來源：英飛凌汽車電子生態圈

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乙太網已經漸漸地變成了車身通訊必不可缺的成員之一。

文章會從瞭解現今對車載網路（In-Vehicle Network）的應用需求開始，看看車載乙太網是怎樣通過自身強大的網路功能，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，同時最後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乙太網路和時間敏感網路的各方面需求。

2. 車載乙太網概覽

2.1 車載網路的應用需求

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，其中汽車在智慧化和電子化這兩方面的改進就更為急速。

汽車智慧化最具體的功能就是自動駕駛、智慧底盤、智慧座艙等；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路需求帶來了什麼改變。

1. 頻寬要求

自動駕駛應用帶來了大量數據資料如影像資訊，雷射雷達資訊，毫米波雷達資訊的傳輸要求。

娛樂系統對頻寬要求主要發生在大量的影像類資源經網路傳到不同的 ECU 上。

2. 即時性和可靠性要求

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。

可靠性如網路設計上是否支援故障處理和冗餘處理。

3. 成本要求

車身上的電子化啟動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. 網路安全要求

自動駕駛的使用和汽車電子化帶來裝置發展出具備從網路接收命令和執行行動，如果網路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資訊、雷射雷達資訊、毫米波雷達資訊及各種車身感測器等，這些都需要大量資料傳輸，因而大大增加了對頻寬的要求。這些影像資訊或雷射雷達資訊如果需要以原始資料方式傳送到自動駕駛晶片進行處理的話，那些應用頻寬都是以 Gbps 為單位，而高解析度的毫米波雷達也都需有超過 1Gbps 的要求，但其他的感測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資料傳輸，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 即時性和可靠性要求

自動駕駛的實現上也會對網路的即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晶片；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，如網路設計上是否支援故障處理和冗餘處理等。

2.1.3 網路安全要求

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路，這些裝置都可以具備從網路接收命令和執行行動。如果網路傳輸被惡意攻擊或控制便會出現很嚴重的安全問題，所以網路安全也開始成為車載網路的基本要求了。

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佈到車上不同的位置。除了裝置本身佔用的空間問題外，還在車身上產生大量的連線，如何設計使用這些連線，包括網路通訊，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網域控制站（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網域控制站（Zone gateway／controller）。多個區網域控制站和中央控制器（Central controller）之間再互相連接，這樣裝置只需要連接到最近區網域控制站上，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網域控制站，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路和軟體架構都帶來了改革，車載網路有可能從異質網路（Heterogeneous network）走向同質網路（Homogeneous network），軟體架構也會住面向服務架構（SOA）方向發展。

2.2 不停改進的車載乙太網技術

車載乙太網提供了多樣的協定和設備標準，適用於車載網路的各種應用。在接下來的部分中，我們將探討車載乙太網在各種層面上是怎樣有效地對應車載網路的種種特別要求和解決應用上的各種痛點。

2.2.1 全方位的網路介質對應方案

車載乙太網支援多種實體層標準，以下是列出一些有關的主要標準：

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

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

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

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

這些標準滿足對網路頻寬的不同要求，能有效地對應不同車載網路對高低頻寬的使用要求，從而提供了達成同質網路的可行方案。這樣可以減少因為使用異質網路區時，網域控制站在進行資料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佔用硬體資源問題。

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。

2.2.2AVB 和 TSN 的支持

即時的傳輸要求在最早的乙太網路設計上並非主要考慮，但因為之後出現不同使用上的需要，乙太網路也不斷地出現了一些新的標準，當中的 AVB 和 TSN 協定就被廣泛應用在車載網路上。

2.2.2.1 AVB 協議

為應付即時的影視音訊要求（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 網路通訊協定及 AVB 協議，主要適用於車載網路通訊協定如下：

IEEE 802.1Qav-2009

（Queuing and Forwarding for AVB Bridges）

定義規則以確保優先順序流將在預留中指定的延遲內通過網路。

IEEE 802.1Qat-20210

（Stream Reservation）

預留協定用於通知路徑中的各個網路節點預留支援特定流所需的資源。

IEEE 802.1AS-2011

（Timing and Synchronization for Time-Sensitive Application）

協定提供在網路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路時鐘。

2.2.2.2 TSN 協議

雖然 AVB 協定提供了音訊/視頻使用的解決方案，但它並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，主要適用於車載網路通訊協定如下：

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 實現幀搶佔，把幀分為快速幀（即時幀 time-critical）和可被搶佔幀（即盡力而為幀 best-effort）。實現幀搶佔的優點是減少即時幀的延遲，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佔它。

IEEE 802.1Qci-2017

（Per-Stream Filtering and Policing）

該標示能通過阻止流或埠來進行錯誤檢測和緩解並遏制錯誤，以便錯誤不會在網路上傳播，從而提高網路可靠性。

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路路徑上提供幀複製和傳輸，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 支援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 協定都能有效滿足車載網路對即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 網路中採用現有的 IEEE 安全機制。其中 MACsec IEEE 802.1AE-2018 協議為車內 ECU 交換的資料提供鏈路到鏈路加密和保護，並添加安全標記、完整性檢查值、資料包編號欄位和加密。該協定定義了資料封裝、加密和認證的框架格式，應用 IEEE Std 802.1X 協定提供 Peer-to-Peer 方式金鑰建立機制，實體地保護整個或部分網路的安全。

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 隱私保護封裝協定及其與 MAC 安全協定（MACsec）的結合使用，以隱藏使用者資料幀的源 MAC 位址和目標 MAC 位址，並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 對網路通訊協定應用的強大支援

車載乙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。使用乙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路和應用協定。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. 全面支援乙太網路的 AURIXTM TC4x

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

3.1 AURIXTM 對乙太網路的支援

AURIXTM TC4x 架構增強了安全性和連線性。

1 高速和時效性的 Gigabit Ethernet GETH（ETHMAC）

支援高達 2x5GBit 乙太網，包括橋接器，乙太網埠支援 IEEE 802.1 AVB 和 TSN 協定的硬體要求。

2 廣泛性的 Lite Ethernet（LETH）

支援 4x10/100MBit 乙太網速度，另外還支援了 10Base-T1S 標準，把乙太網的應用範圍延伸到一些傳統 ECU 需要的低速資料通訊領域。

3 安全的 Cyber Security Satellite（CSS）

用於安全 CAN / 乙太網通信的 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）以及硬體定義汽車（Hardware-defined cars）到軟體定義汽車（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，車載乙太網在車載網路的滲透率對會不斷提升。

通過利用新一代 AURIXTM TC4x 對乙太網和安全網路的各種功能，説明汽車行業 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畫。

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