車載乙太網路：解決複雜線束並支援更多的數據

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；數百根電線都用紮帶捆綁在一起，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。

這些捆綁包佔用了汽車底盤內的寶貴空間，增加了不必要的重量並產生更多潛在的故障點。但是，由於採用企業標準網路協定開發的一些新型高頻寬佈線，可以用一條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頻寬。

這是車載乙太網路承諾的一部分，但它好處遠不止於此。

乙太網路與軟體定義汽車時代

軟體定義車輛 (SDV) 時代即將來臨。隨著更多程式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雲端下載的程式碼進行駕駛的可能性越來越大。

但是，汽車中運行的軟體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感測器每秒都會產生大量資訊。所有這些數據都必須透過汽車以無窮無盡的數據流形式傳輸，這些數據流很快就會匯集成河流。

如果這還不夠，你還可以使用可啟動64 個頻道的現代資訊娛樂系統。杜比全景聲(Dolby Atmos) 音訊或高畫質視訊串流傳輸到多個後座資訊娛樂顯示器。

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頻寬。乙太網路就是解決方案。

什麼是乙太網路？

如果你熟悉乙太網路一詞，可能知道它是一種用於將網路供應商的數據機連接到無線路由器的電纜（最常見的是Cat 6 乙太網路線）。或者，如果你是一名認真的遊戲玩家，你可以使用它來將PC 或控制台直接連接到網絡，以獲得最低的延遲。

這是很常見的事情，但這並不完全是我們談論的車載乙太網路。從形式上來說，乙太網路實際上根本不是單一類型的電纜；它是一種電纜。它是一種網路標準，定義了多個設備安全可靠地互動的方式。

順便說一句，乙太網路是大寫的，因為它指的是施樂在1970 年代註冊的技術。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「乙太網路電纜」的東西。家裡的電纜內部包含多對較小的電纜，絞在一起，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。這條電纜的正式名稱是100BASE-T 或1000BASE-T，指的是每秒100 兆位元或1,000 兆位元（千兆位元）的資料傳輸速度。如果使用的是千兆位元以太網，則應該提供足夠的頻寬，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半導體公司的行銷副總裁，Marvell是一家總部位於加州的主要國際半導體和網路設備供應商。「我們所做的一切，100兆、千兆位元、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秒內部傳輸相同的4K電影，並且有足夠的頻寬用於製作你想要的所有長片。

這裡的電纜類型不僅針對速度進行了最佳化，而且適用於汽車使用。它比你桌子後面雜亂的電纜更細更輕，也更便宜——一對電線纏繞成一條電纜，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應用所需的所有頻寬

事情並不總是這樣的。事實上，車載乙太網路可以追溯到15年前。Ian richards說:「2008年，BMW在F01 7系列車型上首次引入了這項技術。他是TechInsights汽車業務副總裁，這是一家專注於半導體分析的國際公司。」它最初用於診斷端口，也用於資訊娛樂系統上的20mbps前座/後座連結。「第一個應用程式使用100BASE-T電纜，就像你在家裡使用的那樣。

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，你有感測器和系統產生資料並完成工作。另一端是汽車上處理資料的各種處理器。保持一切朝著正確的方向發展需要一系列的網路交換設備，即交換器和路由器。將

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

退出域控制

傳統上，隨著汽車在其生命週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（例如照明或資訊娛樂系統）視為一個單獨的領域。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採用了一些新功能，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。“結果是，你知道，大量的電纜，高成本，電纜高速公路。”

透過以太網，他說，汽車可以轉變為互連區域的集合，每個區域都包含感測器或設備，他將其稱為代理：「每個區域現在都需要有它自己的乙太網路交換器連接到該區域中該域的所有代理，然後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幹。”

這樣，多個車載系統都透過同一網路進行通訊。透過共享，汽車的設計可以從根本上簡化。中央處理器不是散佈在各處的數十個客製化小晶片，而是更少、更強大的中央處理器處理整輛車的所有數位繁重工作。

除了簡化之外，這也為汽車行為的演變打開了大門，而這正是SDV的標誌。Bar-Niv以汽車攝影機為例:「如今的攝影機使用點對點連接，」他說，將數據直接從成像感測器傳輸到使用它的系統。

正因為如此，後視攝影機只能作為後視攝影機使用，因為車內的其他系統無法存取它。

例如，不能在資訊娛樂系統和ADAS 之間共享攝像頭，」巴爾-尼夫說。

但是，一旦所有這些攝影機都透過乙太網路進行通訊（全部位於同一網路上），就可以編寫軟體以有趣的新方式使用這些攝影機，例如將後視攝影機變成透過網路傳輸鏡頭的行車記錄器。然後可以透過無線(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，最近對汽車製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，對更多頻寬的需求也將同樣增加。「100 兆位元對於網域基礎設施來說已經足夠了。現在，低於2.5 GB 的裝置是不可接受的。」巴爾-尼夫說。

汽車級可靠性

這裡的許多核心技術都基於常見的企業網路硬體——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。如果銀行的某個網路硬體發生故障，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路運行時，在最壞的情況下，任何故障都可能導致人員傷亡。

防止此類故障的關鍵部分是提高汽車中安裝的組件的最終品質。「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，對於消費性網路設備，DPPM「在幾百到1,000 的範圍內」。

在汽車領域，目標是少於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製造的，故障仍然可能發生。這就是冗餘的用武之地，例如使用所謂的雙核心鎖步處理器的網路交換器。在這裡，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，演算法可以根據功能處理器的輸出確保整個系統繼續運作。

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）都在同一網路上進行通信，聽起來有點安全風險。沒錯。以前，如果駭客訪問了汽車上的給定係統（我們上面討論的域之一），那麼駭客就不太可能接管汽車系統的其他方面。由於這些低效率的佈線量，每個系統域實際上都在單獨的、斷開連接的網路上運作。

在經過優化以使用車載乙太網路的汽車中，所有內容都合併到一個網路上，透過單一受損組件進行系統範圍存取的可能性更大。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。

這是指一種攻擊，駭客有效地假裝是汽車內的授權系統，與其他系統連接並使用它們來存取車內的資料。

阻止此類攻擊的一種方法是使用硬體安全模組(HSM)。它們在車內產生數位密鑰，對車內傳遞的所有數據進行加密和數位簽署。這種技術通常僅用於高端企業數位網絡，它在汽車中的存在確保了類似程度的行動安全性。

成本與效益

在精美的佈線、交換器和HSM 之間，更不用說運行這一切的所有軟體，在以太網上運行汽車而不是以前的更基本但冗餘的域模型，聽起來可能是一個昂貴的提議。

「是和否，」 TechInsight 的Riches 說。「是的，乙太網路比車輛中速度較慢的現有CAN 連結成本更高。然而，它是實現按需功能以及自動駕駛所需的高速通訊所需的新型車輛架構的基本建置模組。”

換句話說，沒有辦法解決這個問題。Riches 表示乙太網路是「城裡唯一的遊戲」如果你想做需要大量數據的事情。但是，與其他感測器（例如安裝在新的 Lotus Eletre 上的3D 雷射掃描器）的成本相比，連接它們的網路硬體的成本將微不足道。

事實上，在某些情況下，從網域切換到區域架構，並在此過程中刪除所有冗餘元件，實際上可以節省金錢。「還有一種長期觀點認為，隨著計算性能的集中化，透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。

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路的成本降低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產業。

因此，轉向車載乙太網路可能意味著汽車不僅會更聰明、更便宜、更輕，未來也不會那麼難找。