Moderne Netzwerke bilden das Rückgrat von SDVs

Einleitung

SANJAY: Hallo. Willkommen zur ersten Folge der Podcast-Reihe „ Driving Innovation “ von Sonatus. Mein Name ist Sanjay Khatri, Leiter der Produktentwicklung. In dieser Reihe werden wir über die Technologien und Lösungen sprechen, die die Branche in Richtung softwaredefinierter Fahrzeuge (SDVs) vorantreiben. In dieser ersten Folge geht es darum, warum moderne Fahrzeugnetzwerke für diesen Schritt hin zu SDVs unverzichtbar sind. Man kann sogar sagen, dass sie das Rückgrat von SDVs bilden. Im Kern versprechen SDVs Fahrzeuge, die sich während ihrer gesamten Lebensdauer durch Software kontinuierlich verbessern und neue Funktionen erhalten. Nehmen wir an, ein OEM möchte eine „Autobahnmodus“-Funktion hinzufügen, bei der das Fahrzeug – sobald die Sensoren erkennen, dass Sie auf der Autobahn fahren – automatisch den bevorzugten Fahrmodus des Fahrers, die Sitzposition, die Audioeinstellungen und die Ambientebeleuchtung auswählt. Mit den heutigen Fahrzeugnetzwerken ist es eine Herausforderung, all diese Funktionen über die verschiedenen Domänen hinweg zu einem einzigen, einheitlichen Erlebnis zu verknüpfen – und sicherlich nichts, was nach der Produktion und dem Verkauf des Fahrzeugs noch möglich ist. Doch genau diese Art von personalisierten Erlebnissen sollen SDVs bieten. Wir brauchen eindeutig Netzwerke, die flexibel und vielseitig genug sind, um solche integrierten Erlebnisse zu ermöglichen. Ähnlich wie moderne Netzwerke es Cloud-Rechenzentren ermöglicht haben, verschiedene Systeme und Anwendungen wie Datenbanken, Benutzerkonten, Abrechnungssysteme, Messaging, Endbenutzer-GUI usw. zu einem nahtlosen E-Commerce-Erlebnis zusammenzuführen. Und da Fahrzeuge zunehmend wie Rechenzentren auf Rädern aussehen, ist ein ähnlicher Wandel hin zu modernen Netzwerkstandards und -praktiken erforderlich. Ich übergebe nun das Wort an meinen Kollegen James Murphy, der erläutern wird, welche konkreten Herausforderungen moderne Fahrzeugnetzwerke angehen und wie sie dies tun.

Herausforderungen und Einschränkungen bei den derzeitigen Fahrzeugnetzwerken

JIM: Vielen Dank für die Vorstellung, Sanjay. Mein Name ist Jim Murphy, und heute werde ich über einige der Herausforderungen und Einschränkungen der aktuellen Fahrzeugnetzwerke sowie über einige der Lösungen sprechen, die uns bei der Umstellung auf ein Ethernet-Backbone zur Verfügung stehen. Das erste Problem besteht darin, dass die Netzwerke statisch und fest verdrahtet sind, weshalb es sehr schwierig ist, neue Funktionen in die bestehenden Netzwerke zu integrieren. Das zweite Problem besteht darin, dass die Netzwerke isoliert sind, sodass die verschiedenen Domänen voneinander abgeschottet arbeiten und die Aussicht auf domänenübergreifende Anwendungen in dieser Umgebung stark eingeschränkt ist. Ein weiteres Problem bei bestehenden Netzwerken ist, dass die Bandbreite dieser Technologien schlichtweg nicht ausreicht, um moderne Sensoren wie beispielsweise Videokameras zu unterstützen, die eine hohe Bandbreite im Netzwerk erfordern. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, in einem Netzwerk mit begrenzter Bandbreite eine garantierte Dienstqualität für Echtzeitanwendungen zu gewährleisten. Auch die Sicherheit stellt ein Problem dar. Angesichts der Vielzahl unterschiedlicher Netzwerktechnologien im Fahrzeug sowie der vielen verschiedenen Sensoren, Aktoren und Geräte, die mit dem Netzwerk verbunden sind, gibt es zu viele Angriffsflächen, um das Fahrzeug wirksam zu schützen. Und bei all diesen unterschiedlichen Technologien ist es zudem sehr schwierig, ein einheitliches Sicherheitskonzept für das gesamte Fahrzeug umzusetzen. Das nächste Problem im Zusammenhang mit den aktuellen Fahrzeugnetzwerken betrifft deren physische Struktur. Es handelt sich um kostspielige, schwere und komplizierte Kabelbäume, da die Netzwerke selbst im gesamten Fahrzeug doppelt verlegt sind, was zu einer sehr schweren und in der Herstellung teuren physischen Infrastruktur führt. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Versuch, Verbindungen zwischen den Netzwerken herzustellen, um mehr domänenübergreifende Anwendungen zu unterstützen, die Komplexität der Verkabelung nur noch weiter erhöht. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Netzwerke selbst schwer zu überwachen, zu diagnostizieren und zu reparieren sind. Dies hängt auch mit der Vielfalt der Netzwerktechnologien und damit der Vielfalt der zu ihrer Diagnose erforderlichen Werkzeuge zusammen. Mit dieser Vielfalt geht zudem eine betriebliche Komplexität einher, die mit der Durchführung von Diagnosen im gesamten Fahrzeug verbunden ist.

Wie moderne Fahrzeuge diese Herausforderungen bewältigen

JIM: Wie gehen moderne Fahrzeugnetzwerke also mit diesen Herausforderungen um? Wir bewegen uns weg von einer Situation, in der wir für jeden Bereich eine eigene physische Infrastruktur haben, hin zu einer Situation, in der wir eine einzige physische Infrastruktur haben, die alle Bereiche im Fahrzeug unterstützt. Dadurch können wir die Verkabelungskosten des gesamten physischen Netzwerks senken, und außerdem wird die Verkabelung besser herstellbar, da die Leitungslängen der einzelnen Netzwerkkomponenten reduziert werden. Zweitens sind alle Steuergeräte (ECUs) von allen anderen ECUs aus über IP erreichbar. Dies ermöglicht den Einsatz von Anwendungen, die mehrere Domänen umfassen, da jede ECU Zugriff auf die Daten jeder anderen ECU hat – vorbehaltlich der Sicherheitsbeschränkungen, die wir gegebenenfalls anwenden möchten. Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass die Rechenleistung auf weniger Hochleistungs-ECUs zentralisiert werden kann. Was früher vielleicht auf einem dedizierten Prozessor in einer einzelnen Domäne lief, kann nun auf einem gemeinsam genutzten Prozessor ausgeführt werden. Auf diese Weise können wir dazu beitragen, einen Teil der Kosten für die Steuergeräte im Fahrzeug selbst zu senken. Außerdem sind wir in der Lage, eine serviceorientierte Architektur zu realisieren. Mit einer serviceorientierten Architektur können einzelne Anwendungen auf beliebige Dienste im gesamten Netzwerk zugreifen und somit die Anwendungen entsprechend der Verfügbarkeit dieser Daten implementieren. Wir ermöglichen zudem bestimmte Cloud-native Konzepte wie die Verteilung von Anwendungen oder den Lastausgleich über verschiedene Rechenressourcen im gesamten Fahrzeug hinweg. Die Anwendungen selbst werden unter Verwendung von Standard-IP-Technologie entwickelt, sodass wir viel vorhandene Technologie nutzen und im Fahrzeug einsetzen können. Beispielsweise könnte eine der Steuergeräte (ECUs) am Rand des Netzwerks oder im Fahrzeug selbst eine Art LED-Steuerung sein. Diese LED-Steuerung kann von einer zentralen Steuerung gesteuert werden, die auf einem der leistungsstarken Steuergeräte läuft und im Wesentlichen Videostreams an das LED-System überträgt, wodurch viele bekannte Technologien zur Unterstützung solcher Anwendungen wiederverwendet werden. Wenn wir nun all diese Daten auf eine einzige Infrastruktur verlagern, treten gewisse Probleme auf, da wir nun Daten unterschiedlicher Kritikalität vermischen: Echtzeitdaten werden mit Massendaten oder allgemeinen Daten vermischt, weshalb wir Protokolle benötigen, um damit umzugehen. Das IEEE hat die Standardisierung für zeitkritische Netzwerke vorangetrieben, was es uns ermöglicht, bestimmte Protokolle auszuführen oder bestimmte Techniken im Netzwerk zu nutzen, um Echtzeitverkehr neben anderem Datenverkehr mit niedriger Priorität zu unterstützen. Schließlich verfügen wir über hohe Bandbreiten – von 10BASE-T1S bis hin zu Gigabit-Ethernet – und können diese hohe Bandbreite nicht nur zur Unterstützung bandbreitenintensiver Geräte wie Videogeräte nutzen, sondern auch, um die Anforderungen an die Echtzeit-QoS zu erfüllen.

Sicherung von Netzwerken mit MACsec

JIM: Wie bereits erwähnt, haben wir nun ein neues Sicherheitsproblem im Fahrzeug, da viele verschiedene Geräte mit dem Netzwerk verbunden sind und Netzwerkressourcen nutzen. Und wenn das Netzwerk nicht gesichert ist, setzen wir uns Risiken in Bezug auf Sicherheit, Datenschutz und Diebstahl aus. Glücklicherweise blickt Ethernet auf eine lange Tradition im Bereich der Sicherheit zurück und nutzt hierfür ein Protokoll namens MACsec, auch bekannt als IEEE 802.1AE – eine bewährte Sicherheitslösung, die in bestehenden kabelgebundenen Netzwerken zum Einsatz kommt. Es gewährleistet Integrität und Vertraulichkeit und verhindert unbefugten Zugriff. Es sichert LAN-Segmente. Es handelt sich nicht um eine End-to-End-Technologie. Daher erstellt jedes LAN-Segment eine sogenannte „Connectivity Association“, die aus einer Reihe von Kanälen besteht, wobei es für jeden Sender in diesem Segment einen eigenen Kanal gibt. Wenn MACsec in einem dieser Segmente eingesetzt wird, können die Daten im Netzwerk nicht abgehört werden, und ihre Integrität ist gewährleistet – das bedeutet, dass sie nicht von einem anderen Gerät gefälscht werden können. Darüber hinaus kann ein Gerät ohne Authentifizierung keinen Zugriff auf das Netzwerk erhalten. MACsec nutzt 802.1X für die Authentifizierung, Autorisierung und Schlüsselverwaltung. 802.1X ist ebenfalls eine bewährte Sicherheitslösung, die beispielsweise in Wi-Fi-Umgebungen von Unternehmen weit verbreitet ist. Mit 802.1X lässt sich die Authentifizierung oder Identität jedes Geräts feststellen, das sich mit dem Netzwerk verbindet. Dies eröffnet bestimmte Möglichkeiten für identitätsbasiertes Networking – ein Konzept, bei dem Richtlinien auf der Grundlage der Identität auf Geräte angewendet werden können. Darüber hinaus bieten Ethernet-Switches zusätzliche Sicherheitsfunktionen wie Zugriffskontrolllisten, die auf authentifizierte Clients angewendet werden können, um sicherzustellen, dass diese nur Datenverkehr erzeugen, der für die Übertragung im Netzwerk genehmigt wurde. Das Netzwerk bietet zudem Unterstützung für Anwendungen mit unterschiedlichen Kritikalitätsstufen.

Gemischte Kritikalität

JIM: Was bedeutet „gemischte Kritikalität“ eigentlich? Oder was ist kritischer Datenverkehr? Kritischer Datenverkehr ist Datenverkehr, der im Wesentlichen in Echtzeit erfolgt, was bedeutet, dass er mit hoher Priorität, geringer Latenz und mit sehr geringen oder gar keinen Verlusten übertragen werden muss. In einem Ethernet-Netzwerk erreichen wir dies, indem wir die Tatsache nutzen, dass wir über eine ausreichende Bandbreite verfügen, um den gesamten Hochleistungs- oder Echtzeit-Datenverkehr zu unterstützen, und diesen Datenverkehr am Eingangseingang regulieren, um sicherzustellen, dass stets Bandbreite für die Übertragung des Datenverkehrs mit hoher Priorität verfügbar ist. Anschließend installieren wir an jedem Ausgangspunkt des Netzwerks einen Scheduler – dies kann ein kreditbasierter oder ein zeitbewusster Scheduler sein –, der den Datenverkehr so plant, dass er Vorrang vor jeglichem anderen „Best-Effort“-Datenverkehr im Netzwerk erhält. Dies trägt dazu bei, die Latenz auf einem niedrigen Wert zu halten. Das kann jedoch nicht gut funktionieren, wenn wir den Datenverkehr nicht tatsächlich klassifiziert haben. Darüber hinaus müssen wir den Datenverkehr überwachen: Beim Eintritt in das Netzwerk wird der Datenverkehr anhand verschiedener Paketfelder als Datenverkehr mit hoher Priorität klassifiziert, und anschließend überwachen wir den Datenverkehr, um sicherzustellen, dass er innerhalb der Bandbreite bleibt, die wir für diesen bestimmten Datenfluss zugewiesen haben. Anschließend wird der Datenverkehr natürlich am Ausgang aller Schnittstellen unter Berücksichtigung der Priorität so terminiert, dass die Latenz auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Damit all dies funktioniert, benötigen wir ein zentral verwaltetes Netzwerk. Der Grund für diese zentrale Verwaltung liegt darin, dass das Netzwerkmanagement alle TSN-Flows innerhalb des Netzwerks kennen muss. Es muss das Netzwerk also ganzheitlich bereitstellen.

Zentralisierte Netzwerkverwaltung

JIM: Zweitens benötigen wir eine dynamische Netzwerksteuerungsebene. Dies ermöglicht es uns, das Versprechen des softwaredefinierten Fahrzeugs einzulösen, bei dem wir das Netzwerk jederzeit aktualisieren können, sobald neue Anwendungen hinzukommen oder Probleme im Einsatz festgestellt werden und wir das Verhalten des Netzwerks entsprechend anpassen möchten. Allerdings wird dies kein typisches softwaredefiniertes Netzwerk sein, wie wir es aus heutigen Rechenzentren kennen, denn ein Fahrzeug unterliegt bestimmten Sicherheits- und anderen kritischen Anforderungen, sodass wir die Konfiguration nicht einfach jederzeit ändern können. Daher muss dies auf eine Weise geschehen, die sicher ist, und es muss zudem so erfolgen, dass die bestehenden strengen Anforderungen an die Startzeit des Fahrzeugs eingehalten werden. Das Fahrzeug selbst und sein Netzwerk müssen cloudgestützt verwaltet werden, denn ohne eine solche Verwaltung ist es, wie Sie wissen, sehr schwierig, das Fahrzeug im Einsatz zu aktualisieren. Darüber hinaus können wir durch das zentralisierte, cloudverwaltete Netzwerk auch die Diagnose vereinfachen, da der Netzwerkcontroller im Fahrzeug alle Datenströme im Netzwerk versteht und weiß, über welche Switches sie laufen; sollten Probleme auftreten, können wir anhand dieser Konfiguration ermitteln, von welchen Switches wir welche Statistiken erfassen müssen, um das Problem zu beheben. Außerdem können wir verschiedene Maßnahmen durchführen, wie beispielsweise die Überprüfung von Paketflüssen, das Abhören des Netzwerks und die Analyse dieser Informationen.

Fazit

SANJAY: Danke, Jim. Wie Sie also sehen können, können moderne Fahrzeugnetzwerke vieles von dem leisten, was softwaregesteuerte Fahrzeuge eigentlich erreichen sollen, nämlich den Kunden ein nahtloses Erlebnis zu bieten, bei dem domänenübergreifende Anwendungen den Endnutzern ein ganzheitliches Erlebnis ermöglichen. Was sind also die Vorteile für die OEMs und die Verbraucher? Zunächst einmal profitiert der OEM von einfacheren, kosteneffizienten Netzwerken, die es ihm ermöglichen, neue Funktionen hinzuzufügen und Änderungen am Fahrzeug – sogar nach der Produktion – auf sehr effiziente und kostengünstige Weise vorzunehmen. Für den Endverbraucher bedeutet dies, dass er dank domänenübergreifender Funktionen – sei es ADAS, das IVI oder der Antriebsstrang – ein nahtloses Erlebnis im gesamten Fahrzeug genießt, wobei all diese Elemente zu personalisierteren, sichereren und komfortableren Erlebnissen kombiniert werden. Damit ist unsere erste Folge von „ Driving Innovation “ beendet. Bleiben Sie dran, denn in den nächsten Folgen werden wir einige dieser Themen noch tiefer beleuchten. Vielen Dank.