01 現(xiàn)狀和趨勢

在幾年前，各Tire1和OEM紛紛提公布了在整車EEA架構(gòu)方面的方案，總體還是遵循著由分布式、到域控式、再到中央式的發(fā)展趨勢。當(dāng)時的整車EEA架構(gòu)還是以分布式為主，車內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)還是以CAN，LIN總線為主。

經(jīng)過這幾年的發(fā)展，目前大部分乘用車的EEA架構(gòu)已經(jīng)是域控式，部分已經(jīng)發(fā)展到了中央式。CAN、LIN仍式車內(nèi)通信的主要網(wǎng)絡(luò)，但以太網(wǎng)也已經(jīng)成為車載網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。

根據(jù)現(xiàn)有資料分析發(fā)現(xiàn)，EEA的發(fā)展速度比較快，以太網(wǎng)架構(gòu)的發(fā)展速度比較慢。大部車內(nèi)以太網(wǎng)還是點對點的星型網(wǎng)絡(luò)，或者叫樹形網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)清晰、層次分明；缺點是穩(wěn)定性差、實時性低、速率低。

車載以太網(wǎng)主要是近5到10年的產(chǎn)品，2020年發(fā)布MultG的標(biāo)準(zhǔn)，最大速率是10Gbps，但目前車實際應(yīng)用的最大速率還是1Gbps。

根據(jù)之前行業(yè)內(nèi)專業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測，在實現(xiàn)L4-L5級別的自動駕駛情況下，車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求在15-25G。這個是包含車內(nèi)所有類型網(wǎng)絡(luò)的需求，但以太網(wǎng)要承擔(dān)大部分的通信任務(wù)。

車載以太網(wǎng)承接了CAN、LIN等網(wǎng)絡(luò)的的部分傳傳輸功能，如車輛研發(fā)階段對車輛參數(shù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)的傳輸，車輛運(yùn)行過程中行車控制、車身控制和娛樂信息等車控信息的傳輸，售后維修階段車輛的診斷、刷寫數(shù)據(jù)的傳輸。

另外，在車輛智能化方面的功能，比如V2X，數(shù)據(jù)上云，音視頻流等都需要通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

在軟件定義汽車的概念下，以太網(wǎng)已成為車內(nèi)通信不可少的核心技術(shù)。車內(nèi)以太網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用會越來越多，越來越復(fù)雜。

02 關(guān)鍵問題

目前車內(nèi)以太網(wǎng)在應(yīng)用過程中仍存在一些問題。

首先，以太網(wǎng)的通信速率不足。汽車的功能越來越多、越來越復(fù)雜，對以太網(wǎng)速率的需求越來越大。需求是主觀的，沒有客觀規(guī)律，但以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是要遵循科學(xué)規(guī)律的，而且是需要一定的時間投入。需求高和技術(shù)發(fā)展慢的矛盾，引發(fā)了速率不足的問題。

其次，以太網(wǎng)的實時性不夠，穩(wěn)定不高。車載應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的實時性和穩(wěn)定性要求比較高，數(shù)據(jù)的延時或丟失不僅會影響使用感受，更可能會引發(fā)人身安全得問題。

以太網(wǎng)設(shè)計之處的主要目標(biāo)是傳輸信息，重點是把數(shù)據(jù)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方，是一種盡最大努力（best effort)交付得通信技術(shù)。設(shè)計目的和用應(yīng)用場景不匹配，引發(fā)了對實時性和穩(wěn)定性方面的擔(dān)憂。

總的來說，目前的問題的原因是“資源”與“需求”不匹配造成的，需求太多，資源不夠。

針對這些問題，目前已有一些“開源”的解決方法：

通信速率不足，可以增加鏈路，增加節(jié)點間的帶寬，這樣單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)變多，從而提高節(jié)點間的傳輸速率。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)也是增加鏈路這種方法的具體實現(xiàn)。

針對實時性、穩(wěn)定性不高的問題，目前提及最多的是使用TSN技術(shù)，TSN技術(shù)上提供了豐富的流量管理方法，以確保關(guān)鍵的數(shù)據(jù)被準(zhǔn)時、穩(wěn)定的傳輸，從而解決實時性、和穩(wěn)定性的問題。

增加鏈路、使用TSN技術(shù)，會增加軟硬件成本和開發(fā)技術(shù)難度；特別是使用TSN技術(shù)，在整車設(shè)計、軟件開發(fā)和測試上的實現(xiàn)難度比較大，成本也較高。

相對前面提到的“開源”方法，我們發(fā)現(xiàn)使用一些“節(jié)流”方法以應(yīng)對當(dāng)前的問題將會更加有效。

TSN技術(shù)的核心是提高網(wǎng)絡(luò)的確定性，使數(shù)據(jù)流有規(guī)律，減少沖突，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率，這也是一種“節(jié)流”的方法。

本文將介紹一種在SOA通信設(shè)計中，怎樣提高以太網(wǎng)通信效率的方法。

03 通信協(xié)議

目前車載SOA開發(fā)使用的兩個重要的協(xié)議是SOMIP和DDS。

SOME/IP協(xié)議格式：

DDS-RTPS協(xié)議格式：

協(xié)議格式被分為兩個主要部分：Header 部分和Payload部分。DDS協(xié)議比SOME/IP協(xié)議有更多的Header數(shù)據(jù)，因為DDS協(xié)議在功能上會比SOMEIP多很多，但DDS協(xié)議比SOMEIP在通信效率上會低。

以太網(wǎng)各層協(xié)議效率曲線圖：

通過上面這張效率曲線圖我們可以清晰發(fā)現(xiàn)，越是上層的協(xié)議，以太網(wǎng)的效率越低。

如果在SOA通信設(shè)計中我們不認(rèn)真考慮通信效率的問題，會造成以太網(wǎng)帶寬的浪費(fèi)，使現(xiàn)在以太網(wǎng)應(yīng)用的問題更加突出。

其實，在SOA通信設(shè)計中設(shè)計合理負(fù)載大小進(jìn)行通信，就可以提高有效地提高以太網(wǎng)的通信效率。

以SOME/IP為例，進(jìn)一步分析了該協(xié)議的通信效率。如下圖：

由曲線清晰可知，負(fù)載字節(jié)越多，通信效率越高；但此曲線不是直線，說明隨著負(fù)載字節(jié)的增加，效率提升的速率在降低。

04

設(shè)計方法

以車身服務(wù)為例，在傳統(tǒng)的SOA通信設(shè)計中，車身域控制器作為服務(wù)的提供者，將直接部署車身相關(guān)的所有原子服務(wù)，并對外暴漏所有原子服務(wù)的所有接口。

這種部署方法的優(yōu)點就是部署關(guān)系直觀清晰，接口都是獨(dú)立的，獲取信息更加靈活；缺點就是通信效率低，另外因為負(fù)責(zé)直接跟外界通信的服務(wù)比較多，服務(wù)的管理策略會比較復(fù)雜。

為提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，利用分層服務(wù)的設(shè)計理念，在原子服務(wù)下層增加通信服務(wù)，專門用于與外部節(jié)點進(jìn)行通信。

通信服務(wù)不直接面向功能應(yīng)用，在服務(wù)接口設(shè)計上更加靈活，可充分提高以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)效率。

這種服務(wù)設(shè)計的優(yōu)點是通信效率高，服務(wù)管理策略簡單；缺點是會增加設(shè)計、開發(fā)和測測試上的復(fù)雜度；難點是怎么組合服務(wù)，怎么組合接口。

信息的組合在CAN、LIN網(wǎng)絡(luò)通信中已被成熟的運(yùn)用，Byte中Bit的組合、PDU中Byte的組合，是CAN、LIN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中必不可少的能力。

以太網(wǎng)相對于CAN網(wǎng)絡(luò)有更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、更豐富的層間協(xié)議、更多樣的通信方式，可以實現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用功能，因此它在應(yīng)用設(shè)計中的組合方法也會更加多樣，難度也會更加高。針對不同應(yīng)用場景下的不同需求，組合方法也不近相同。

審核編輯 黃宇