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車載以太網會是傳統總線的末路嗎?


今天我們不聊高深的技術問題,只帶大家看看車載以太網是怎么走到今天的。


2013年寶馬X5的正式量產標志著以太網正式進入到車載領域,粗略計算已有7年的時間,它究竟有什么魔力讓我們一個又一個的汽車人前赴后繼呢?我們慢慢從頭說起,先來了解下以太網的發展歷程。


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寶馬X5搭載的車載以太網(圖片來源于網絡)


以太網發展歷程


以太網(Ethernet)是現實世界中最普遍的一種計算機網絡,最早是由美國的Xerox公司和Stanford大學合作研制出來的。


1980年,DEX、Intel和Xerox 3個公司合作制定了有關以太網的工業標準,提出了Ethernet規范V1.0,即藍皮書《以太網:數據鏈路層和物理層規范1.0版》。1982年修改為第二版規范,即DIX Ethernet V2,成為世界上第一個局域網產品的規范。


1983年,IEEE802委員會以DIX Ethernet V2為基礎,推出了IEEE802.3(后面不帶任何數字,就是第一個標準,定義了CSMA/CD總線網的MAC子層和物理層)。


DIX Ethernet與IEEE802.3定義略有區別,但在不涉及網絡協議的細節時,人們還是習慣將IEEE802.3局域網稱為以太網。


IEEE802.3標準是以太網核心的內容,也是一個不斷發展的協議體系。截止到現在IEEE802.3工作組總共定義了標準以太網、快速以太網、千兆以太網、萬兆以太網、新型以太網五大以太網標準體系。這些標準最明顯的區別就是速率不同。


  • IEEE802.3標準為采用不同傳輸介質的標準以太網制定對應標準,主要包括采用細同軸電纜的10BASE-2、采用粗同軸電纜的10BASE-5和采用雙絞線的10BASE-T;

  • IEEE802.3u標準為采用不同傳輸介質的快速以太網制定相應規范,包括采用雙絞線介質的100BASE-Tx和100BASE-T4,采用多模光纖介質的100BASE-Fx以及10/100M速率自協商功能;

  • IEEE802.3z和IEEE802.3ab標準定義了采用光纖為傳輸介質的1000BASE-SX/LX以及采用雙絞線介質的1000BASE-T規范;

  • IEEE802.3ae標準定義了萬兆以太網的特點:光纖傳輸、全雙工模式,不再使用半雙工和CSMA/CD介質訪問控制技術,采用局域網和廣域網兩種物理模型,將以太網技術引入到廣域網中;

  • IEEE802.3ba標準同時包含40Gbps與100Gbps兩種速率接口。該標準解決了數據中心、運營商網絡和其他流量密集的高性能計算環境,以及日益增長的應用對帶寬的需求。

另外,除物理層和數據鏈路層的定義之外,IEEE802還進行了其他方面的標準化,如IEEE802.1制訂以太網的通信系統實現的標準;IEEE802.2制訂了邏輯鏈路層(LLC)。由于這些相關的標準適用于802相關的所有技術,因此可以說沒有特定的“IEEE以太網”。


下面我們正式進入正題,聊一下我們最關心的車載以太網~


什么是車載以太網

車載以太網是用于連接汽車內各種電氣設備的一種物理網絡。車載以太網的設計是為了滿足車載環境中的一些特殊需求。


例如:

  • 滿足車載設備對于電氣特性的要求(EMI/RF);

  • 滿足車載設備對高帶寬、低延遲以及音視頻同步等應用的要求;

  • 滿足車載系統對網絡管理的需求等。


可以理解為:車載以太網是在民用的以太網協議基礎上,改變了物理接口的電氣特性,并結合車載網絡需求定制了一些新標準。針對車載以太網標準,IEEE組織對IEEE 802.1和IEEE 802.3標準進行了相應的補充和修訂。


當這些車載以太網新特性沒有納入IEEE之前,有一些商業組織負責和參與了前期的網絡規格定義,如:OPEN Alliance和AVnu Alliance,關于這些組織的介紹可以看看我們之前的文章《汽車以太網標準化組織介紹》。


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各主流OEM以太網應用情況(圖片來源于網絡)


寶馬作為車載以太網推進的急先鋒,從2008年~2013年就陸續開始了車載以太網技術的局部網絡應用,如基于DoIP協議的OBD診斷、使用IP協議的攝像頭等。


在寶馬嘗到車載以太網的甜頭后,從2015年開始在其全系車型(7系、5系、3系和i系電動車)中部署車載以太網,不再是局部網絡的應用,而是開始將娛樂、安全和通信子系統進行整合,構建車載以太網子系統。


2016年,車載以太網技術得到更多車廠的擁躉,捷豹、路虎和大眾的帕薩特都在其某些車型集成了車載以太網技術。


國內造車勢力也是有勇于“吃螃蟹"的,早在2015年奇瑞汽車就和博通簽訂了共同開發車載以太網應用的合作諒解備忘錄;上汽榮威RX5是國內第一個將車載以太網應用到環視系統中的車型。在造車新勢力中,車載以太網的應用也是非常迅速,如蔚來汽車、理想汽車、小鵬汽車等。


以下是我為大家梳理的車載以太網發展相關的重要時間節點,供大家參考:


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為什么以太網會進入到車載領域?


從行業的角度可以基于以下兩方面考慮:

  • 過去的時光里,無論是受移動通訊革命驅動的電子行業還是受先進電子特性功能驅動的汽車行業都發生了重大變化,導致了人們對消費電子與汽車電子的需求有了更多的交集

  • 雖然車載網絡以前的帶寬需求較小,遠遠低于傳統以太網提供的帶寬,但由于ADAS、信息娛樂系統以及主動安全系統等新技術的應用和傳統技術的增強,車內網絡需求在近年來飛速增長且無放緩的跡象,超出了CAN或Flexray等傳統車載網絡的容量極限,使得人們在探求一種更快、更強的通信方式


你認為目前會有一種方式能比消費電子中應用廣泛、傳輸速率又看起來沒有上限的以太網更合適嗎?但是以太網能進入車載領域最關鍵的還是博通在開發的車用以太網芯片和整體解決方案解決了以太網的兩大痛點:

  • 通過BroadR-Reach技術成功解決了車規要求的EMC問題

  • 提出了單對非屏蔽雙絞線方案,將傳統線束重量減輕30%,降低了OEM的成本和線束的重量

車載以太網是傳統總線的末路?


很多人可能都問過:目前傳統的車載通信方式會不會被車載以太網取代,如CAN、LIN、MOST、FlexRay等。

懌星的看法是:未必會,因為我們在進行車載網絡、通信設計的時候,考慮的不僅僅是誰更先進,而是誰更適合。以下我們就典型的傳統網絡進行簡要分析:

  • CAN總線在我們現在車輛上應用最為廣泛的標準, CAN總線技術是Bosch公司于20世紀80年代開發出來的,最大傳輸速率為1Mbps。

  • LIN總線是一種低成本的串行總線,是對CAN網絡及其他車用網絡的一種補充,最大傳輸速率為20Kbps,適用于對帶寬、性能和容錯功能沒有過高要求的應用,如:車門、天窗、座椅控制等。

  • MOST主要支持多媒體流數據傳輸,MOST150標準的最大帶寬為150 Mbps的,在車載多媒體數據傳輸應用較多。雖然MOST150支持基于IP的應用程序,但由于單一供應商的問題,基礎開發成本較高。

  • FlexRay 的主要優勢在于相比CAN 總線具有較高的帶寬,可達10Mbps,可以滿足汽車關鍵應用的要求,但是其成本卻很高,主要適用于中高端車中的線控系統(如懸架控制、變速箱控制、制動器控制、轉向控制等)。


可以看出,傳統總線能滿足部分子系統的要求,其優勢在于實時性。但普遍存在的問題是帶寬低、成本高。而隨著ECU處理能力的提升,連接ECU的網絡的帶寬需求也相應增大,各傳統總線勢必無法全方位滿足大多數現代汽車的需求。


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10BASE-T1S和CAN XL(圖片來源于網絡)


上圖中我們可以看出車載通信速率以及通信方式的發展情況,尤其是在10Mbps通信速率,IEEE標準化了一個適用于汽車的10Mbps以太網版本(10BASE-T1S),發展千兆的1000BASE-T1的同時不忘10M的10BASE-T1S,IEEE的確有統一車載通信江湖的野心。但CiA(CAN inAutomation)聯盟也不想輕易地被掃進歷史課本,他們計劃在今年的iCC(international CAN Conference,受疫情影響,會議時間已延遲至5月26日)正式發布支持10Mbps通信速率的CANXL。這兩個標準在將來應用過程中必然會有一番龍爭虎斗,后續的發展讓我們拭目以待。


不得不提的是,車載以太網(如100BASE-T1)通過簡化ECU之間的整體通信,的確有可能消除較舊或布置成本較高的協議,像MOST、FlexRay等。


行文至此,相信大家對車載以太網也有了一定的了解,不妨暢想下:在不遠的未來,每輛汽車都可以配置一個公網IP地址。我們可以像升級手機APP一樣通過OTA升級汽車的每一部分;GPS、5G、V2X、ADAS為用戶的行駛保駕護航,甚至可以實現自動駕駛的真正商用化......那么,作為汽車人,我們應該如何推動這些技術的發展呢?歡迎大家關注“懌星科技”公眾號一起交流吧~


參考:

[1] 李巍周軒羽(譯)汽車以太網-原書第2版機械工業出版社 2019年2月

[2] 鄧云佳等譯網絡百科全書科學出版社2003年7月


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