AUTOMOTIVE ETHERNET

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WAS IST ETHERNET?

Erstmals 1973 entwickelt, hat Ethernet aufgrund seiner Einfachheit und Skalierbarkeit praktisch alle konkurrierenden Technologien verdrängt. Die gängigen Ethernet-Versionen reichen von 10 Mbit/s bis hin zu 400 Gbit/s, mit unterschiedlichen Medien, vom Koaxialkabel über Twisted-Pair-Kabel bis hin zur Glasfaserübertragung. Infolge der enormen Einsatzmengen sind die Hardwarekosten für die am häufigsten verwendeten Ethernet-Schnittstellen mit 100 Mbit/s (Fast Ethernet) und 1 Gbit/s (Gigabit Ethernet) sehr niedrig geworden.

Layer Preamble Start frame delimiter (SFD) MAC destination MAC source 802.1Q tag (optional) Ethertype (Ethernet II) or length (IEEE 802.3) Payload Frame check sequence (32-bit CRC) Interpacket gap
7 bytes 1 bytes 6 bytes 6 bytes (4 bytes) 2 bytes 46-1500 bytes 4 bytes 12 bytes
Layer 2 Ethernet frame ← 64–1522 bytes →
Layer 1 Ethernet packet & IPG ← 72–1530 bytes → ← 12 bytes →

The standardized Ethernet frame format according to IEEE 802.3

WAS IST AUTOMOTIVE ETHERNET?

Bei Automotive Ethernet handelt es sich um eine Reihe neuer Ethernet-Versionen, die standardisiert wurden, um die spezifischen Anforderungen der Kommunikation im Automobilbereich zu erfüllen. Diese neuen Automotive-Ethernet-Versionen bieten Technologien für eine höhere Robustheit im automobilen Umfeld und ermöglichen gleichzeitig eine erhebliche Kostenreduzierung.

Ein großer Teil des Entwicklungsaufwands ist in Steuergeräte mit alten Technologien geflossen. Die Automobilindustrie wird daher nicht auf ein reines Ethernet-Szenario ohne Zwischenschritte umsteigen. Stattdessen werden einige etablierte Nicht-Ethernet-Steuergeräte weiterhin verwendet, wodurch gemischte Einsätze von Ethernet und Alt-Technologien zu Stande kommen. Es ist daher im Zuge des Wandels in der Automobilindustrie zunächst erforderlich, dass sowohl veraltete Protokolle als auch veraltete Technologien weiterhin unterstützt werden.

Ergänzend zum Übergang zu Automotive Ethernet geht die EE-Architektur zu einer zonenbasierten Architektur über. Dieser Übergang erhöht den Bedarf an Routing-Entscheidungen mit geringer Latenz (um Multi-Hop-Routing zu ermöglichen), während gleichzeitig der zunehmende Multi-Gigabit-Verkehr über den Ring-Backbone unterstützt wird. Die derzeitigen Fahrzeugmechanismen, wie z. B. Zonal Gateways, werden zu Kommunikationsengpässen. Daher sind HW-basierte Router unerlässlich, um eine extrem niedrige Latenz und ein kosteneffizientes Design mit einer ständig wachsenden Anzahl von Schnittstellen und Verkehrsanforderungen zu ermöglichen.

CAN Bus vs. Automotive Ethernet

Im Vergleich zu CAN bietet Automotive Ethernet eine hervorragende Lösung für die Probleme, die durch die traditionelle CAN-Bus-Architektur verursacht werden. Autos brauchen einen Hochleistungs-Backbone, der die zunehmende Kommunikation der neuen Fahrzeugsoftware unterstützt, um ein fahrerzentriertes Erlebnis zu schaffen. Die Trends zeigen, dass die Automobilhersteller von der traditionellen komplexen Verkabelung zu einer zonalen Architektur übergehen, die sich auf einen Ethernet-Backbone stützt, um einen reibungslosen und sicheren Betrieb zu gewährleisten.

  • Unterstützung deutlich höherer Durchsatzraten (mehr als 10 Gbps), was die Aggregation mehrerer CAN-Busse zu einer einzigen Ethernet-Verbindung ermöglicht. Dies führt zu kleineren Kabelbäumen als bei CAN, was sich in geringeren Installations- und Wartungskosten niederschlägt.
  • Unterstützung von Quality of Service und Time Sensitive Networking (TSN), so dass die Echtzeitkommunikation mit Daten niedrigerer Priorität gemultiplext werden kann.
  • Erweiterte Sicherheitsfunktionen und Transportschichtdienste
  • Plug-and-Play-Fähigkeiten, so dass Komponenten je nach Bedarf mit automatischer Erkennung und Konfiguration angeschlossen und getrennt werden können.

Die Umstellung auf Ethernet hat aber auch Nachteile, wie z. B. eine kostspieligere Steuerung und Schnittstelle der physikalischen Schicht, komplizierte Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie einen Mehraufwand für die Echtzeitkommunikation (z. B. TSN). In der Frage Automotive Ethernet vs. CAN liegen die Vorteile des Ethernets klar auf der Hand.

Die Flexibilität von Ethernet über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs hinweg gewährt ihm einen Vorteil, da immer mehr Codezeilen zu den Fahrzeugmodellen hinzugefügt werden, um die Vielzahl von Infotainment-, Sicherheits-, Personalisierungs- und autonomen Fahrfunktionen sowie Over-the-Air-Updates zu unterstützen.

Es ist wichtig anzumerken, dass Ethernet nicht alle bestehenden Verbindungen wie CAN, CAN-FD, LIN oder FlexRay ersetzen wird, und wir werden noch viele Jahre lang eine Mischung aus verschiedenen Kommunikationsprotokollen und  -methoden sehen.

ANFORDERUNGEN AN DIE KOMMUNIKATION IM AUTOMOBILBEREICH

Die Steuerungs- und Kommunikationsmechanismen innerhalb eines Fahrzeugs sind sehr unterschiedlich hinsichtlich der Anforderungen an Bitraten, Latenzen, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Der verwendete Mechanismus muss in der Lage sein, die erforderlichen Anforderungen für verschiedene Arten von Funktionen zu erfüllen. Das Spektrum reicht von relativ geringen Leistungsanforderungen bis hin zu anspruchsvolleren Anwendungen und Diensten:

  • Ein vergleichsweise einfaches Steuergerät wie die Scheibenwischer oder Sitzsteuergeräte. Diese Geräte haben geringere Geschwindigkeitsanforderungen in der Größenordnung von Kilobit pro Sekunde und sind in Bezug auf Latenz, Sicherheit und Zuverlässigkeit nicht sehr empfindlich.
  • Ein Steuergerät für den Anschluss einer externen Kamera oder eines Sensors. Dies erfordert ausreichend Rechenleistung, um den Daten- oder Rohvideostrom auf höchstens einige Megabit pro Sekunde zu komprimieren. Während die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit moderat sind, sind die Anforderungen an die Latenz streng, da der Videostrom in Echtzeit beobachtet wird.
  • Kritische Sicherheitsfunktionen, wie ABS oder Servolenkung, bei denen die Anforderungen an Latenz, Sicherheit und Zuverlässigkeit extrem hoch sind. Jede unbefugte Nutzung dieser Funktionen muss verhindert werden, und die Akteure müssen im Falle eines Ausfalls in einen ausfallsicheren Modus übergehen.
  • Wartung wie Firmware-Updates von Steuergeräten. Dies stellt höhere Anforderungen an die Bitrate, um die Aktualisierung einigermaßen schnell zu machen, und an die Sicherheit, um sicherzustellen, dass keine Malware in die Steuergeräte gelangt. Während dies bereits eine Herausforderung bei der regelmäßigen Wartung im Autohaus ist, wird es bei Over-the-Air (OTA) Updates sehr kritisch, da die externen Kommunikationskanäle kompromittiert werden könnten.
  • Sicherheit. Dies muss eine systemweite Betrachtung sein, die die Kommunikation zwischen den Steuergeräten, die externe Kommunikation und alle auf den Steuergeräten ablaufenden Prozesse einschließt, mit besonderem Augenmerk auf Software-Update-Prozesse.

VERALTETE KOMMUNIKATIONSMEACHANISMEN IM AUTOMOBILBEREICH

Die Notwendigkeit, verschiedene Steuergeräte innerhalb eines Fahrzeugs miteinander zu verbinden, wurde in den 1980er Jahren erkannt. Fahrzeughersteller begannen mit proprietären Lösungen, da man davon ausging, dass die Interkonnektivität der Steuergeräte ein Differenzierungsmerkmal sei und es in der Branche an verfügbaren Standards mangelte. Während diese Lösungen später in den frühen 1990er Jahren in der Serienproduktion eingeführt wurden, führten die hohen Kosten, getrieben durch ein geringes Bauteilvolumen und ein allgemeines Desinteresse der Kunden, zu gemeinsamen Standardisierungsaktivitäten in der gesamten Fahrzeugindustrie, die gemeinsame kostengünstige Lösungen mit hohen Bauteilvolumina ermöglichten. Dies hatte den zusätzlichen Vorteil, dass die Aufmerksamkeit von Halbleiter- und anderen Komponentenherstellern geweckt wurde.

Controller Area Network (CAN)
Lokales Verbindungsnetz (LIN)
Media Oriented Systems Transport (MOST)
FlexRay
Controller Area Network (CAN)

CAN ist die am weitesten entwickelte Technologie für interne Kommunikationsnetze in Fahrzeugen. CAN ist ein Bussystem mit differentieller Übertragung, obwohl auch komplexere Topologien mit Stichleitungen implementiert werden können. Es bietet Geschwindigkeiten von 125 kbps bis 5 Mbps.

Lokales Verbindungsnetz (LIN)

LIN ist eine kostengünstige Alternative für einfache Anwendungen wie elektrische Fensterheber, Regensensoren oder Zentralverriegelung. LIN verwendet eine Ein-Draht-Übertragung, eine maximale Datenrate von 19,2 kbps und bis zu 16 Steuergeräte auf einem einzigen Bus.

Media Oriented Systems Transport (MOST)

Mit dem Aufkommen von Navigationssystemen, Fahrerunterstützungssystemen und ausgefeilten Komfortfunktionen stiegen die Anforderungen an das Infotainment in Fahrzeugen. MOST wurde als Mechanismus eingeführt, um all diese Funktionen zuverlässig und sicher zu integrieren und gleichzeitig die erforderlichen Bitraten zu ermöglichen.

FlexRay

Sicherheitskritische Funktionen wie Lenkung, Bremsen und Airbags erfordern einen äußerst zuverlässigen und sicheren Kommunikationsmechanismus mit strengen Zeitvorgaben. FlexRay definiert die Physical (PHY) und die Data Link Layer (DLL). Die Bruttodatenrate in FlexRay beträgt 10 Mbit/s und verwendet eine differentielle Übertragung über UTP. Die Anzahl der ECUS in einem einzelnen Zweig ist jedoch in der Regel auf 4 oder 5 begrenzt.

„Der Name Ethernet bezieht sich auf die historische Vorstellung vom Ether als dem Medium, in dem sich elektromagnetische Wellen ausbreiten.“

Automotive Ethernet

Alles ist Software (fast)

Automotive Ethernet ist die Lösung für die Anforderungen an einen immer höheren Durchsatz und höhere Bitraten sowie niedrige Latenzen und Flexibilität, die sich aus der zunehmend komplexen und bitratenintensiven internen und externen Kommunikation ergeben.

In den heutigen Fahrzeugen verwendet jede bisherige Technologie ihr eigenes Paketformat, ihre eigene Geschwindigkeit, ihr eigenes Medium, ihre eigenen Zugriffsmechanismen und Protokolle. Einige Steuergeräte müssen auf ihren Ports mehrere verschiedene Technologien unterstützen, was zu zusätzlicher Komplexität und Kosten führt, da die Volumina für die Komponenten auf mehrere Technologien aufgeteilt werden.

Im Gegensatz dazu hat sich Ethernet als äußerst flexibel erwiesen und lässt sich über einen Bereich von 10 Mbit/s bis hin zu 400 Gbit/s skalieren, wobei alles außer der physikalischen Schicht und den Geschwindigkeitsanforderungen der Implementierung unverändert bleibt. Dies ermöglicht eine nahtlose Layer-2-Vernetzung mit Hilfe von Brücken zwischen Netzwerksegmenten, selbst bei unterschiedlichen Ethernet-Versionen. Switches/Bridges haben in der Regel Autosensing-/Autonegotations-Ports, die sich an die Geschwindigkeitsklassen der angeschlossenen Systeme anpassen können. Es ist also keine Protokollkonvertierung erforderlich, wenn eine Installation mehrere verschiedene Varianten gleichzeitig verwendet.

Ein großer Teil des Entwicklungsaufwands ist in Steuergeräte mit alten Technologien geflossen. Die Automobilindustrie wird nicht auf ein reines Ethernet-Szenario ohne Zwischenschritte umsteigen. Es ist daher im Zuge des Wandels in der Automobilindustrie zunächst erforderlich, dass sowohl veraltete Protokolle als auch veraltete Technologien weiterhin unterstützt werden.

ZONALE ARCHITEKTUR

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AUTOMOTIVE ETHERNET TECHNOLOGIEN

Ethernet allein ist für die Automobilindustrie nicht geeignet. Daher stellt die Einführung von Ethernet im automobilen Umfeld eine Reihe einzigartiger Herausforderungen dar, insbesondere in Bezug auf die physikalische Schicht.

Im Vergleich zu anderen Branchen gibt es im Automobilbereich besondere Herausforderungen in Bezug auf Kosten und Umgebungsbedingungen – wie Temperatur, mechanische Belastung, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Reichweite. Um diese Herausforderungen zu meistern, wurde eine Familie neuer Ethernet-Versionen standardisiert, die den gesamten für die Automobilkommunikation relevanten Geschwindigkeitsbereich abdecken. Diese Versionen stellen stark vereinfachte und robuste Technologien dar, die ihrerseits in anderen Branchen eingeführt wurden, in denen die Robustheit und/oder die Kostenposition dieser Technologien einen Vorteil darstellen.

  • 100BASE-T1 - verwendet einzelne ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel mit einer maximalen Länge von 15 Metern. Die Brücke, die aus 4 Widerständen besteht, trennt, sendet und empfängt Richtungen auf jeder Seite der Verbindung.
  • 1000BASE-T1 - Mit dem Aufkommen von vernetzten und autonomen Fahrzeugen und immer ausgefeilteren Infotainment-Systemen hat der Informationsaustausch innerhalb eines Fahrzeugs rapide zugenommen. 100BASE-T1 wurde als Definition einer Gigabit-Ethernet-Technologie für den Einsatz in Fahrzeugen eingeführt.
  • 1000BASE-RH - verwendet Polymeric Optical Fiber (POF). POF ist immun gegen EMV-Probleme und bietet außerdem eine galvanische Isolierung.
  • 10BASE-T1S - eine kostengünstige Low-Speed-Ethernet-Lösung für I-Anwendungen, die nur sehr niedrige Bitraten für die Kommunikation benötigen.
  • MultiGBASE-T1 - eine Reihe neuer PHYs mit 2.5, 5 und 10 Gbit/s, die über Shielded Twisted Single Pairs (STSP) unterstützt werden, um hohe Bitraten und externe Kommunikation für KI-Auswertungen zu ermöglichen.

PoDL

Der Kabelbaum ist ein bedeutender Kosten- und Gewichtsfaktor in Fahrzeugen. Wenn die Anzahl der Kabel im Kabelbaum reduziert werden kann, sinken die Kosten und, was noch wichtiger ist, das Gewicht. Deshalb ist es sehr vorteilhaft, Datenkabel zur Stromversorgung von Steuergeräten ohne separates Stromversorgungsnetz verwenden zu können.

Bei Ethernet-Versionen für den Büro- oder Heimgebrauch ist Power over Ethernet (PoE) seit vielen Jahren verfügbar und versorgt Geräte wie drahtlose Zugangspunkte oder IP-Telefone mit Strom, bei denen die Bereitstellung dedizierter Stromversorgungen unpraktisch oder sogar unmöglich wäre.

Die Verwendung von Strom über die Automotive Ethernet-Versionen mit Twisted-Single-Pair-Kabeln ist vergleichsweise einfach. PoDL wurde von der IEEE als 802.3bu standardisiert.

MACsec

MACsec ist ein Sicherheitsstandard, der von IEEE als 802.1AE definiert wurde. Er arbeitet auf der Medium-Access-Control-Schicht und definiert verbindungslose Datenvertraulichkeit und -integrität für medienzugriffsunabhängige Protokolle. Das MACsec-Rahmenformat ist dem Ethernet-Rahmenformat ähnlich. Es enthält ein Sicherheitskennzeichen, das eine Erweiterung des EtherType ist, und einen Message Identification Code, der zur Authentifizierung einer Nachricht verwendet wird.

Audio Video Bridging (AVB)

AVB und TSN sind die beiden wichtigsten IEEE-Standards, die eine zuverlässige Echtzeit-Datenübertragung für Automotive Ethernet Anwendungen ermöglichen. Diese Art von Ethernet gibt Ingenieuren die Werkzeuge an die Hand, um Automotive-Netzwerke mit vorhersehbaren Latenzen und garantierter Bandbreite zu entwickeln. Die TSN-Hardwareunterstützung ermöglicht eine robuste, latenzarme und deterministisch synchronisierte Paketübertragung, um die Anforderungen der ISO 26262 für sicherheitskritische Steuerungssysteme wie Bremsen oder Lenkung zu erfüllen.

Diagnostics Over Internet Protocol (DoIP)

Diagnostics over IP ermöglicht wesentlich höhere Datenraten als CAN, was bei komplexen Diagnoseaufgaben und Flash-Applikationen ein großes Zeit- und Kosteneinsparungspotenzial mit sich bringt. Die Ethernet-basierte Kommunikation ermöglicht neue Konzepte in der Fahrzeugdiagnose, z. B. den direkten Fahrzeugzugriff vom Tester aus, und eine deutlich vereinfachte Integration der Diagnoseschnittstelle in die IT-Infrastruktur.

Higher layer Protocols

Mit der Einführung von Ethernet hat die Automobilindustrie auch IP für die Netzwerkschicht und TCP und UDP für die Transportschicht sowie einige andere Standardprotokolle übernommen. Nachstehend finden Sie eine Übersicht über die Protokolle für Automotive Ethernet.

Audio / video transport Time sync Automotive NM Diagnosis and flashing Control comm. Service discovery Address config. Address resolution, signaling, etc.
IEEE 1722 (AVB) IEEE 802.1AS (AVB) UDP-NM DoIP SOME / IP SOME / IP-SD DHCP ICMP ARP
UDP TCP and / or UDP UDP
IP
Ethernet MAC / IEEE DLL, 802.1Qx, VLANs
Ethernet PHY

WAS KOMMT ALS NÄCHSTES FÜR DAS AUTOMOTIVE ETHERNET?

Die Anforderungen an die Kommunikation im Fahrzeug und mit der Außenwelt haben sich dramatisch verändert.

Die Anzahl der Steuergeräte und die Komplexität ihrer Verbindung untereinander sind unüberschaubar geworden. Die Anforderungen in Bezug auf Kapazität und Sicherheit können nicht mehr allein durch die seit vielen Jahrzehnten eingesetzten veralteten Technologien erfüllt werden. Das vernetzte und autonome Fahren verschärft diesen Wandel.

Die Kunden fordern eine ähnliche Funktionalität und Qualität der Infotainmentsysteme, wie sie sie von ihren Home Entertainment Systemen und Smartphones kennen.

Die externe Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Umwelt nimmt zu und hat viele Facetten:

  • V2X als Kommunikation mit der Fahrzeugumgebung zu Sicherheitszwecken, Fernwartung wie Over-the-Air-Upgrades und vorbeugende Wartungsmaßnahmen
  • Menschliche Kommunikation wie Telefon- und Videoanrufe und Messaging

Die interne sicherheitskritische Kommunikation muss streng vor Angriffen geschützt werden, die über externe drahtlose Netze in das Fahrzeug gelangen.

Die Summe all dieser Anforderungen kann nur durch eine neu gestaltete Kommunikationsinfrastruktur erfüllt werden, die auf einer konsistenten, skalierbaren Technologie basiert, welche in der Lage ist, alle Kommunikationsbedürfnisse zu erfüllen, von der Interaktion mit der Steuerung bei niedriger Geschwindigkeit bis hin zur unkomprimierten Videoübertragung für Sicherheitsfunktionen in autonomen Fahrzeugen mit mehreren Gigabit pro Sekunde.

Die Automobilindustrie hat sich anderen Branchen angeschlossen, die bereits auf Ethernet als Standardkommunikationsmechanismus umgestellt haben. Ethernet kann die benötigte Bandbreite an Bitraten von 10 Mbit/s bis hin zu Hunderten von Gigabit pro Sekunde bereitstellen, wobei es die für die Echtzeitkommunikation erforderlichen geringen Latenzen bietet und kostenangepasste Lösungen für die verschiedenen Anwendungsszenarien ermöglicht, z. B. kostengünstige Kommunikation mit niedriger Bitrate zur Versorgung einfacher Steuergeräte bis hin zu hochentwickelten Hochgeschwindigkeitsanschlüssen von hochauflösenden Kameras.

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