01 現(xiàn)狀和趨勢(shì)

在幾年前，各Tire1和OEM紛紛提公布了在整車(chē)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(shì)。當(dāng)時(shí)的整車(chē)EEA架構(gòu)還是以分布式為主，車(chē)內(nèi)總線網(wǎng)絡(luò)還是以CAN，LIN總線為主。

經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，目前大部分乘用車(chē)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(chē)內(nèi)通信的主要網(wǎng)絡(luò)，但以太網(wǎng)也已經(jīng)成為車(chē)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(chē)內(nèi)以太網(wǎng)還是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)，或者叫樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰、層次分明；缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差、實(shí)時(shí)性低、速率低。

車(chē)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(chē)實(shí)際應(yīng)用的最大速率還是1Gbps。

根據(jù)之前行業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在實(shí)現(xiàn)L4-L5級(jí)別的自動(dòng)駕駛情況下，車(chē)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求在15-25G。這個(gè)是包含車(chē)內(nèi)所有類(lèi)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(chē)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(chē)輛研發(fā)階段對(duì)車(chē)輛參數(shù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)的傳輸，車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中行車(chē)控制、車(chē)身控制和娛樂(lè)信息等車(chē)控信息的傳輸，售后維修階段車(chē)輛的診斷、刷寫(xiě)數(shù)據(jù)的傳輸。

另外，在車(chē)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(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

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

02 關(guān)鍵問(wèn)題

目前車(chē)內(nèi)以太網(wǎng)在應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題。

首先，以太網(wǎng)的通信速率不足。汽車(chē)的功能越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)以太網(wǎng)速率的需求越來(lái)越大。需求是主觀的，沒(méi)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(shí)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(wèn)題。

其次，以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性不夠，穩(wěn)定不高。車(chē)載應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求比較高，數(shù)據(jù)的延時(shí)或丟失不僅會(huì)影響使用感受，更可能會(huì)引發(fā)人身安全得問(wèn)題。

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

總的來(lái)說(shuō)，目前的問(wèn)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(duì)這些問(wèn)題，目前已有一些“開(kāi)源”的解決方法：

通信速率不足，可以增加鏈路，增加節(jié)點(diǎn)間的帶寬，這樣單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)變多，從而提高節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。

針對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性不高的問(wèn)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(shí)、穩(wěn)定的傳輸，從而解決實(shí)時(shí)性、和穩(wěn)定性的問(wèn)題。

增加鏈路、使用TSN技術(shù)，會(huì)增加軟硬件成本和開(kāi)發(fā)技術(shù)難度；特別是使用TSN技術(shù)，在整車(chē)設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試上的實(shí)現(xiàn)難度比較大，成本也較高。

相對(duì)前面提到的“開(kāi)源”方法，我們發(fā)現(xiàn)使用一些“節(jié)流”方法以應(yīng)對(duì)當(dāng)前的問(wèn)題將會(huì)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?zèng)_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(jì)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(chē)載SOA開(kāi)發(fā)使用的兩個(gè)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(gè)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?yàn)镈DS協(xié)議在功能上會(huì)比SOMEIP多很多，但DDS協(xié)議比SOMEIP在通信效率上會(huì)低。

以太網(wǎng)各層協(xié)議效率曲線圖：

通過(guò)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(jì)中我們不認(rèn)真考慮通信效率的問(wèn)題，會(huì)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(wèn)題更加突出。

其實(shí)，在SOA通信設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)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(shuō)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(jì)方法

以車(chē)身服務(wù)為例，在傳統(tǒng)的SOA通信設(shè)計(jì)中，車(chē)身域控制器作為服務(wù)的提供者，將直接部署車(chē)身相關(guān)的所有原子服務(wù)，并對(duì)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(diǎn)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(diǎn)就是通信效率低，另外因?yàn)樨?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(huì)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(jì)理念，在原子服務(wù)下層增加通信服務(wù)，專(zhuān)門(mén)用于與外部節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jì)的優(yōu)點(diǎn)是通信效率高，服務(wù)管理策略簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是會(huì)增加設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)測(cè)試上的復(fù)雜度；難點(diǎn)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(jì)中必不可少的能力。

以太網(wǎng)相對(duì)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(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用功能，因此它在應(yīng)用設(shè)計(jì)中的組合方法也會(huì)更加多樣，難度也會(huì)更加高。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的不同需求，組合方法也不近相同。

審核編輯 黃宇