Le reti moderne sono la spina dorsale degli SDV

Introduzione

SANJAY: Ciao. Benvenuti alla prima puntata della serie di podcast “ Driving Innovation ” di Sonatus. Mi chiamo Sanjay Khatri e sono il responsabile di prodotto. In questa serie parleremo delle tecnologie e delle soluzioni che stanno guidando il settore verso i veicoli definiti dal software (SDV). In questa prima puntata parleremo di come le moderne reti di bordo siano essenziali per questa transizione verso gli SDV. Anzi, si può addirittura affermare che esse costituiscano la spina dorsale degli SDV. In sostanza, gli SDV promettono di offrire veicoli che migliorano continuamente e aggiungono nuove funzionalità tramite software per tutta la loro durata di vita. Supponiamo che un OEM voglia aggiungere una funzione “modalità autostrada” in cui, se i sensori dell’auto rilevano che si sta guidando in autostrada, il sistema selezioni automaticamente la modalità di guida preferita dal conducente, la posizione del sedile, le impostazioni audio e l’illuminazione ambientale. Con le reti veicolari odierne, integrare tutte queste funzioni tra i diversi domini in un’unica esperienza unificata è una sfida e certamente non è qualcosa che si possa realizzare dopo che il veicolo è stato prodotto e venduto. Ma è proprio questo il tipo di esperienze personalizzate che gli SDV dovrebbero offrire. Abbiamo chiaramente bisogno di reti sufficientemente flessibili e versatili da garantire questo tipo di esperienze integrate. Proprio come le reti moderne hanno permesso ai data center cloud di riunire diversi sistemi e applicazioni – quali database, account utente, fatturazione, messaggistica, interfacce grafiche per l’utente finale, ecc. – in un’unica esperienza di e-commerce senza soluzione di continuità. E poiché i veicoli stanno assumendo sempre più le sembianze di veri e propri data center su ruote, è necessario un passaggio analogo verso standard e pratiche di rete moderni. Lascio ora la parola al mio collega James Murphy, che illustrerà quali sfide specifiche affrontano le moderne reti veicolari e in che modo.

Sfide e limiti delle attuali reti di veicoli

JIM: Grazie per la presentazione, Sanjay. Mi chiamo Jim Murphy e oggi parlerò di alcune delle sfide e dei limiti delle attuali reti dei veicoli, nonché di alcune delle soluzioni a nostra disposizione nel passaggio a una dorsale Ethernet. Il primo problema è che le reti sono statiche e cablate in modo rigido e, di conseguenza, è molto difficile integrare nuove funzionalità nelle reti esistenti. Il secondo problema è che le reti sono isolate, quindi i diversi domini operano in modo autonomo e la possibilità di disporre di applicazioni multidominio è fortemente limitata in tale ambiente. Un altro problema delle reti esistenti è che queste tecnologie semplicemente non offrono una larghezza di banda sufficiente per supportare i sensori moderni, come quelli video, che richiedono un’elevata larghezza di banda sulla rete. Inoltre, è molto difficile garantire la qualità del servizio per le applicazioni in tempo reale su una rete con larghezza di banda limitata. C’è anche un problema legato alla sicurezza. Con così tante tecnologie di rete diverse presenti nel veicolo, e così tanti sensori, attuatori e dispositivi diversi collegati alla rete, i vettori di attacco sono troppi per poter proteggere efficacemente il veicolo. Inoltre, con tutte queste tecnologie disparate, è anche molto difficile implementare un quadro di sicurezza uniforme in tutto il veicolo. Il problema successivo legato alle attuali reti veicolari riguarda la loro struttura fisica. Si tratta di cablaggi costosi, pesanti e complessi, poiché le reti stesse sono duplicate in tutto il veicolo, il che si traduce in un’infrastruttura fisica molto pesante e costosa da produrre. L’altro problema è che, se si tenta di realizzare interconnessioni tra le reti per supportare un maggior numero di applicazioni multidominio, ciò non fa che aumentare la complessità del cablaggio. Un altro problema è che le reti stesse sono difficili da monitorare, da sottoporre a diagnostica e da riparare. Ciò è legato anche alla diversità delle tecnologie di rete e, di conseguenza, alla diversità degli strumenti necessari per la loro diagnostica. A questa diversità si aggiunge poi la complessità operativa legata all’esecuzione di qualsiasi attività diagnostica su tutto il veicolo.

In che modo i veicoli moderni affrontano queste sfide

JIM: In che modo le moderne reti dei veicoli affrontano queste sfide? Passiamo da una situazione in cui disponiamo di un’infrastruttura fisica dedicata per ciascun dominio a una situazione in cui abbiamo un’unica infrastruttura fisica che supporta tutti i domini presenti nei veicoli. Questo ci permette di ridurre i costi di cablaggio dell’intera rete fisica e, inoltre, rende il cablaggio più facile da realizzare, poiché si riducono le lunghezze dei singoli componenti di rete. In secondo luogo, tutte le centraline (ECU) sono raggiungibili via IP da tutte le altre centraline. Ciò rende possibili tutte le applicazioni multidominio, poiché qualsiasi centralina può accedere ai dati di qualsiasi altra centralina, nel rispetto delle restrizioni di sicurezza che si desidera applicare. Un altro aspetto interessante è che l’elaborazione può essere centralizzata su un numero minore di centraline ad alte prestazioni. Ciò che in passato veniva eseguito su un processore dedicato in un singolo dominio, ora può essere eseguito su un processore condiviso. Di conseguenza, possiamo contribuire a ridurre alcuni dei costi delle centraline nel veicolo stesso. Siamo inoltre in grado di realizzare un’architettura orientata ai servizi. Con un’architettura orientata ai servizi, le singole applicazioni possono accedere a qualsiasi servizio presente sulla rete e, di conseguenza, implementare le applicazioni in base alla disponibilità di tali dati. Rendiamo inoltre possibili alcuni concetti cloud-native, come la distribuzione delle applicazioni o il bilanciamento delle applicazioni tra diverse risorse di calcolo in tutto il veicolo. Le applicazioni stesse sono realizzate utilizzando tecnologia IP standard, quindi possiamo sfruttare gran parte della tecnologia esistente e metterla in pratica nel veicolo. Ad esempio, una delle ECU alla periferia della rete, o sul veicolo, potrebbe essere simile a un controller LED. Il controller LED può essere gestito da un controller centralizzato in esecuzione su una delle ECU ad alte prestazioni che, in sostanza, trasmetterebbe video in streaming al sistema LED, riutilizzando così molta tecnologia consolidata a supporto di tali applicazioni. Ora, quando trasferiamo tutti questi dati su un’unica infrastruttura, sorgono alcune problematiche perché andremo a mescolare dati con diversi livelli di criticità: avremo dati in tempo reale mescolati a dati in blocco o semplicemente generici, e pertanto abbiamo bisogno di protocolli per gestire questa situazione. L’IEEE ha standardizzato le reti sensibili al tempo (Time Sensitive Networking), il che ci permette di eseguire determinati protocolli o utilizzare determinate tecniche nella rete per supportare il traffico in tempo reale insieme ad altro traffico a bassa priorità. Infine, disponiamo di un’elevata larghezza di banda, che spazia dallo standard 10BASE-T1S al Gigabit Ethernet; possiamo utilizzare questa elevata larghezza di banda non solo per supportare dispositivi che richiedono un’elevata larghezza di banda, come i sistemi video, ma anche per aiutarci a soddisfare i requisiti di QoS in tempo reale.

Protezione delle reti con MACsec

JIM: Come abbiamo accennato, ora che abbiamo molti dispositivi diversi collegati alla rete e che utilizzano le risorse di rete, ci troviamo di fronte a un nuovo problema di sicurezza all’interno del veicolo. E se la rete non è protetta, ci esponiamo a rischi legati alla sicurezza, alla privacy e ai furti. Fortunatamente, Ethernet vanta una lunga tradizione nel campo della sicurezza e la garantisce tramite un protocollo chiamato MACsec, noto anche come IEEE 802.1AE, che rappresenta una soluzione di sicurezza collaudata utilizzata nelle reti cablate esistenti. Questo protocollo garantisce integrità e riservatezza e impedisce gli accessi non autorizzati, proteggendo i segmenti LAN. Non si tratta di una tecnologia end-to-end. Pertanto, ogni segmento LAN crea una cosiddetta «associazione di connettività», composta da un insieme di canali, con un canale dedicato a ciascun mittente su quel segmento. Quando MACsec viene implementato su uno di questi segmenti, i dati che transitano sulla rete non possono essere intercettati e ne è garantita l’integrità, il che significa che non possono essere falsificati da altri dispositivi. Inoltre, un dispositivo non può accedere alla rete senza essere autenticato. MACsec utilizza lo standard 802.1X per l’autenticazione, l’autorizzazione e la gestione delle chiavi; lo standard 802.1X è anche una soluzione di sicurezza collaudata e ampiamente utilizzata, ad esempio, negli ambienti Wi-Fi aziendali. Con lo standard 802.1X è possibile verificare l’autenticazione o l’identità di qualsiasi dispositivo che si connette alla rete; ciò apre nuove opportunità per il networking basato sull’identità, ovvero il concetto di poter applicare politiche ai dispositivi in base alla loro identità. Inoltre, gli switch Ethernet offrono funzionalità di sicurezza aggiuntive, quali gli elenchi di controllo degli accessi (ACL), applicabili ai client autenticati per garantire che generino solo traffico autorizzato alla trasmissione sulla rete. La rete offre inoltre supporto per applicazioni a criticità mista.

Criticità mista

JIM: Allora, cosa significa esattamente "criticità mista"? O cos’è il traffico critico? Il traffico critico è un traffico che è essenzialmente in tempo reale, il che significa che deve essere trasmesso con alta priorità, bassa latenza e con perdite minime o nulle. Ora, il modo in cui lo facciamo in una rete Ethernet è sfruttare il fatto che disponiamo di una quantità sufficiente di larghezza di banda per supportare tutto il traffico ad alte prestazioni o tutto il traffico in tempo reale, e controlliamo quel traffico in ingresso per garantire che ci sia sempre larghezza di banda disponibile per trasmettere il traffico ad alta priorità. Successivamente, installiamo in ogni punto di uscita della rete uno scheduler, che può essere basato su crediti o sensibile al tempo, per pianificare il traffico in modo da garantirgli la priorità rispetto a qualsiasi altro traffico «best-effort» presente nella rete. Ciò contribuisce a mantenere la latenza a un valore basso. Ora, questo non può funzionare bene se non classifichiamo effettivamente il traffico. Inoltre, dobbiamo regolarne il flusso: all’ingresso nella rete, il traffico viene classificato come traffico ad alta priorità utilizzando vari campi dei pacchetti, quindi procediamo a regolarne il flusso per garantire che rientri nella larghezza di banda che abbiamo allocato per quel particolare flusso. E poi, naturalmente, lo pianifichiamo all’uscita di tutte le interfacce, assegnandogli priorità per garantire che la latenza sia mantenuta a un valore basso. Affinché tutto questo funzioni, quindi, è necessaria una rete gestita centralmente; la ragione per cui è necessaria una gestione centralizzata è che il sistema di gestione della rete deve essere a conoscenza di tutti i flussi TSN presenti nella rete. Deve quindi configurare la rete in modo olistico.

Gestione centralizzata della rete

JIM: In secondo luogo, abbiamo bisogno di un piano di controllo di rete dinamico. Questo ci permette di concretizzare la promessa del veicolo definito dal software, in cui possiamo aggiornare la rete in qualsiasi momento man mano che vengono individuate nuove applicazioni o si riscontrano problemi sul campo e vogliamo modificare il comportamento della rete per risolverli. Tuttavia, non si tratterà della tipica rete definita dal software che vediamo nei data center odierni, poiché un veicolo presenta determinati requisiti di sicurezza e altri requisiti critici che non ci consentono di modificare la configurazione in qualsiasi momento; pertanto, ciò deve avvenire in modo sicuro e in modo tale da garantire il rispetto dei rigorosi requisiti esistenti relativi ai tempi di avvio del veicolo. Il veicolo stesso e la sua rete devono essere gestiti tramite cloud, poiché senza tale gestione sarebbe molto difficile aggiornare il veicolo sul campo. Inoltre, grazie alla rete centralizzata gestita nel cloud, siamo anche in grado di semplificare la diagnostica, poiché il controller di rete di bordo comprende tutti i flussi nella rete, attraverso quali switch passano e, in caso di problemi, possiamo determinare, sulla base di questa configurazione, da quali switch raccogliere le statistiche per aiutare a risolvere il problema. Possiamo inoltre eseguire diverse operazioni, come il controllo dei flussi di pacchetti, lo sniffing della rete e l’analisi di tali informazioni.

Conclusione

SANJAY: Grazie, Jim. Come potete vedere, le moderne reti dei veicoli sono in grado di realizzare molti degli obiettivi che i veicoli definiti dal software si propongono di raggiungere, ovvero fornire un’esperienza senza soluzione di continuità ai clienti, grazie ad applicazioni multidominio che offrono un’esperienza olistica agli utenti finali. Quali sono quindi i vantaggi per gli OEM e per i consumatori? Innanzitutto, gli OEM traggono vantaggio da reti più semplici ed economiche che consentono loro di aggiungere nuove funzionalità e apportare modifiche al veicolo, anche dopo la produzione, in modo molto efficiente ed economico. Per il consumatore finale, ciò significa vivere esperienze davvero senza soluzione di continuità in tutto il veicolo, utilizzando funzioni multidominio, che si tratti di ADAS, IVI o sistema di trasmissione, combinando tutte queste funzionalità in esperienze più personalizzate, sicure e convenienti. Con questo si conclude la nostra prima puntata di “ Driving Innovation ”. Restate sintonizzati per i prossimi episodi, in cui approfondiremo alcuni di questi argomenti. Grazie.