2021年05月18日 | RELY-TSN-REC：汽车网络中融合以太网的有效解决方案

在未来的几年里，汽车线束将从不同协议的异构网络转向分层的同质以太网网络。在这种新的情况下，实验室试验台，反映真实的车辆网络，将需要分析工具，能够支持他们在验证过程中的车内通信。

1.以太网融入到汽车网络中的理论基础

汽车内部的技术变得越来越复杂，联系也越来越紧密。汽车内部最新的应用和功能正在提高带宽、降低延迟、同步、高可用性、QoS和降低成本的要求。当前和传统的汽车中最常用的协议（即CAN、LIN、most、FlexRay等）不足以满足这些即将到来的需求。在这种情况下，以太网显然是IVN（In-Vehicle Network）的领头羊，因为它与前面提到的其他协议相比有许多优势（请参阅下一个比较表作为参考）。

表1：汽车常用协议简单比较

与许多其他行业（航空航天、铁路、工业自动化等）一样，汽车行业也实现了向以太网的融合。预计2019年汽车市场的以太网市场将从2024亿美元增长到20.24亿美元。同样，根据Frost&Sullivan的数据，到2022年，汽车以太网端口的总数预计将高于所有其他以太网端口的总和。

2.汽车IVN架构

在过去，汽车的电子系统被划分为几个领域（主要是动力传动系统、底盘、车身、舒适性和诊断）。但近些年又出现了许多新的领域，如信息娱乐、驾驶员辅助、车内体验、C-V2x、fog和云后端等。

图2“中央网关”+“域控制器”架构

在传统汽车IVN中，每个域都有一个独立的控制，基于一个专用的ECU（电子控制单元），每个域内具有特定的主要功能。现如今，各个域之间的交互和依赖性要多得多，但它们通常仍然是具有独立的控制系统。此外，由于遗留问题，大多数传统域内的通信仍然基于非以太网协议。因此，“中央网关+域控制器”是成为未来车辆最常用的架构之一。

如上图所示，这种基于中央网关的新型体系结构需要一个基于以太网的主干网（所谓的“聚合骨干网”），连接分布在整个汽车网络的所有不同域。该中央网关是一种以太网多端口路由器/交换机，具有附加的车辆控制级功能。同时，有一个特定于域的网关将每个域与以太网主干网连接起来。当域内的协议也是以太网时，该域网关就成为域交换机中的一个，因为它以某种方式作为常规以太网交换机运行。

在接下来的几年里，汽车线束将从不同协议（CAN、LIN、MOST、FlexRay等）的异构网络转变为分层的同质以太网网络。

3.    面临的挑战

汽车E/E系统的一家Tier1公司正在开发一种新的域网关，用于将驾驶员辅助和信息娱乐域连接到车内的聚合主干网。这两个域使用一个域网关，因为它们都属于一个单一的汽车宏功能，即ADAS高级驾驶员辅助系统服务。

这些域内使用的协议是以太网，支持AVB（音视频桥接）。因此，在这种情况下，域网关扮演多端口以太网交换机的角色，具有特定和应用程序定制的功能，例如以太网AVB支持。AVB over Ethernet是IEEE802.1规范的一组扩展，支持本地以太网网络传输时间和丢失敏感的音频/视频数据。

图3：多端口以太网域网关

在域网关的验证过程中，在反映真实车辆网络的试验台上缺少了以下特定功能：

① 能在试验台上记录流量，以便向域网关的仿真模型提供可能的最真实的流量；

② 能够在特定条件下记录特定帧/包。例如，假设在IEEE802.1AS协议下记录某个时间标记之后的所有IEEE802.1Qat帧。Qat和AS是IEEE802.1规范的两个扩展，定义了流保留和定时同步。

为了能够实现这些目的，不仅需要能够记录通信数据量，而且还需要记录任何数据包的时间戳，并且能够实时地、动态地过滤和解析网络部分中的底层流量。

4.    解决方案

为了能够解决汽车行业的需求，虹科推出了RELY-TSN-REC，这是一个高度专业化的分析工具，用于捕获以太网流量，并且可以为所有存储的报文记录时间戳。

图4：RELY-TSN-REC

这个独立设备嵌入了过滤、记录时间戳以及捕获复杂以太网网络流量这些功能的逻辑，而仅仅在一个性价比高且高度集成的小模块中。对于本文档中描述的特定用例，RELY-TSN-REC将以抽头的形式安装在“测试中网络”网络链路中，允许通过其服务端口同时远程检索记录的流量（PCAP格式）。

图5：RELY-TSN-REC TAP 配置

5.    结论

第一个结论是，以太网融合已经成为现实，在汽车网络中也是如此。此外，对汽车网络中新设备的验证和集成提出了新的需求：

① 一致性测试：其目的是验证协议遵从性和互操作性。汽车堆栈和组件的TCP/UDP/IP一致性测试；

② 协议验证和性能测试：这里的主要目的是验证基于数据平面的应用程序性能，以及较低级别的同步平面精度和行为；

③ 中央网关和域网关以太网交换功能测试：AVB能力、Qos的预期包丢失、带宽和延迟、链路故障后的切换和收敛时间以及某些节点行为不当情况下的行为等。

将这些需求纳入更准确的要求中：

① 能检测到网络中传输的实时流量；

② 能够过滤实时传输的流量；

③ 能收集实时数据，根据车辆网络同步协议（例如，IEEE 802.1AS）标记时间戳；

④ 根据多个可配置的用户定义事件触发数据捕获操作；

⑤ 将数据保存到内部数据记录器，然后传输到PC以执行后分析任务。

图6：触发器菜单中RELY-REC condition和action配置示例

虹科的独立设备记录仪RELY-TSN-REC符合上述所有功能。此外，它是一个支持TSN的设备，可以升级到TSN，这是汽车IVN网络的下一阶段。

在关键系统中，能够在帧级分析网络通信以进行测试和取证是至关重要的。此外，该分析的有效性将受到基础设施将帧与公共时间参考关联的能力的限制。虹科的RELY-TSN-REC就能做到解决以上需求，这是一种能够对常规以太网和高可用性以太网流量进行检查和记录时间戳的设备，使用与分析中的网络相同的PTP定时基准。该设备的一些主要优点是其对任何用例的适应性，由于其具有多媒体多速率以太网端口，基于SFP模块，支持汽车行业使用的最广泛的接口。

该设备包括一个强大的触发工具，允许根据嵌套条件（和或）定义触发器，并将多个操作链接到一个触发器。

支持多种输入类型条件（模拟/数字输入信号、来自第三方系统的警报和信号、时间安排、同步丢失、数据包检查），连接到输出操作（流量记录、电子邮件通知、SNMP陷阱、系统日志消息、警报输出）。

为了简化对存储流量的访问，RELYREC支持可配置的过滤器，以实现存储优化和高效监控。这些过滤器可以由最终用户根据Wireshark语义进行定制，也可以使用基于第2层和第3层的预定义字段。

此外，RELY-REC允许通过服务端口同时远程访问内部存储的记录。设备中的时间戳事件日志简化了触发器与相应记录的关联。