汽车以太网会最终胜出吗？
始于信息娱乐系统
不同类型的网络通信
这可以归结为一个问题，即网络需求是什么。答案是受到必须传输的不同类型的数据的影响。
在一种情况下，常规的网络数据和流媒体数据之间是有区别的。网络数据往往由各种不同大小的数据包组成，并出于不同的目的在网络上向多个方向移动。平均而言，它在流量方向上是对称的，有些是来，有些是去。以太网被广泛认为是这种流量的自然选择。
相比之下，由传感器发出的流数据可能没有自然的分界线，使分组变得容易。虽然流的大块数据可以被放入数据包，但通常是在一些任意的时间间隔内完成。此外，流量往往是高度不对称和单向的。
Cadence汽车解决方案总监Robert Schweiger说：“你有大量的数据从传感器传到汽车上，而你可能只需要其它反向的一点点数据来配置传感器。对于显示器来说，情况正好相反。你有大量的数据流向显示器，显示各种东西。但它不需要与数据源进行通信。”
以太网不被视为流数据的有效网络选择。因为以太网本质上是双向的，这种后向通道容量很大程度上会被浪费掉。这可能是OEM对单一网络的渴望与实际考虑相冲突的最鲜明的例子。
还有外部数据，如V2X与当地基础设施或信息娱乐系统的通信和内部数据之间的区别，后者是在内部产生和使用的。外部通信必然是无线的，这意味着它的网络需求将不同于内部通过线束处理的数据。
Cadence的市场总监Tom Wong指出：“无线模块将通过PCIe的方式与计算机通信。”
带宽要求
以太网速度并不是低级别的控制信息传递所需要的。它是由信息娱乐、ADAS和远程信息处理的需求所驱动的。
Fritz指出：“中央式方案的主要挑战之一是带宽，它可以轻易地增加到10Gbps。我们离10Gbps还有一段距离，更不用说100G了。对于汽车以太网，目前我们的速度是1Gbps。”
但内部需求可能会超过这个数字，特别是将数据流传到中央处理器。雷达数据不需要1G的以太网，低速以太网就可以。摄像头可以用以太网，如果增加了激光雷达，那么摄像头/激光雷达数据的组合就需要高速以太网。
现在有10Gbps的PHYs，但它们很复杂，也很贵。而且它们只能作为单独的芯片使用，而不是作为集成到SoC的IP。
Schweiger说：“从商业角度以及从将进入汽车的PHY的数量来看，将这种10-Gb以太网PHY作为IP可能很有意思。最有可能的是，第一个版本将是外部PHY，以后可能是一个集成版本。”
然而，即使有了这样的IP，仍然存在着散热问题。这些驱动器会发热，需要用散热器。在小型纯驱动芯片上安装散热器成本较低。如果在整个SoC的成本中加入仅用于以太网驱动器的散热器，则成本更高。
Cadence的Wong说：“想象一下，你把一堆高速以太网PHY放入一个SoC中，你有5个不同的通道都在驱动20或30甚至50英尺长的线束。SoC会发热，所以SoC的低成本封装就别想了。你必须采用散热器封装。而成本上升不是因为芯片本身，是因为封装和散热器。”
带宽需求可能低于10Gbps（例如2.5或5Gbps），但预计不会有专用设备满足这些速度。相反，人们会从1Gbps跳到10Gbps，但将时钟拨回到所需的速率。也就是说，一个中央架构所需带宽甚至可能超过10Gbps，甚至超出了当今最先进的PHY芯片所能达到的带宽。
这也是为什么zonal架构目前最受欢迎的另一个原因。高带宽的活动可以在本地处理，更高级别的数据（与原始数据相比自然是压缩的）与中央处理器通信所需的带宽更少。
鉴于这种安排，人们（但不是普遍地）预计，以太网将作为骨干网络，所有的zone将用来与中央枢纽通信。剩下的问题是在这些zone内会发生什么，答案并不清楚。
Zonal的冲突
在一个zone内，执行着许多不同的功能。对以太网抗拒最强的是流媒体，目前往往由基于MIPI的协议主导。虽然MIPI的D-PHY和C-PHY在手机中占主导地位，但该组织已经提出了一个串行A-PHY版本，可以处理车辆中高达15米的范围。同时，新的ASA组织提出了一个不同的串行标准来处理汽车摄像头和显示器数据。目前还不清楚哪一个会占主导地位。
可用性和多个供应源是一个重要的考虑因素。Schweiger说：“我们不希望只有一个供应商，我们希望有五个，甚至更多，这样我们就不会遇到供应链问题。”
Swanson表示赞同。“许多OEM希望坚持这些标准，但他们希望标准能使他们的供应商相互竞争。”
对于速度较慢的控制相关的信息传递，CAN在历史上一直占主导地位，而且它仍然可以存在于zone内。另外，新的10-BASE-T1S提供了一个双绞线多分流选项，运行速度可达10Mbps。
Swanson指出：“10-BASE-T1S实际上是作为CAN的替代品而设计的。对于流媒体数据来说，它的速度远远不够，但对于控制来说是没问题的。”
Kouthon指出：“当你控制舒适性功能相关的ECU时（比如让座椅上下和向后倾斜的ECU），那就是一个开关，你不需要用以太网来做这个，像CAN或LIN这样的传统网络已经足够了。”
但如果异步以太网版本浮出水面，可能还有另一种选择。Schweiger说：“有些人赞成推广所谓的异步以太网通信。所以你在一个方向上的带宽很宽，在另一个方向上减少带宽。”
虽然不清楚这到底是什么，但据推测，它的好处是可以利用当前汽车以太网的工作成果，在更大程度上统一网络。
还有规模的问题。一些人认为，汽车的接口决定是受手机的影响，而手机的销量规模要比汽车大得多。如果摄像头供应商只关注手机的格式（目前是MIPI），那么这可能会压倒Tier1或OEM可能的其他选择。
网络安全和可靠性
网络安全问题显然是一个问题。MacSec是一种第二层安全协议，预计将在车辆内部署，它的可用性增加了以太网成为主要竞争者的因素。
Kouthon说：“MacSec是一种线速技术，对延迟或带宽几乎没有影响。它可以用来验证所有传感器与中央控制单元的关系，所以你会知道你收到的是否是来自车辆的真实摄像头的信息。你不是从一个中间介质那里接收的。”
但汽车上有两个主要的数据流需要保护。一种是内部产生的流量，理论上，如果没有某种物理连接，就不能被破坏。还有通过外部无线连接进入汽车的数据流。
无线信号既连接到安全关键的V2X通信，也连接到非关键的信息娱乐流。这些流也需要在堆栈的更高级别上得到保护。
Zonal架构本身可能提供更高的安全性。Kouthon说：“如果你的zone受到网关的限制，就会提高安全级别。当你有分段的VLAN时，管理安全更容易，你知道谁被授权与另一个子网络通信。”
同时，可靠性对于网络的安全关键方面非常重要。噪声如果严重到足以破坏信息，就会产生严重的影响。
Patel解释说：“屏幕如果宕机了会很烦人，但它不是安全关键。如果依赖安全连接的ADAS系统发送了错误的信息或信息被破坏，就是一场灾难了。”
虽然出于成本和重量的考虑，人们强烈希望使用非屏蔽双绞线，但车辆内的电磁干扰太大，似乎需要屏蔽双绞线来防止噪音。
汽车以太网互操作
改善汽车以太网中TSN功能还有更多的工作需要去做。以太网是一个OSI第二层协议，附着在各种PHY（第一层）选项上。对于标准的以太网（例如用于办公室网络）第三层通常是IP，第四层通常是TCP，但偶尔是UDP。
因此，虽然以太网在许多应用中发挥着作用，但它只是整个网络堆栈中的一层。但是，今天的“汽车以太网”的概念采用了第二层的概念，并将其分配给整个堆栈。事实上，随着TSN功能的标准化，这似乎已经进入了人们的思维。
Schlechter说：“在以太网之前，汽车领域的每一个通信协议都是一个完整的堆栈。在汽车以太网中，他们实际上是在谈论一些传输的问题。”
图2：七层OSI网络堆栈。在左边，一个典型的桌面计算堆栈通过传输层显示出来。在右边，TSN的功能已经跨越了通常远远超出以太网范围的层。
TSN的功能是在提供系统间互操作的层面上指定的，它包括传统上可能存在于更高层次的元素。全栈倾向于用软件来实现上层，硬件在第一层和第二层的一部分占主导地位。事实证明，虽然系统可以互操作，但TSN规范还没有被设定在一个允许芯片明确互操作的水平。
Swanson说：“结果是，针对这些不同的市场提供了不同'口味’的以太网。有一个汽车配置文件，一个工业配置文件，一个服务供应商配置文件，以及一个航空航天配置文件。还可能有其他一些。我们也在与5G领域交谈，以确保所有这些东西都能一起工作。”
Schlechter说：“然而，这与最初的以太网不一致。这不是以太网的工作方式。在以太网这个词前面真的不应该有那些东西。它只是以太网而已。”
Schlechter继续说：“如果芯片制造商能够将一个芯片卖到多个市场，那么汽车芯片的经济效益就会显著改善。即使你有这些不同的垂直行业在使用它，到最后，有时同一个组件可以进入这些不同的市场。”
其他人也同意。Avnu联盟的芯片验证任务组主席、ADI确定性以太网技术组的营销总监Tom Weingartner说：“今天在标准以太网中，MAC（media access controller，位于第二层底部）就是MAC，而我们想通过TSN达到的目的只是另一个MAC。但规范并不一定会说，'你需要这样改变那个MAC，以便所有人的MAC都能一起工作’。”
这在很大程度上与合规性本身无关，因为这些TSN功能大多是可选的。Schlechter指出：“这就是以太网规模经济的方式。每当有人使用以太网时，就会有一百种你不不见得会使用的东西。”
但是在功能存在的地方，很难比较芯片以了解哪些具有必要的功能和性能。因此，Avnu联盟正在努力在一定程度上进一步指定功能，以促进或至少澄清TSN功能的不同芯片实现之间的互操作性。
Schlechter说：“有时我们只是需要一个共同的标准。”
结论
汽车网络在很大程度上仍然是一个开放的讨论。它在OEM中得到了很高的重视，以至于大众已经成立了一个部门专门处理网络问题。目前人们更倾向于以太网为骨干的zonal架构，尽管这还不是确定的答案，一些OEM可能会走不同的方向。
在可预见的未来，带宽需求将继续增长，尽管它们可能在未来某个遥远的时刻趋于平稳。Wong说：“可能是5年，也可能是10年，但我们将达到L5。而这代表了最高的实际带宽要求。”
在zone内，可以包含许多可能的网络。就目前而言，这种多样性可能仍会持续。问题是它们是否会随着时间的推移迁移到某种版本的以太网。这不会很快发生，因为出于设计风险的考虑，变化将根据需要逐步进行。
Swanson说：“OEM绝对有兴趣在一个单一的网络上进行整合，因为它使一切变得更简单。但你不可能在一夜之间变成一个单一的网络。”
而且，以太网在汽车中的渗透程度还需要很多年才能知道。
[参考文章]
Will Automotive Ethernet Win? — Bryon Moyer
from A to B