伴隨著BroadR-Reach技術的日益成熟和標準化的不斷推進，基於AVB，SOME/IP等技術將逐步推廣使用，車載乙太網將以單節點或多個節點的形式進行搭載，如使用高解析度的IP攝像頭的全景泊車等駕駛輔助系統，多屏互動的高清資訊娛樂系統等進入人們的視野。
↑ 基於車載乙太網技術的全景泊車
第三階段，前兩個階段專注於一個特定的應用領域，在經歷的前兩個階段的積累和磨練，第三階段將使用乙太網為車載網路骨幹，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛，真正形成一個域級別的汽車網路。
3、挑戰
雖然不乏OPEN ALLIANCE、IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織在積極推動車載乙太網的發展，但是各類標準的完善和落地還需一些時日；雖然Broadcom、NXP、Marvell等半導體公司對車載乙太網保持著積極的研發投入，但是市場上其他各類配套開發、測試技術似乎才邁出“萬里長征第一步”。因此，現階段對於車載乙太網的推進而言相關開發工具、配套測試裝備的相對匱乏將成為最大的難題。此外，車載乙太網的引入，將給汽車帶來新的資料資訊安全風險，相關應對措施也值得開發人員的思考。
↑ 車載乙太網標準化組織
三、基於網域控制站的混合車載網路
如第二部分所述，汽車電子發展的趨勢似乎表明乙太網將取代CAN成為骨幹網，而子網將是由若干網域控制站(Domain Controller)組成的車載網路結構。如圖，該車載網路以高速乙太網作為骨幹，將5個核心網域控制站（動力總成、底盤控制、車身、娛樂、ADAS）連接在一起。各個網域控制站在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的閘道功能。這種基於網域控制站的架構改變傳統的車載網路中ECU到ECU的點到點通信方式，如：在車身控制域內部，各部件通過CAN、LIN溝通實現資料共用（類似于傳統車載網路架構），在娛樂子網中，娛樂網域控制站與其子部件的通信將通過乙太網實現；當一個域需要與其他域交換資訊時則經由閘道、乙太網路由實現。
↑ 面向網域控制站的混合車載網路架構
四、總結
當然，這並不意味著車載乙太網將策底顛覆傳統的車載網路。這些傳統車載網路不僅價格低廉、久經考驗而且性能穩定。乙太網不會完全取代所有車載網路，尤其是CAN、LIN，這兩種網路在許多方面還保持著對乙太網的優勢。汽車電子元件多元化也意味網路模式的多元化。乙太網的目標不是去顛覆原本沒有問題的地方，而是填補新形勢下的需求空白，讓我們一起期待這一時代的到來。