现代网络是SDV的骨干

引言

桑杰：大家好。欢迎收听由Sonatus 推出的《Driving Innovation 》播客系列的首期节目。我是产品总监桑杰·卡特里（Sanjay Khatri）。在本系列中，我们将探讨那些推动行业迈向软件定义汽车（SDV）的技术与解决方案。在本期节目中，我们将探讨现代车载网络对于向 SDV 转型的重要性。 事实上，甚至可以说它们是软件定义车辆（SDV）的脊梁。从本质上讲，SDV承诺在车辆整个生命周期内，通过软件实现持续改进并添加新功能。假设某家汽车制造商（OEM）希望添加“高速公路模式”功能：当车辆传感器检测到您正在高速公路上行驶时，系统会自动选择驾驶员偏好的驾驶模式、座椅位置、音频设置以及环境照明。 以当今的车载网络而言，将不同领域中的所有这些功能整合为单一的统一体验颇具挑战，而且绝非车辆生产并售出后能够实现的。但这正是SDV理应提供的个性化体验。显然，我们需要足够灵活且多功能的网络来提供此类集成体验。 这与现代网络使云数据中心能够将数据库、用户账户、计费、消息传递、终端用户图形界面（GUI）等不同系统和应用程序整合为无缝的电子商务体验的原理如出一辙。随着车辆日益呈现出“轮上数据中心”的特征，我们需要向现代网络标准和实践进行类似的转型。现在，我将把发言权交给我的同事詹姆斯·墨菲（James Murphy），他将详细阐述现代车载网络需要应对哪些具体挑战，以及如何应对。

当前车联网面临的挑战与局限性

吉姆：桑杰，感谢您的介绍。我叫吉姆·墨菲，今天我将探讨当前车载网络面临的一些挑战和局限性，以及我们在向以太网骨干网过渡过程中所采用的解决方案。第一个问题是，这些网络是静态的且采用硬连线方式，因此将任何新功能集成到现有网络中都非常困难。 第二个问题是网络彼此隔离，导致不同域各自独立运行，在这种环境下，实现多域应用的潜力受到了严重限制。现有网络的另一个问题在于，这些技术提供的带宽根本不足以支持视频等需要高带宽的现代传感器。此外，在带宽受限的网络上，很难为实时应用提供服务质量保障。 此外还存在安全问题。由于车辆中存在如此多的不同网络技术，以及大量不同的传感器、执行器和各类设备连接到网络，可利用的攻击途径过多，难以有效保障车辆安全。而且，面对这些各不相同的技术，要在整车范围内实施统一的安全框架也十分困难。 当前车载网络面临的另一个问题与其物理构建有关。由于网络本身在整车范围内存在冗余，导致线束成本高昂、笨重且结构复杂，从而造成物理基础设施既笨重又制造成本高昂。另一个问题是，若试图在网络之间建立互连以支持更多跨域应用，只会进一步增加布线的复杂性。 另一个问题是，网络本身难以监控、排查故障和维修。这也与网络技术的多样性有关，因此需要多种诊断工具。此外，这种多样性还导致了在整车范围内进行任何诊断操作时的运行复杂性。

现代车辆是如何应对这些挑战的

JIM：那么，现代车载网络是如何应对这些挑战的呢？我们正从“每个域都有专用物理基础设施”的状况，转向“仅需一套物理基础设施即可支持车辆中所有域”的状况。这不仅能降低整个物理网络的布线成本，还能提高布线的可制造性，因为各个网络组件的布线路径都得到了缩短。 其次，所有电子控制单元（ECU）之间均可通过IP互连。这使得多领域应用成为可能，因为在符合我们设定的安全限制的前提下，任何ECU都能访问其他ECU的数据。另一个值得关注的特点是，计算任务可以集中部署在数量更少的高性能ECU上。 因此，过去可能在单个域内专用处理器上运行的任务，现在可以在共享处理器上运行。由此，我们可以帮助降低车辆中电子控制单元（ECU）的部分成本。 我们还能够实现面向服务的架构。借助面向服务的架构，单个应用程序可以访问网络中的任何服务，从而根据数据的可用性来实施应用程序。我们还支持某些云原生概念，例如应用程序分布，或在车辆内不同计算资源之间进行应用程序负载均衡。应用程序本身是使用标准IP技术构建的，因此我们可以利用大量现有技术并将其应用于车辆中。 例如，网络边缘或车载的某个电子控制单元（ECU）可以是LED控制器。该LED控制器可由运行在高性能ECU之一的集中式控制器进行控制，该控制器本质上会向LED系统传输视频流，从而复用许多成熟技术来支持此类应用。 现在，当我们将所有这些数据迁移到单一基础设施上时，会遇到一些问题，因为我们即将混合处理不同关键级别的数据——实时数据将与批量数据或普通数据混合在一起，因此我们需要相应的协议来应对这一情况。IEEE 已制定了时间敏感网络（TSN）标准，这使我们能够在网络中运行特定协议或采用特定技术，以在支持低优先级流量的同时处理实时流量。 最后，我们拥有高带宽，从10BASE-T1S到千兆以太网一应俱全。利用高带宽，我们不仅能支持视频等高带宽设备，还能帮助我们满足实时QoS的要求。

使用 MACsec 保障网络安全

JIM：正如我们之前提到的，随着越来越多的不同设备连接到车载网络并使用网络资源，车辆现在面临着一个新的安全问题。如果网络不安全，我们将面临与安全、隐私和盗窃相关的问题。 幸运的是，以太网在安全领域有着悠久的历史，它通过一种名为MACsec（即IEEE 802.1AE）的协议来实现安全防护，这是一种已在现有有线网络中得到验证的安全解决方案。它能保障数据完整性、保密性，并阻止未经授权的访问，从而保护局域网（LAN）段的安全。 这并非一种端到端技术。因此，每个局域网段都会建立所谓的“连接关联”，该关联由一组信道组成，且该段上的每个发送方都对应一个信道。当在其中一个段上部署 MACsec 时，网络中的数据将无法被窃听，其完整性也得到保证，这意味着数据不会被其他设备伪造。 此外，未经身份验证的设备无法接入网络。MACsec采用802.1X进行身份验证、授权和密钥管理，802.1X也是一种久经考验的安全解决方案，例如在企业Wi-Fi环境中被广泛采用。 借助 802.1X，您可以验证任何连接到网络的设备的身份，这为基于身份的网络开辟了新的可能性——即能够根据设备的身份对其应用相应策略。此外，以太网交换机还提供了其他安全功能，例如访问控制列表（ACL），这些功能可应用于经过身份验证的客户端，以确保它们仅生成经批准可在网络上传输的流量。 该网络还支持混合关键级别的应用程序。

混合关键性

JIM：那么，“混合关键性”到底是什么意思？或者说，什么是关键流量？ 关键流量本质上具有实时特性，这意味着它必须以高优先级、低延迟的方式传输，且丢包率极低或几乎为零。在以太网网络中，我们利用网络具备充足带宽来支持所有高性能流量或实时流量这一事实，并在入口处对流量进行监管，以确保始终有可用带宽来传输高优先级流量。 接着，我们会在网络的每个出站点部署一个调度器——可以是基于信用的调度器，也可以是时间感知型调度器——来调度流量，确保其优先级高于网络中任何其他“尽力而为”类型的流量。这有助于将延迟控制在较低水平。 不过，如果我们没有对流量进行分类，这一机制就无法有效运行。此外，我们还必须对流量进行流量监管：因此，在流量进入网络时，我们会利用各种数据包字段将其分类为高优先级流量，随后对其进行流量监管，以确保该流量在为特定数据流分配的带宽范围内。 当然，在所有接口的出站方向，我们也会根据优先级进行调度，以确保延迟保持在较低水平。因此，要使这一切正常运行，我们需要一个集中管理的网络；而之所以需要集中管理，是因为网络管理系统必须了解网络中的所有 TSN 流，从而能够对网络进行整体配置。

集中式网络管理

JIM：其次，我们需要一个动态的网络控制平面。这使我们能够实现“软件定义车辆”的愿景——当出现新应用或现场发现问题时，我们可以随时升级网络，并通过调整网络行为来应对这些问题。 然而，这不会是我们在当今数据中心所见到的那种典型软件定义网络，因为车辆有特定的安全及其他关键要求，我们无法随时更改配置，因此必须以确保安全的方式进行，同时还必须确保符合车辆现有的严格启动时间要求。 车辆本身及其网络必须由云端管理，因为如果没有云端管理，在实际使用中对车辆进行升级将非常困难。 此外，通过采用云管理的集中式网络，我们还能简化诊断流程，因为车载网络控制器能够掌握网络中的所有流量及其经过的交换机；一旦出现问题，我们便可根据该配置确定应从哪些交换机收集统计数据，从而协助排查故障。 我们还可以进行各种操作，例如检查数据包流、嗅探网络并分析这些信息。

结论

桑杰：谢谢，吉姆。正如你们所见，现代车载网络已经能够实现软件定义汽车所追求的许多目标，即为客户提供无缝体验——通过多领域应用程序，为终端用户提供全方位的体验。那么，这对整车制造商和消费者来说有哪些好处呢？ 首先，OEM将受益于更简单、更具成本效益的网络，这有助于他们以非常高效且经济的方式添加新功能，甚至在车辆投产后也能进行改动。对于终端消费者而言，这意味着通过多领域功能（无论是ADAS、车载信息娱乐系统（IVI）还是传动系统），在整车范围内获得非常无缝的体验，将所有这些功能结合起来，打造出更个性化、更安全、更便捷的体验。 至此，本期《Driving Innovation 》节目就到这里。敬请继续关注后续内容，我们将对其中一些话题进行更深入的探讨。谢谢。