現代網路是 SDV 的骨幹

引言

桑傑（SANJAY）：大家好。歡迎收聽來自Sonatus 的「Driving Innovation 」播客系列首集。我是產品總監桑傑·卡特里（Sanjay Khatri）。在本系列中，我們將探討那些正推動業界邁向軟體定義車輛（SDV）的技術與解決方案。在本集首集中，我們將探討現代車輛網路對於邁向 SDV 為何至關重要。 事實上，甚至可以說它們正是 SDV 的脊梁。從核心概念來看，SDV 承諾能提供在整個生命週期中，透過軟體持續改進並新增功能的車輛。假設某家車廠（OEM）想新增「高速公路模式」功能：當車輛感測器偵測到您正在高速公路上行駛時，系統便會自動選取駕駛者偏好的駕駛模式、座椅位置、音響設定以及環境照明。 以當今的車載網路而言，將橫跨不同領域的所有這些功能整合成單一統一的體驗極具挑戰性，更絕非車輛生產並售出後才能實現之事。但這正是 SDV 理應提供的個人化體驗。我們顯然需要具備足夠靈活性與多功能性的網路，才能實現這類整合式體驗。 這與現代網路使雲端資料中心能夠將不同的系統和應用程式（例如資料庫、使用者帳戶、計費系統、訊息傳遞、終端使用者圖形介面等）整合為無縫的電子商務體驗，其原理如出一轍。隨著車輛日益呈現出「輪上的資料中心」的樣貌，我們也需要朝現代網路標準與實務進行類似的轉型。現在，請容我將話筒交給我的同事詹姆斯·墨菲（James Murphy），他將詳細說明現代車載網路所應對的具體挑戰，以及其解決之道。

現行車輛網路面臨的挑戰與限制

吉姆：桑傑，感謝您的介紹。我是吉姆·墨菲，今天我將探討當前車載網路面臨的若干挑戰與限制，以及在邁向乙太網路骨幹的過程中，我們所擁有的部分解決方案。第一個問題在於，這些網路是靜態且硬體硬連線的，因此要將任何新功能整合到現有網路中，都極具挑戰性。 第二個問題在於網路是孤立的，因此不同網域各自獨立運作，而在這種環境下，實現多網域應用的潛力受到嚴重限制。現有網路的另一項問題是，這些技術的頻寬根本不足以支援現代感測器（例如視訊），因為這些感測器需要網路提供高頻寬。此外，在頻寬受限的網路中，要為即時應用程式提供服務品質（QoS）也極為困難。 此外還存在安全性問題。由於車內存在眾多不同的網路技術，且有大量各異的感測器、致動器及各類裝置連接到網路，攻擊途徑過於繁多，難以有效保障車輛安全。加之這些技術彼此不兼容，要在整輛車上實施統一的安全框架也極為困難。 當前車載網路面臨的下一項問題與其物理架構有關。由於網路本身在整輛車內皆有冗餘佈線，導致線束成本高昂、重量沉重且結構複雜，進而造成物理基礎設施既笨重又昂貴。另一個問題是，若試圖在網路之間建立互連以支援更多跨域應用，只會進一步增加線路佈置的複雜性。 另一個問題在於，網路本身難以監控、排除故障及維修。這也與網路技術的多樣性有關，進而導致診斷所需工具的種類繁多。此外，這種多樣性也帶來了在車輛全域進行任何診斷時所面臨的運作複雜性。

現代車輛如何應對這些挑戰

JIM：那麼，現代車載網路是如何應對這些挑戰的呢？我們正從「每個領域都有專屬的實體基礎設施」的狀況，轉變為「僅需一套實體基礎設施即可支援車內所有領域」的狀況。這不僅能降低整個實體網路的布線成本，還能提升布線的製造可行性，因為個別網路元件的布線長度得以縮減。 第二點是，所有電子控制單元（ECU）都能透過 IP 與其他所有 ECU 互通。這使得多種領域的應用成為可能，因為任何 ECU 都能在我們所設定的安全限制範圍內，存取其他任何 ECU 的資料。另一個值得注意的優點是，運算任務可以集中於數量較少的高效能 ECU 上。 因此，過去可能在單一領域的專用處理器上執行的任務，現在可以運行於共享處理器上。藉此，我們有助於降低車輛本身電子控制單元（ECU）的部分成本。 我們還能實現服務導向架構。透過服務導向架構，個別應用程式可存取網路上的任何服務，並根據該資料的可用性來實作應用程式。我們也支援某些雲原生概念，例如應用程式分發，或是將應用程式在車輛各處的不同運算資源間進行負載平衡。應用程式本身是採用標準 IP 技術建構的，因此我們能善用許多現有技術並將其應用於車輛中。 舉例來說，位於網路邊緣或車載系統中的某個電子控制單元（ECU），可能類似於 LED 控制器。該 LED 控制器可由運行於高性能 ECU 之一的集中式控制器進行控制，該控制器基本上會將影片串流傳輸至 LED 系統，從而重複利用許多已知技術來支援此類應用。 現在，當我們將所有這些資料移至單一基礎架構時，會出現某些問題，因為我們將混合不同關鍵級別的資料，也就是說，即時資料會與批量資料或一般資料混合在一起，因此我們需要相應的通訊協定來處理此情況。IEEE 已制定了時間敏感網路（TSN）標準，這使我們能夠在網路中運行特定通訊協定或採用特定技術，以在支援即時流量的同時，也處理其他低優先級流量。 最後，我們擁有高頻寬，從 10BASE-T1S 到千兆乙太網路一應俱全；我們不僅能利用高頻寬支援視訊等高頻寬裝置，還能藉此滿足即時服務品質（QoS）的要求。

使用 MACsec 保障網路安全

JIM：正如我們先前提到的，隨著越來越多不同裝置連接到車載網路並使用網路資源，車輛現在面臨著新的資安問題。如果網路缺乏安全防護，我們將面臨與安全、隱私及盜竊相關的風險。 所幸，乙太網路在處理資安方面擁有悠久的歷史，並透過一種名為 MACsec（亦即 IEEE 802.1AE）的協定來實現，這是一套已在現有有線網路中得到驗證的資安解決方案。它能確保資料完整性與機密性，並阻止未經授權的存取，同時為區域網路（LAN）區段提供安全保障。 這並非端對端技術。因此，每個區域網路區段都會建立所謂的「連線關聯」，該關聯由一組通道組成，且該區段上的每個發送者各佔一個通道。當在其中一個區段上部署 MACsec 時，網路上的資料將無法被竊聽，且其完整性亦得到保證，這意味著資料無法被其他裝置偽造。 此外，未經認證的裝置無法存取網路。MACsec 採用 802.1X 進行認證、授權及金鑰管理；802.1X 亦是一套經過驗證且廣泛應用的安全解決方案，例如在企業 Wi-Fi 環境中便被廣泛採用。 透過 802.1X，您可以驗證任何連線至網路的裝置之身分，這為「基於身分的網路」開闢了某些可能性——此概念意指能根據裝置的身分對其套用相關政策。此外，乙太網路交換器還提供額外的安全功能，例如存取控制清單（ACL），可套用至已驗證的客戶端，以確保它們僅產生經核准可在網路上傳輸的流量。 該網路亦支援混合關鍵級別的應用程式。

混合關鍵性

JIM：那麼，「混合關鍵性」實際上是指什麼？或者說，什麼是關鍵流量？ 關鍵流量本質上是即時性質的流量，這意味著它必須以高優先級、低延遲的方式傳輸，且丟包率極低或完全沒有丟包。現在，我們在乙太網路中實現這一點的方式是：實際上利用我們擁有足夠頻寬來支援所有高效能流量或所有即時流量這一事實，並在入站端對流量進行流量管制，以確保始終有可用頻寬來傳輸高優先級流量。 接著，我們會在網路的每個出口點安裝一個排程器，可以是基於信用的排程器或時間感知型排程器，用以排程流量，確保其優先級高於網內任何其他「盡力而為」類型的流量。這有助於將延遲維持在較低水準。 然而，若未實際對流量進行分類，此機制便無法有效運作。此外，我們必須對流量進行流量管制：當流量進入網路時，會透過各種封包欄位將其分類為高優先級流量，接著我們便會進行流量管制，確保該流量符合我們為該特定流量流所分配的頻寬。 當然，接著我們會在所有介面的出口端進行排程，並依據優先級確保延遲維持在低值。因此，為了讓所有這些機制順利運作，我們需要一個集中管理的網路；而之所以需要集中管理，是因為網路管理系統必須掌握網路內所有 TSN 流量，進而能全面性地配置網路資源。

集中式網路管理

JIM：其次，我們需要一個動態的網路控制平面。這使我們能夠實現「軟體定義車輛」的願景——當出現新應用程式，或是在實際運作中發現問題，且我們希望改變網路行為以解決這些問題時，便能隨時升級網路。 然而，這不會是我們在當今資料中心所見到的典型軟體定義網路，因為車輛有特定的安全及其他關鍵要求，我們無法隨時變更其配置；因此，這必須以安全的方式進行，同時也必須確保符合車輛現有的嚴格啟動時間要求。 車輛本身及其網路必須由雲端管理，因為若缺乏雲端管理，您也知道，要在實際使用環境中對車輛進行升級將非常困難。 此外，透過雲端管理的集中式網路，我們還能簡化診斷流程，因為車載網路控制器能掌握網路中的所有流量、這些流量經過哪些交換機；一旦發生問題，我們便能根據此配置，確定應從哪些交換機收集統計資料，以協助排除故障。 我們還能執行各種操作，例如檢查封包流量、嗅探網路以及分析相關資訊。

結論

桑傑：謝謝，吉姆。正如各位所見，現代車輛網路已經能夠實現許多「軟體定義車輛」所追求的目標，也就是為客戶提供無縫的體驗，透過跨領域應用程式為終端使用者帶來全方位的體驗。那麼，這對原廠製造商（OEM）和消費者來說有哪些好處呢？ 首先，OEM 能從更簡潔且具成本效益的網路中獲益，這有助於他們以極高效率且經濟實惠的方式，在車輛生產完成後仍能新增功能或進行改動。對終端消費者而言，這意味著能透過多領域功能（無論是先進駕駛輔助系統、車載資訊娛樂系統還是動力傳動系統），在整輛車上獲得極為無縫的體驗，將所有這些功能整合為更個人化、更安全且更便捷的體驗。 以上便是《Driving Innovation 》的第一集內容。敬請持續關注後續節目，我們將更深入探討這些主題。謝謝。