Les réseaux modernes constituent l'épine dorsale des SDV

Introduction

SANJAY : Bonjour. Bienvenue dans le premier épisode de la série de podcasts « Driving Innovation » (Les SDV : la révolution des véhicules définis par logiciel) sur Sonatus. Je m’appelle Sanjay Khatri, responsable produit. Dans cette série, nous aborderons les technologies et les solutions qui font évoluer le secteur vers les véhicules définis par logiciel (SDV). Dans ce premier épisode, nous verrons en quoi les réseaux embarqués modernes sont essentiels à cette transition vers les SDV. En effet, on peut même dire qu’ils constituent l’épine dorsale des SDV. À la base, les SDV promettent des véhicules qui s’améliorent en permanence et intègrent de nouvelles fonctionnalités via des mises à jour logicielles tout au long de leur cycle de vie. Imaginons qu’un constructeur automobile souhaite ajouter une fonctionnalité « mode autoroute » : lorsque les capteurs du véhicule détectent que vous roulez sur une autoroute, le système sélectionne automatiquement le mode de conduite préféré du conducteur, la position du siège, les réglages audio et l’éclairage d’ambiance. Avec les réseaux automobiles actuels, relier toutes ces fonctions issues de différents domaines pour en faire une expérience unique et unifiée représente un véritable défi, et n’est certainement pas quelque chose qui peut être réalisé après la production et la vente du véhicule. Or, c’est précisément le type d’expériences personnalisées que les SDV sont censés offrir. Nous avons clairement besoin de réseaux suffisamment flexibles et polyvalents pour offrir ce genre d’expériences intégrées. Tout comme les réseaux modernes ont permis aux centres de données cloud de regrouper différents systèmes et applications – tels que les bases de données, les comptes utilisateurs, la facturation, la messagerie, les interfaces graphiques destinées aux utilisateurs finaux, etc. – au sein d’une expérience de commerce électronique fluide. Et à mesure que les véhicules commencent de plus en plus à ressembler à des centres de données sur roues, une évolution similaire vers des normes et pratiques de mise en réseau modernes s’impose. Je cède maintenant la parole à mon collègue James Murphy, qui va vous présenter les défis spécifiques auxquels les réseaux automobiles modernes doivent faire face, ainsi que les solutions apportées.

Défis et limites des réseaux de véhicules actuels

JIM : Merci pour cette présentation, Sanjay. Je m’appelle Jim Murphy, et aujourd’hui, je vais vous parler de certains des défis et des limites des réseaux automobiles actuels, ainsi que de quelques-unes des solutions dont nous disposons dans le cadre de notre transition vers une infrastructure Ethernet. Le premier problème réside dans le fait que ces réseaux sont statiques et câblés ; il est donc très difficile d’y intégrer de nouvelles fonctionnalités. Le deuxième problème réside dans le fait que les réseaux sont isolés : les différents domaines fonctionnent donc de manière cloisonnée, ce qui limite considérablement la possibilité de mettre en place des applications multidomaines dans cet environnement. Un autre problème lié aux réseaux existants est que la bande passante offerte par ces technologies est tout simplement insuffisante pour prendre en charge les capteurs modernes, tels que les caméras vidéo, qui nécessitent une bande passante élevée sur le réseau. De plus, il est très difficile de garantir une qualité de service pour les applications en temps réel sur un réseau à bande passante limitée. La sécurité pose également un problème. Avec autant de technologies réseau différentes dans le véhicule, ainsi que tant de capteurs, d’actionneurs et d’appareils divers connectés au réseau, les vecteurs d’attaque sont trop nombreux pour permettre de sécuriser efficacement le véhicule. Et avec toutes ces technologies disparates, il est également très difficile de mettre en place un cadre de sécurité uniforme à l’échelle du véhicule. Le problème suivant lié aux réseaux automobiles actuels concerne leur conception physique. Il s’agit de faisceaux de câbles coûteux, lourds et complexes, car les réseaux eux-mêmes sont dupliqués dans l’ensemble du véhicule, ce qui se traduit par une infrastructure physique très lourde et onéreuse à fabriquer. L’autre problème est que si l’on tente de mettre en place des interconnexions entre les réseaux pour prendre en charge davantage d’applications multidomaines, cela ne fait qu’accroître la complexité liée au câblage. Un autre problème réside dans le fait que les réseaux eux-mêmes sont difficiles à surveiller, à dépanner et à réparer. Cela est également lié à la diversité des technologies réseau et, par conséquent, à la diversité des outils nécessaires pour les diagnostiquer. À cette diversité s’ajoute la complexité opérationnelle liée à la réalisation de tout diagnostic à l’échelle du véhicule.

Comment les véhicules modernes relèvent ces défis

JIM : Comment les réseaux automobiles modernes relèvent-ils ces défis ? Nous passons d’une situation où chaque domaine dispose d’une infrastructure physique dédiée à une situation où une infrastructure physique unique prend en charge tous les domaines du véhicule. Cela nous permet de réduire le coût de câblage de l’ensemble du réseau physique et, de plus, facilite la fabrication, car les longueurs de câbles des composants individuels du réseau sont réduites. Deuxièmement, toutes les unités de contrôle électronique (ECU) sont accessibles via IP depuis toutes les autres ECU. Cela permet ainsi le fonctionnement de toutes les applications multi-domaines, car n’importe quelle ECU peut accéder aux données de n’importe quelle autre ECU, sous réserve des restrictions de sécurité que nous souhaitons appliquer. Autre point intéressant : le traitement peut être centralisé sur un nombre réduit d’ECU hautes performances. Ainsi, ce qui fonctionnait auparavant sur un processeur dédié au sein d’un domaine unique peut désormais s’exécuter sur un processeur partagé. Nous pouvons donc contribuer à réduire certains coûts liés aux calculateurs embarqués dans le véhicule lui-même. Nous sommes également en mesure de mettre en œuvre une architecture orientée services. Grâce à cette architecture, chaque application peut accéder à n’importe quel service sur le réseau et ainsi s’adapter en fonction de la disponibilité de ces données. Nous prenons également en charge certains concepts natifs du cloud, tels que la distribution des applications ou leur équilibrage entre différentes ressources de calcul à travers le véhicule. Les applications elles-mêmes sont développées à l’aide de technologies IP standard, ce qui nous permet de tirer parti de nombreuses technologies existantes et de les mettre à profit dans le véhicule. Par exemple, l’un des calculateurs (ECU) situés à la périphérie du réseau, ou à bord du véhicule, pourrait être un contrôleur de LED. Ce contrôleur de LED peut être piloté par un contrôleur centralisé fonctionnant sur l’un des calculateurs haute performance, qui se chargerait essentiellement de diffuser de la vidéo en continu vers le système de LED, réutilisant ainsi de nombreuses technologies bien connues pour prendre en charge de telles applications. Or, lorsque nous transférons toutes ces données sur une infrastructure unique, certains problèmes apparaissent, car nous allons désormais mélanger des données de différents niveaux de criticité : nous aurons ainsi des données en temps réel mélangées à des données en masse ou simplement générales, et nous avons donc besoin de protocoles pour gérer cette situation. L’IEEE a normalisé les réseaux sensibles au temps, ce qui nous permet d’exécuter certains protocoles ou d’utiliser certaines techniques au sein du réseau pour prendre en charge le trafic en temps réel parallèlement à d’autres types de trafic de faible priorité. Enfin, nous disposons d’une bande passante élevée, allant du 10BASE-T1S au Gigabit Ethernet, et nous pouvons utiliser cette bande passante non seulement pour prendre en charge certains appareils nécessitant une bande passante élevée, tels que la vidéo, mais aussi pour nous aider à répondre aux exigences de qualité de service (QoS) en temps réel.

Sécurisation des réseaux avec MACsec

JIM : Comme nous l’avons mentionné, nous sommes désormais confrontés à un nouveau problème de sécurité dans les véhicules, car de nombreux appareils différents sont connectés au réseau et utilisent ses ressources. Et si le réseau n’est pas sécurisé, nous nous exposons à des problèmes liés à la sécurité, à la confidentialité et au vol. Heureusement, Ethernet dispose d’une longue expérience en matière de sécurité, grâce à un protocole appelé MACsec, également connu sous le nom de norme IEEE 802.1AE, qui est une solution de sécurité éprouvée utilisée dans les réseaux câblés existants. Il garantit l’intégrité et la confidentialité des données, et empêche tout accès non autorisé. Il sécurise les segments de réseau local (LAN). Il ne s’agit pas d’une technologie de bout en bout. Ainsi, chaque segment de réseau local crée ce qu’on appelle une « association de connectivité », composée d’un ensemble de canaux, à raison d’un canal par expéditeur sur ce segment. Lorsque MACsec est déployé sur l’un de ces segments, les données transitant sur le réseau ne peuvent pas être interceptées, et leur intégrité est garantie, ce qui signifie qu’elles ne peuvent pas être usurpées par un autre appareil. De plus, un appareil ne peut pas accéder au réseau sans avoir été authentifié. MACsec utilise la norme 802.1X pour l’authentification, l’autorisation et la gestion des clés. La norme 802.1X est également une solution de sécurité éprouvée et largement utilisée, par exemple dans les environnements Wi-Fi d’entreprise. Grâce à la norme 802.1X, il est possible de vérifier l’authentification ou l’identité de tout appareil se connectant au réseau, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour les réseaux basés sur l’identité (identity-based networking), un concept permettant d’appliquer des politiques aux appareils en fonction de leur identité. De plus, les commutateurs Ethernet offrent des fonctionnalités de sécurité supplémentaires, telles que des listes de contrôle d’accès pouvant être appliquées aux clients authentifiés afin de garantir qu’ils ne génèrent que du trafic dont la transmission sur le réseau a été approuvée. Le réseau prend également en charge les applications de criticité mixte.

Criticité mixte

JIM : Alors, qu'entend-on exactement par « criticité mixte » ? Ou qu'est-ce que le trafic critique ? Le trafic critique est un trafic de nature essentiellement en temps réel, ce qui signifie qu’il doit être acheminé avec une priorité élevée, une faible latence et très peu ou pas de perte. Pour y parvenir dans un réseau Ethernet, nous tirons parti du fait que nous disposons d’une bande passante suffisante pour prendre en charge l’ensemble du trafic haute performance ou tout le trafic en temps réel, et nous contrôlons ce trafic à l’entrée afin de garantir qu’il y ait toujours de la bande passante disponible pour transmettre le trafic hautement prioritaire. Ensuite, nous installons à chaque point de sortie du réseau un planificateur — qu’il s’agisse d’un planificateur basé sur des crédits ou d’un planificateur tenant compte du temps — afin de planifier le trafic de manière à ce qu’il bénéficie d’une priorité supérieure à tout autre trafic «au mieux» présent sur le réseau. Cela permet de maintenir la latence à un niveau faible. Or, cela ne peut pas fonctionner correctement si le trafic n’est pas réellement classé. De plus, nous devons contrôler le trafic : ainsi, à l’entrée du réseau, le trafic est classé comme trafic à haute priorité à l’aide de divers champs de paquets, puis nous procédons à son contrôle pour nous assurer qu’il s’inscrit dans la bande passante que nous avons allouée à ce flux particulier. Ensuite, bien sûr, nous le planifions à la sortie de toutes les interfaces, en lui accordant la priorité afin de garantir que la latence reste à un niveau bas. Pour que tout cela fonctionne, nous avons donc besoin d’un réseau géré de manière centralisée, et la raison pour laquelle cette gestion centralisée est nécessaire est que la gestion du réseau doit avoir connaissance de tous les flux TSN au sein du réseau. Elle doit donc provisionner le réseau de manière globale.

Gestion centralisée du réseau

JIM : Deuxièmement, nous avons besoin d’un plan de contrôle réseau dynamique. Cela nous permet de concrétiser la promesse du véhicule défini par logiciel, dans lequel nous pouvons mettre à jour le réseau à tout moment, dès que de nouvelles applications apparaissent ou que des problèmes sont détectés sur le terrain, et que nous souhaitons modifier le comportement du réseau pour y remédier. Cependant, il ne s’agira pas d’un réseau défini par logiciel classique, comme ceux que l’on trouve aujourd’hui dans les centres de données, car un véhicule est soumis à certaines exigences de sécurité et à d’autres contraintes critiques qui ne nous permettent pas de modifier sa configuration à tout moment. Cela doit donc être effectué de manière sécurisée, tout en garantissant le respect des exigences strictes existantes en matière de temps de démarrage du véhicule. Le véhicule lui-même et son réseau doivent être gérés via le cloud, car sans cette gestion, il est très difficile de mettre à jour le véhicule sur le terrain. De plus, grâce à ce réseau centralisé géré dans le cloud, nous pouvons également simplifier les diagnostics : en effet, le contrôleur de réseau embarqué comprend l’ensemble des flux du réseau, identifie les commutateurs par lesquels ils transitent, et en cas de problème, nous pouvons déterminer, à partir de cette configuration, sur quels commutateurs collecter les statistiques pour faciliter le débogage. Nous pouvons également effectuer diverses opérations, telles que la vérification des flux de paquets, l’analyse du réseau et l’exploitation de ces informations.

Conclusion

SANJAY : Merci, Jim. Comme vous pouvez le constater, les réseaux automobiles modernes permettent déjà de réaliser une grande partie de ce que les véhicules définis par logiciel (SDV) sont censés accomplir, à savoir offrir une expérience fluide aux clients, grâce à des applications multidomaines qui procurent une expérience globale aux utilisateurs finaux. Quels sont donc les avantages pour les constructeurs automobiles et les consommateurs ? Tout d’abord, les constructeurs automobiles bénéficient de réseaux plus simples et plus rentables qui leur permettent d’ajouter de nouvelles fonctionnalités et d’apporter des modifications au véhicule, même après sa production, de manière très efficace et économique. Pour le consommateur final, cela signifie bénéficier d’expériences très fluides à bord du véhicule, grâce à des fonctions multidomaines, qu’il s’agisse des systèmes ADAS, de l’IVI ou de la chaîne cinématique, le tout combiné pour offrir des expériences plus personnalisées, plus sûres et plus pratiques. Voilà qui conclut notre premier épisode de « Driving Innovation ». Restez à l’écoute pour la suite, où nous approfondirons certains de ces sujets. Merci.