1.前言

在近代急速發展的汽車技術因素下，不斷引伸出不同場景下對汽車功能的使用需求。當中產生了對汽車通訊功能要求上的大幅度提升，因此功能更先進和更強大的車載以太網已經漸漸地變成了車身通訊必不可缺的成員之一。

文章會從了解現今對車載網絡（In-Vehicle Network）的應用需求開始，看看車載以太網是怎樣通過自身強大的網絡功能，滿足日新月異的汽車通訊功能要求，獲得不同汽車生產和開發商的信任和使用，同時最后也會分享英飛凌最新的AURIXTM TC4x系列微控制器是如何滿足客戶對高速以太網絡和時間敏感網絡的各方面需求。

2.車載以太網概覽

2.1   車載網絡的應用需求

談到新一代汽車發展，多數人都會直覺地把注意力放到新舊能源車的競爭上，兩邊勢力都在不斷改進產品來吸引消費者，這帶來了多種汽車技術的不斷改良和突破，其中汽車在智能化和電子化這兩方面的改進就更為急速。

汽車智能化最具體的功能就是自動駕駛、智能底盤、智能座艙等；而電子化更加是在汽車不同功能提升下的參與或貢獻者，可以說電子化都參與到如自動駕駛系統、底盤控制系統、動力控制系統、車身控制系統、座艙控制及娛樂系統等。

下面本文會從四個維度看看這些改進對車載網絡需求帶來了什么改變。

1   頻寬要求

自動駕駛應用帶來了大量數據資料如影像信息，激光雷達信息，毫米波雷達信息的傳輸要求。

娛樂系統對頻寬要求主要發生在大量的影像類資源經網絡傳到不同的ECU上。

2   實時性和可靠性要求

自動駕駛在計算時，必需要按時接受外在環境的數據資料；在控制時，操控要求也需要按時到達目標。

可靠性如網絡設計上是否支持故障處理和冗余處理。

3   成本要求

車身上的電子化激活了大量電子裝置的使用，這些不僅帶來了對ECU存放空間問題外，還在車身上產生大量的連線，線材重量和放置空間都帶來很大的成本。

4   網絡安全要求

自動駕駛的使用和汽車電子化帶來裝置發展出具備從網絡接收命令和執行行動，如果網絡傳輸被惡意攻擊或控制便會出現很嚴重的安全問題。

2.1.1   頻寬要求

就頻寬要求上的影響性看，其中兩個比重較多的應用可算是自動駕駛和娛樂系統。自動駕駛的核心當然是高效的計算能力，但用作計算的數據資料如影像信息、激光雷達信息、毫米波雷達信息及各種車身傳感器等，這些都需要大量數據傳輸，因而大大增加了對頻寬的要求。這些影像信息或激光雷達信息如果需要以原始數據方式傳送到自動駕駛芯片進行處理的話，那些應用頻寬都是以Gbps為單位，而高分辨率的毫米波雷達也都需有超過1Gbps的要求，但其他的傳感器對頻寬要求就相對較少，一般都不會超1Gbps了。而作為執行結果的動力控制和底盤控制的數據傳輸，相比下就沒有直接對頻寬有太高要求。

娛樂系統也可能會對頻寬有所要求，如果系統需要把大量的影像類資源經網絡傳到不同的ECU上，這樣便會對頻寬有大量要求了。

2.1.2   實時性和可靠性要求

自動駕駛的實現上也會對網絡的實時性和可靠性也有十分嚴格要求，如在計算時，外在環境的數據資料必需要按時傳到自動駕駛芯片；而在控制時，操控要求也需要按時到達目標。這些通訊都不能被延遲超過設計要求，所以能否估計或控制會出現的傳輸延遲是十份重要的。另外，可靠性也是重要的一環，如網絡設計上是否支持故障處理和冗余處理等。

2.1.3   網絡安全要求

隨著自動駕駛的使用和汽車電子化，車身上很多裝置都會連接到不同網絡，這些裝置都可以具備從網絡接收命令和執行行動。如果網絡傳輸被惡意攻擊或控制便會出現很嚴重的安全問題，所以網絡安全也開始成為車載網絡的基本要求了。

2.1.4   成本要求

隨著對車身上的不斷電子化，車身上增加了大量電子裝置，這些裝置都有可能分布到車上不同的位置。除了裝置本身占用的空間問題外，還在車身上產生大量的連線，如何設計使用這些連線，包括網絡通訊，控制訊號及電源線等，這些都使工程師對汽車架構改進更新帶來了很大的推動力。現在比較認同的發展方向是區域汽車架構（Zonal architectures），簡單來說就是把裝置從之前以功能劃分到不同的域控制器（Domain controller）的域汽車架構（Domain architectures），改變為到把裝置以實際地域劃分到不同地區上的區域控制器（Zone gateway／controller）。多個區域控制器和中央控制器（Central controller）之間再互相連接，這樣裝置只需要連接到最近區域控制器上，連線的線材可以大大減少，從而減少線材、載重和空間上的不同成本。另外，不同的功能也可以整合到區域控制器，有機會減少ECU的總使用數量。

區域汽車架構的發展對汽車網絡和軟件架構都帶來了改革，車載網絡有可能從異質網絡（Heterogeneous network）走向同質網絡（Homogeneous network），軟件架構也會住面向服務架構（SOA）方向發展。

2.2    不停改進的車載以太網技術

車載以太網提供了多樣的協議和設備標準，適用于車載網絡的各種應用。在接下來的部分中，我們將探討車載以太網在各種層面上是怎樣有效地對應車載網絡的種種特別要求和解決應用上的各種痛點。

2.2.1   全方位的網絡介質對應方案

車載以太網支持多種物理層標準，以下是列出一些有關的主要標準：

傳輸100Mbps（適用于 100BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bw-2015）

傳輸1Gbps（適用于 1000BASE-T1 PHY 的 IEEE 802.3bp-2016）

傳輸10 Mbps（適用于 10BASE-T1S PHY 的 IEEE 802.3cg-2019）

傳輸2.5G、5G和10Gbps（適用于 2.5G/5G/10GBASE-T1 PHY的IEEE 802.3ch-2020)

這些標準滿足對網絡頻寬的不同要求，能有效地對應不同車載網絡對高低頻寬的使用要求，從而提供了達成同質網絡的可行方案。這樣可以減少因為使用異質網絡區時，域控制器在進行數據轉發時需要進行的額外轉輸格式處理，而造成的傳輸延誤和占用硬件資源問題。

還有的是這些標準都是使用單雙絞線，這樣也可以減少空間及重量所產生出來的成品問題。

2.2.2   AVB和TSN的支持

實時的傳輸要求在最早的以太網路設計上并非主要考慮，但因為之后出現不同使用上的需要，以太網絡也不斷地出現了一些新的標準，當中的AVB和TSN 協議就被廣泛應用在車載網絡上。

2.2.2.1 AVB協議

為應付實時的影視音訊要求（如視像鏡頭、娛樂影音等），傳輸的延遲有了一定程度上的要求。IEEE 802.1 工作小組便針對這些問題開展了工作，訂立了IEEE 802.1Q網絡協議及AVB 協議，主要適用于車載網絡協議如下：

IEEE 802.1Qav-2009 

（Queuing and Forwarding for AVB Bridges）

定義規則以確保優先級流將在預留中指定的延遲內通過網絡。

IEEE 802.1Qat-20210 

（Stream Reservation）

預留協議用于通知路徑中的各個網絡節點預留支持特定流所需的資源。

IEEE 802.1AS-2011 

（Timing and Synchronization for 

Time-Sensitive Application）

協議提供在網絡中實現通用的時間概念，使終端站和交換機能夠相互同步本地網絡時鐘。

2.2.2.2 TSN協議

雖然AVB協議提供了音頻/視頻使用的解決方案，但它并不適合時間關鍵和安全關鍵的控制流量。為此，從2012年開始，開始了TSN工作小組，以取代之前的AVB工作小組，主要適用于車載網絡協議如下：

IEEE 802.1Qbv-2015

（Enhancements for Scheduled Traffic）

增強預定流量控制,引入了傳輸門機制來支持預定流量，能要求幀傳輸按照預定義的時間表進行。

IEEE 802.1Qbu-2016

（Frame Preemption）

與IEEE 902.3br 結合，IEEE 802.1Qbu 實現幀搶占，把幀分為快速幀（實時幀time-critical）和可被搶占幀（即盡力而為幀best-effort）。實現幀搶占的優點是減少實時幀的延遲，因為它們不需要等待整個盡力而為幀的傳輸，但可以在某個時刻搶占它。

IEEE 802.1Qci-2017

（Per-Stream Filtering and Policing）

該標示能通過阻止流或端口來進行錯誤檢測和緩解并遏制錯誤，以便錯誤不會在網絡上傳播，從而提高網絡可靠性。

IEEE 802.1QCB-2017 

（Frame Replication and Elimination for 

Reliability FRER）

通過利用幀識別功能，該標準在多個不相交的網絡路徑上提供幀復制和傳輸，以增加至少一個副本成功傳送到最終目的地的概率。

IEEE 802.1AS-2020

在IEEE 8021AS-2011中提供的切換過程不是很快，可能會導致某些節點的時間跳躍。新的IEEE 802.1AS-2020支持多個同步主時鐘和多條同步路徑，以實現無縫低延遲切換和故障模式下時間同步的快速恢復。

AVB和TSN協議都能有效滿足車載網絡對實時性和可靠性的使用要求。

2.2.3   加密的支持

安全性也是通信中關注的問題之一，IEEE 802.1工作組也在研究如何在TSN網絡中采用現有的IEEE安全機制。其中MACsec IEEE 802.1AE-2018 協議為車內ECU 交換的數據提供鏈路到鏈路加密和保護，并添加安全標記、完整性檢查值、數據包編號字段和加密。該協議定義了數據封裝、加密和認證的幀格式，應用IEEE Std 802.1X協議提供Peer-to-Peer方式密鑰建立機制，實體地保護整個或部分網絡的安全。

目前正在運行的P802.1AEdk 項目是IEEE Std 802.1AE-2018 標準的修訂版。該標準指定了MAC隱私保護封裝協議及其與MAC 安全協議（MACsec）的結合使用，以隱藏用戶數據幀的源MAC 地址和目標MAC地址，并減少可觀察到的幀大小和傳輸時序之間的任何相關性。

2.2.4   對網絡協議應用的強大支持

車載以太網標準是由知名標準機構提供的，是一項成熟的技術可滿足負載和集成的需求。使用以太網路也更直接有效地使用種類繁多，功能全面和安全可靠的網絡和應用協議。提供了很多應用的現有解決方案，從而減少從零開始的設計和開發時間。

3.全面支持以太網路的AURIXTM TC4x

AURIXTM TC4x為具有安全和強大網絡功能的ECU定義了新一代控制器標準。

3.1 AURIXTM 對以太網路的支持

AURIXTM TC4x架構增強了安全性和連接性。

1   高速和時效性的Gigabit Ethernet GETH

（ETHMAC）

支持高達 2x5GBit以太網，包括橋接器，以太網端口支持IEEE 802.1 AVB和TSN協議的硬件要求。

2   廣泛性的Lite Ethernet（LETH）

支持 4x10/100MBit以太網速度，另外還支持了10Base-T1S標準，把以太網的應用范圍延伸到一些傳統ECU需要的低速數據通訊領域。

3   安全的Cyber Security Satellite（CSS）

用于安全CAN/以太網通信的Crypto和Hash引擎。

4.總結

現在汽車發展正在從傳統的域汽車架構（Domain architectures）到區域汽車架構（Zonal architectures）以及硬件定義汽車（Hardware-defined cars）到軟件定義汽車（Software-defined cars）的過渡中，而使用更高程度的ADAS/AD的個人消費類汽車將會更加普及，車載以太網在車載網絡的滲透率對會不斷提升。

通過利用新一代AURIXTM TC4x對以太網和安全網絡的各種功能，幫助汽車行業ECU開發人員，獲得對應新一代汽車平臺上的優質解決方案，從而實現更快開發時間和更安全汽車平臺更新計劃。