網路技術
在汽車產業中的重要性
Sonatus 我於三月底參加了在德國慕尼黑舉行的「汽車乙太網路大會」，現場匯聚了來自 26 個國家的逾 1,000 名與會者、講者及參展商。這場盛會充分展現了推動汽車乙太網路生態系統發展的蓬勃動能。隨著我日益深入汽車科技領域，「軟體正在吞噬世界」這一觀點始終縈繞心頭；不過，我或許會將其改寫為「網路正在吞噬世界」。 在車輛中，原本駐留於孤立元件內的軟體功能，如今已與其他軟體功能相互連結——有些是集中式的，有些位於雲端，甚至可能還有部分位於鄰近車輛之中。這對服務與應用程式的影響極為深遠。這對網路在服務品質、頻寬、可靠性、安全性、功耗及成本等方面，都帶來了巨大的壓力。本次汽車乙太網大會提供了一個契機，讓我們得以一窺透過應用乙太網技術，這個「被網路吞噬的世界」將如何成形。以下是三大關鍵收穫：
1. 建立高效能的車輛網路將至關重要
乙太網路技術是公共與私人有線網際網路的標準。然而，傳統的車載網路則由數種替代技術組成，包括 CAN 和 Flexray。這些技術結合了低成本與確定性效能，具備適合車載網路的優點；但當我們著手將網際網路與雲端技術導入車輛時，這些傳統網路便會面臨最大傳輸單元（MTU）、頻寬、效率、冗餘及服務品質（QoS）等問題。
10BASE-T1S PHY 不僅解決了現有乙太網路 PHY 所面臨的問題，同時為低成本的 ECU 提供乙太網路 MAC 功能，從而無需仰賴閘道器或隧道方案，即可在整輛車內實現網路層的連通性。這種服務導向架構現可直接橫跨所有 ECU，形成一種扁平化架構，並能整合雲端及聯網車輛服務。
10BASE-T1S 規定採用單對雙纜，與半雙工 10BASE-T 相似。它既可運行 CSMA/CD，同時也具備一種頻寬效率極高的 TDMA 機制。此模式稱為 PLCA（物理層碰撞避免）。 PLCA 的優點在於，專門分配給單一站點的存取時段非常短（僅 20 位元），但在有資料需傳輸時，該時段會延伸至資料的實際長度。站點會等待其存取時段到來，然後進行傳輸。一旦該站點完成傳輸，下一站點的傳輸時段便會開啟 20 位元；若無資料可傳輸，則僅浪費 20 位元。 由於沒有隨機退避時段，因此若已知節點數量，網路的最壞情況效能即為可預測的。當所有節點都需要傳輸時，一個 8 節點的網路效率極高（99.5%）；而當僅有一個節點傳輸時，針對最小至最大大小的幀，其效率介於 78.3% 至 98.7% 之間。
隨著網路層逐步應用於成本較低的電子控制單元（ECU），Sonatus 的車載軟體可確保這些網路獲得適當的配置，以滿足其應用程式的頻寬、服務品質（QoS）及電源需求。
2. 汽車製造商需要適合電動車時代的高能效網路
車輛網路中普遍存在非對稱的流量模式。攝影機與顯示器在流量方面極為非對稱：攝影機會傳輸大量視訊資料，但接收的資料卻極少（多為控制資料）；顯示器則接收大量資料，但傳輸的資料卻極少。這兩種情況所需的頻寬皆相當高。
因此，原始設備製造商（OEM）被迫在節點與交換機之間架設高頻寬連線，而這些連線中僅有單向頻寬被充分利用。物理層（PHY）會消耗能量，這對將能源效率視為首要考量事項的電動車而言，可能成為一個問題。在沒有任何傳輸的情況下運行物理層（PHY），無疑是浪費能源。
EEE 是一項由 IEEE 802 開發的技術，旨在解決此問題。其基本概念是在某個週期內，僅讓 PHY 運行部分時間。為了更有效地針對非對稱資料傳輸速率優化乙太網路，目前正提出一種名為 ASA 2.0 的新型乙太網路 PHY。若要充分利用此項優化，應根據預期的非對稱資料傳輸速率來配置 PHY。 SDN 解決方案非常適合處理此問題，因為為解決服務品質 (QoS) 與可靠性問題，本就需掌握網路流量需求，而這些資訊亦可運用於解決電源管理問題。
3. 敏捷軟體架構是必要的
為凸顯乙太網路交換器在現代車輛中的重要性，AutoSAR 正致力開發一套用於乙太網路交換器配置的資料模型。該模型以低階層次進行描述，並著重於基礎的交換器物件。因此，需開發一個應用程式來建構配置並將其部署至交換器。若涉及多個交換器網路（例如區域化架構），該應用程式將負責為每個交換器建構配置，並據此進行分發。
Sonatus 已透過交換機政策，在單一交換機與區域化架構中皆展示了交換機的配置方式。雖然理論上可支援 AutoSAR 模型，但Sonatus 目前採用 IEEE YANG 模型來為交換機產生適當的配置。AutoSAR 與 IEEE 似乎正在針對乙太網路交換機的配置與監控模型，各自發展相互競爭的標準。業界很可能出現多種方法並存的狀況，因此若要在這市場中脫穎而出，將需要具備敏捷的軟體架構。
邁向自動化未來的道路
「汽車乙太網路大會」突顯了網路技術在汽車產業中日益增長的重要性。隨著車輛日益連網與自動化，網路的服務品質、頻寬、可靠性、安全性、功耗及成本變得愈發關鍵。隨著乙太網路技術的進步，該產業正邁向更連網、更自動化的未來，而汽車製造商將需要採用新的架構，以加速向軟體定義車輛的轉型。
→ 進一步了解Sonatus的「乙太網路管理員」（Ethernet Network Manager），此為Sonatus 基礎網路服務（Foundation Network Services）的其中一個組件。
詹姆斯·墨菲
技術人員，Sonatus
contact@sonatus.com