Die Bedeutung der Netzwerktechnologie
in der Automobilindustrie
Sonatus Ich habe Ende März den Automotive Ethernet Congress in München besucht, an dem mehr als 1.000 Teilnehmer, Referenten und Aussteller aus 26 Ländern teilnahmen. Die Veranstaltung nutzte die Dynamik, die das Automotive-Ethernet-Ökosystem antreibt. Seit ich mich intensiv mit der Welt der Automobiltechnik beschäftige, geht mir der Gedanke „Software is eating the world“ nicht mehr aus dem Kopf – allerdings würde ich diesen Satz vielleicht eher so umformulieren: „Das Netzwerk isst die Welt.“ In Fahrzeugen sind die Softwarefunktionen, die bisher in isolierten Komponenten angesiedelt waren, nun mit anderen Softwarefunktionen vernetzt – einige davon zentralisiert, andere in der Cloud und möglicherweise weitere in benachbarten Fahrzeugen. Die Auswirkungen auf Dienste und Anwendungen sind tiefgreifend. Dies übt enormen Druck auf das Netzwerk aus, was Dienstqualität, Bandbreite, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Stromverbrauch und Kosten angeht. Der Automotive Ethernet Congress bot die Gelegenheit zu sehen, wie diese „verschlungene Welt“ durch den Einsatz von Ethernet-Technologie entstehen könnte. Hier sind drei wichtige Erkenntnisse:
1. Der Aufbau leistungsfähiger Fahrzeugnetzwerke wird von entscheidender Bedeutung sein
Die Ethernet-Technologie ist der Standard für das kabelgebundene Internet, sowohl im öffentlichen als auch im privaten Bereich. Das bisherige Fahrzeugnetzwerk umfasst jedoch mehrere alternative Technologien, darunter CAN und Flexray. Diese Technologien weisen für Fahrzeugnetzwerke vorteilhafte Eigenschaften auf, da sie niedrige Kosten mit deterministischer Leistung verbinden. Da wir jedoch bestrebt sind, Internet- und Cloud-Technologien im Fahrzeug einzuführen, weisen diese älteren Netzwerke Probleme hinsichtlich MTU, Bandbreite, Effizienz, Redundanz und QoS auf.
Der 10BASE-T1S-PHY behebt Probleme, die mit bestehenden Ethernet-PHYs verbunden sind, und stellt gleichzeitig kostengünstigen Steuergeräten den Ethernet-MAC zur Verfügung. Dadurch wird eine Konnektivität auf Netzwerkebene im gesamten Fahrzeug gewährleistet, ohne dass Gateways oder Tunneling-Verfahren erforderlich sind. Die serviceorientierte Architektur kann nun alle Steuergeräte direkt in einer flachen Architektur verbinden, die auch Cloud- und Connected-Vehicle-Dienste umfassen kann.
10BASE-T1S spezifiziert ein einzelnes verdrilltes Paar, ähnlich wie beim Halbduplex-10BASE-T. Es kann CSMA/CD nutzen, verfügt aber auch über einen TDMA-Mechanismus, der sehr bandbreiteneffizient ist. Dieser Modus wird als PLCA (PHY Level Collision Avoidance) bezeichnet. Das Schöne an PLCA ist, dass die einer Station zugewiesene Zugriffsperiode mit 20 Bit sehr kurz ist, sich aber auf die tatsächliche Länge der Daten ausdehnt, wenn Daten zu senden sind. Eine Station wartet auf ihre Zugriffsperiode und sendet dann. Sobald die Station gesendet hat, öffnet sich die Sendechance für die nächste Station für 20 Bit; wenn nichts zu senden ist, werden nur 20 Bit verschwendet. Es gibt keine zufällige Backoff-Periode, sodass die Leistung des Netzwerks im ungünstigsten Fall deterministisch ist, sofern die Anzahl der Knoten bekannt ist. Ein Netzwerk mit 8 Knoten ist sehr effizient (99,5 %), wenn alle Knoten senden müssen; und bei Frames von minimaler bis maximaler Größe liegt die Effizienz zwischen 78,3 % und 98,7 %, wenn nur ein Knoten sendet.
Da die Netzwerkschicht nun auch kostengünstigere Steuergeräte (ECUs) umfasst, gewährleistet die Fahrzeugsoftware „Sonatus “ die ordnungsgemäße Konfiguration dieser Netzwerke, um die Anforderungen der jeweiligen Anwendungen hinsichtlich Bandbreite, Dienstqualität (QoS) und Stromversorgung zu erfüllen.
2. OEMs benötigen energieeffiziente Netzwerke für das Zeitalter der Elektrofahrzeuge
Im Fahrzeugnetzwerk herrschen asymmetrische Datenverkehrsmuster vor. Kameras und Displays weisen eine hohe Asymmetrie auf, da eine Kamera große Mengen an Videodaten sendet, aber nur sehr wenige Daten empfängt (hauptsächlich Steuerdaten). Displays empfangen große Datenmengen, senden aber nur sehr wenige. In beiden Fällen sind hohe Bandbreiten erforderlich.
Daher sind OEMs gezwungen, Verbindungen mit hoher Bandbreite zwischen Knoten und Switches zu installieren, bei denen die Bandbreite nur in einer Richtung vollständig genutzt wird. PHYs verbrauchen Energie, was bei Elektrofahrzeugen, bei denen Energieeffizienz im Vordergrund steht, ein Problem darstellen kann. Der Betrieb des PHY ohne Datenübertragung ist reine Energieverschwendung.
EEE ist eine IEEE-802-Technologie, die zur Lösung dieses Problems entwickelt wurde. Die Grundidee besteht darin, die PHY über einen bestimmten Zeitraum hinweg nur für einen Bruchteil der Zeit zu betreiben. Um Ethernet besser für asymmetrische Datenraten zu optimieren, wird eine neue Ethernet-PHY namens ASA 2.0 vorgeschlagen. Um die Vorteile dieser Optimierung nutzen zu können, sollte die PHY entsprechend den erwarteten asymmetrischen Datenraten konfiguriert werden. Eine SDN-Lösung eignet sich gut für dieses Problem, da die Anforderungen an den Netzwerkverkehr ohnehin bereits zur Lösung von QoS- und Zuverlässigkeitsproblemen benötigt werden und diese Informationen zur Lösung von Energieverwaltungsproblemen genutzt werden können.
3. Eine agile Softwarearchitektur ist notwendig
Um die Bedeutung des Ethernet-Switching im modernen Fahrzeug hervorzuheben, entwickelt AutoSAR ein Datenmodell für die Konfiguration von Ethernet-Switches. Das Modell ist auf einer niedrigen Ebene beschrieben und befasst sich mit grundlegenden Switch-Objekten. Daher muss eine Anwendung entwickelt werden, um die Konfiguration zu erstellen und auf dem Switch zu implementieren. Bei mehreren Switch-Netzwerken, wie beispielsweise in einer Zonenarchitektur, wäre die Anwendung dafür zuständig, Konfigurationen für jeden Switch zu erstellen und diese entsprechend zu verteilen.
Sonatus hat die Switch-Konfiguration mithilfe von Switch-Richtlinien sowohl in Architekturen mit einem einzelnen Switch als auch in Zonenarchitekturen demonstriert. Zwar ist die Unterstützung des AutoSAR-Modells möglich, doch verwendet „ Sonatus “ derzeit IEEE-YANG-Modelle, um geeignete Konfigurationen für die Switches zu generieren. AutoSAR und IEEE scheinen konkurrierende Standards für Konfigurations- und Überwachungsmodelle von Ethernet-Switches zu entwickeln. Es ist wahrscheinlich, dass es branchenweit zu einer Mischung verschiedener Ansätze kommen wird, sodass eine agile Softwarearchitektur erforderlich sein wird, um auf diesem Markt erfolgreich zu sein.
Der Weg in eine automatisierte Zukunft
Der Automotive Ethernet Congress verdeutlichte die wachsende Bedeutung der Netzwerktechnologie in der Automobilindustrie. Da Fahrzeuge immer vernetzter und automatisierter werden, gewinnen die Dienstgüte, Bandbreite, Zuverlässigkeit, Sicherheit, der Stromverbrauch und die Kosten des Netzwerks zunehmend an Bedeutung. Mit den Fortschritten in der Ethernet-Technologie bewegt sich die Branche auf eine stärker vernetzte und automatisierte Zukunft zu, und die Automobilhersteller müssen neue Architekturen implementieren, um den Wandel hin zu softwaredefinierten Fahrzeugen zu beschleunigen.
→ Erfahren Sie mehr über den „Ethernet Network Manager“ v Sonatus, eine Komponente der „ Sonatus Foundation Network Services“.
James Murphy
Technischer Mitarbeiter, Sonatus
contact@sonatus.com