新能源汽车车内实时以太网技术发展综述
晏欣炜+周奎+朱政泽+王思山+周海鹰
摘要：
汽车产业正朝智能化方向发展，对汽车电控系统的网络架构与通信能力提出了挑战。具有高带宽、高实时、高安全性和高可靠性的车内实时以太网技术作为下一代车载网络的发展方向，受到广泛关注。分析了现有国内外新能源汽车车载网络技术（In-vehicle Network， IVN）的发展现状，阐述了车载网络在带宽压力及高可靠性需求下面临的挑战，讨论了未来以太网技术结合汽车产业的发展趋势，最后指出进一步完善汽车电控架构设计，开发车载以太网产品，制订相关标准规范的必要性。
关键词：车载网络技术；汽车电控架构；汽车智能化；实时以太网技术
DOIDOI：10.11907/rjdk.173318
中图分类号：TP393
文獻标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）001000404
Abstract：Intelligentization is the direction of the development of automobile industry. Automotive electronic control system network architecture and communications capabilities are facing new challenges. Invehicle Realtime Ethernet technology with high bandwidth， high realtime， high security and high reliability attracts a lot of attention as the development direction of the next generation of vehicular network. In this paper， the current development of Invehicle Network （IVN） technology for new energy vehicles was analyzed. The challenges faced by IVN technology under the demand of bandwidth pressure and high reliability were expounded. The future development trend of Ethernet technology combined with automobile industry was also discussed. Finally， this paper pointed out the necessity of further improving the design of automotive electronic control structure， developing vehicle Ethernet products and formulating relevant standards.
Key Words：Invehicle Network （IVN）； automotive electronic control structure； automotive intelligentization； realtime ethernet technology
0引言
发展新能源汽车既是有效缓解能源和环境压力，也是推动汽车产业可持续发展的紧迫任务。中国颁布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》，将“节能与新能源汽车”纳入《中国制造2025》的战略任务和重点突破领域。尽管中国新能源汽车产业发展较快、初具规模，但作为新能源汽车三大核心技术之一的电控系统尚未取得突破，相关的技术标准、协议专利及核心零部件仍由国外企业垄断，新能源汽车的成本居高不下，产业的盈利水平和竞争能力难以持续与国外企业抗衡[1]。
目前，汽车技术正沿着智能化、轻量化、电动化的方向发展，汽车影音娱乐、主动安全、智能驾驶与智能网联等新兴业务正在或即将涌现。智能化与电动化以及新兴业务的出现，要求电控系统网络化，支持高度的系统集成和分布式实时控制，这对电控系统的网络架构和通信能力提出了挑战，迫切需要车载网络架构（IVN）具有高带宽、高实时、高安全性、高可靠性的品质，提供支持分布式实时通信与控制高效可靠的车载总线协议、信息安全体系及容错保障机制[2]。
1国内外新能源汽车IVN技术现状
1.1电控系统技术来源及构成
电控系统最早由德国博世（Bosch）公司基于降低油耗、提高燃油经济性、降低排放量、达到（美国加州）政府废气排放标准，于1967年成功引入汽车。现在的汽车电控系统通常由传感器、ECU（Electronic Control Unit，控制器）和执行器组成；传感器用于采集汽车内外的状态信息，控制器中的程序能接收处理来自传感器的数据，并给执行器发送指令，执行器能根据指令对相应汽车状态作出调整。
1.2电控系统技术演化及特征
早期的电控系统采用点到点的通信技术，电控系统内部的ECU、传感器、执行器之间，以及不同电控系统之间均需专线连接，这种通信技术下的IVN架构如图1所示，汽车上线束在重量、体积、成本等方面所占比重高，布线和网络维护工作量大。
图1点到点通信下车内线束及IVN拓扑结构
由于存在多个ECU需要相同传感器信息的情况，为了减少传感器数量，同时降低线束给汽车带来的重量、体积、布线和维护压力，降低汽车成本，20世纪80年代出现了多路通信技术，IVN架构呈现多种总线共存的局面，如图2所示，有代表性的总线协议有CAN、LIN、FlexRay、MOST，此类汽车电控系统硬件结构如图3所示[3]。
CAN、LIN、FlexRay、MOST等4种IVN总线的特征如表1所示。目前，新能源汽车采用多路通信技术下的IVN架构，这是一个支持分布式实时控制的网络架构[45]。
2国内外新能源汽车IVN技术面临挑战
“能源、污染、拥堵、安全”是汽车产业的四大公害。如果说“能源、污染”导致了新能源汽车产业的出现，那么“拥堵、安全”仍然是新能源汽车不可回避的矛盾。“高效、安全、舒适、节能”是客户的需求，也是新能源汽车的发展目标。在客户需求和新兴汽车电子技术的助推下，车载影音娱乐、主动安全、无人驾驶等业务正走向新能源汽车，智能网联带来的车内车外无线互联互通正变成现实（见图4），新能源汽车IVN面临严峻挑战[67]。
2.1带宽压力
主動安全、无人驾驶等业务不仅需要更多、分辨率更高的传感器，而且需要ECU之间有更多的协同交互；智能网联下从车外进入IVN的通信数据更有显著增加，表2给出了2020年后IVN通信带宽需求预测。在此预测下，当今作为IVN骨干网络的CAN面临淘汰的境地，MOST由于带宽共享的工作方式也难以满足需要，急需更快传输速度，更高带宽的通信协议支撑。
2.2安全可靠性压力
安全可靠性压力表现在功能可靠性压力和信息安全性压力两个方面。车内车外互联大大增加了IVN遭受外部信息安全攻击的危险，如图5所示。针对IVN的信息安全攻击，轻则减少了客户“舒适、高效”的驾乘感受，重则会造成安全事故，带来生命危险，如表3所示。由于历史原因，现有IVN总线协议都缺少信息安全机制。当大量的主动安全、无人驾驶技术引入汽车后，这些安全关键（safetycritical）的电控系统急需IVN架构提供容错通信能力：如能容忍电路失效、线路故障，冗余部件无缝自动切换、错误遏制等，现有IVN协议及其架构冗余通信能力有限，电控系统的可靠性难以保障。
2.3灵活性压力
在IVN上增加、删除、更换结点时，基于协议原因，相关部件需要作程序的修改、刷新、测试，带来了汽车维修和个性化生产的高投入、高成本；多总线共存造成支持IVN内部互联互通的协议栈设计复杂，扩展性、开放性有限。IVN亟需引入支持自适应、热插拔的网联架构。
3国内外新能源汽车IVN技术发展趋势
针对新能源汽车IVN架构面临的通信带宽、安全可靠性以及架构灵活性等挑战，汽车行业内外都把研究的焦点集中到被广泛使用的以太网技术上，基于以太网的IVN技术正成为IVN技术的发展趋势。
3.1技术缺陷与应用
采用以太网为底层协议的TCP/IP参考模型在局域网中的巨大成功，使得以太网技术在网络互联中得到了广泛应用；但以太网技术也有不足，最为诟病的是其MAC层访问控制协议CSMA/CD，其MAC机制和冲突退避算法会导致信息传送的滞后和延时的非确定性，以及结点通信的不公平性，影响通信的实时性。在工业自动化领域，通过实施一系列控制碰撞的措施，响应时间介于5～10ms的工业以太网技术（如ProfiNet、EtherNet/IP、ModbusIDA）和响应时间小于5ms的实时以太网技术（如Ethernet PowerLink、ProfiNetRT、EtherCAT）已经获得了广泛应用[8]。
3.2技术发展与趋势
近两年来，选用以太网技术作为下一代IVN架构的发展方向受到了汽车行业内部及通讯业技术人员的广泛关注，国外主要汽车制造商（如宝马、通用、戴姆勒克莱斯勒等）和半导体公司（如博通、恩智浦、麦瑞半导体等）已经推出了一些适应车载环境并符合标准以太网的应用层元件，密切关注并积极推动标准以太网介入IVN的发展程度，积极参与讨论和制定适用于车载环境及应用的以太网标准，支持车载以太网项目的研究并联合成立了一些行业标准组织 。如TTAGroup（由TTTech、奥迪、AIRBUS、德尔福、霍尼韦尔、标致雪铁龙等公司组成，致力于推广时间触发的以太网技术）、IEEE RTPGE 工作组（RTPG即Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet，IEEE 802.3下的工作组，致力于使用少于3对双绞线实现1Gbps的以太网传输速度）、AVnu 联盟（由博通、思科、哈曼、英特尔、赛灵思组成，致力于推广IEEE 802.1的Audio Video Bridging/TimeSensitive Networking标准）、OPEN 联盟（OPEN即OnePair EtherNet，由博通、恩智浦、飞思卡尔、哈曼等公司组成，致力于推广博通的一对双绞线上100Mbps的以太网传输速度技术BroadrReach）等。然而遗憾的是，这些联盟及组织中罕有我国汽车制造商及半导体公司的身影，参与汽车以太网研究的国内单位也少有报道[910]。
3.3技术潜力与代表成果
当前车载以太网研究有三大代表性成果：博通公司的BroadrReach技术、AVnu 联盟的AVB/TSN技术和TTTech公司的TTEthernet技术。
（1）2011年博通公司在一对非屏蔽双绞线（传统以太网使用4对双绞线）上重新实现了以太网的物理层电气规范，支持100Mbps的传输速度、25m的传输距离和车内使用环境，简称BroadrReach技术。如果IVN全部使用博通以太网技术，预计车内互连的成本降低80%，线缆重量减少30%。BroadRReach技术已经应用在2014和2015款宝马X5、2015款捷豹路虎XJ以及2015款大众帕萨特中。但BroadrReach技术没有改变以太网MAC层协议，高速降低了碰撞机会，但延时的不确定性仍然存在，不易适用于时间苛刻的领域。
（2）AVnu 联盟的AVB/TSN技术在传统以太网络的基础上，通过保障带宽、限制延迟、精确时钟同步、提供完美的服务质量QoS，以支持响应时间介于时间触发的实时网络与异步传输的以太网之间，对时间敏感的各种实时音/视频网络多媒体应用，目前仍处于标准完善中。
（3）TTTech公司的TTEthernet技术以时间触发机制和时钟同步机制为基础，实现了硬实时、软实时和没有实时性要求的不同数据并行传输，同时也支持安全性和可用性标准，可用于汽车ADAS、车载多媒体以及汽车线控等领域。
4结语
通过车载实时以太网技术研究，不仅可以进一步完善汽车电控架构设计基础理论与方法，开发车载以太网产品，制订相关标准规范，而且可以提高国内汽车电控系统研发设计的水平，最重要的是为汽车智能化、电动化和轻量化发展奠定基础。
根据Strategy Analytics的数据，车载以太网会从2016年开始有巨大的增长，预计2020年全球车载以太网结点将达到1.5亿个，市场潜力巨大，应该引起我国科技研究界、汽车产业界的重视。
参考文献：
[1]赵素娟.节能与新能源汽车推广模式初探[J].科技资讯，2013（11）：215216.
[2]孙永才，温晋峰.基于以太网的车载通信系统设计[J].都市快轨交通，2015，28（3）：133135.
[3]胡思德.汽车车载网络（VAN/CAN/LIN）技术详解[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]罗峰，陈智琦，刘矗，等.基于FlexRay的车载网络系统开发[J].电子测量与仪器学报，2009，23（s1）：289295.
[5]STEVE C TALBOT， SHANGPING REN. Comparision of fieldbus systems， CAN， TTCAN， flexray and lin in passenger vehicles[J].IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops， 2009，82（3）：2631.
[6]宋超，刘明，龚海刚，等.基于分布式实时信息的车载网络路由协议[J].软件学报，2011，22（3）：466480.
[7]LIM，HYUNGTAEK，VOLKER L，et al. Challenges in a future IP/Ethernetbased incar network for realtime applications[C] Proceedings of the 48th Design Automation Conference，2011：712.
[8]FOSS R，ROUGET A.Immersive audio content creation using mobile devices and Ethernet AVB[C]Audio Engineering Society Convention 139，2015.
[9]TUOHY， SHANE. Intravehicle networks：a review[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2014，16（2）：534545.
[10]呼布欽，秦贵和，刘颖，等.下一代汽车网络：车载以太网技术现状与发展[J].计算机工程与应用，2016，52（24）：2936.
（责任编辑：何丽）
摘要：
汽车产业正朝智能化方向发展，对汽车电控系统的网络架构与通信能力提出了挑战。具有高带宽、高实时、高安全性和高可靠性的车内实时以太网技术作为下一代车载网络的发展方向，受到广泛关注。分析了现有国内外新能源汽车车载网络技术（In-vehicle Network， IVN）的发展现状，阐述了车载网络在带宽压力及高可靠性需求下面临的挑战，讨论了未来以太网技术结合汽车产业的发展趋势，最后指出进一步完善汽车电控架构设计，开发车载以太网产品，制订相关标准规范的必要性。
关键词：车载网络技术；汽车电控架构；汽车智能化；实时以太网技术
DOIDOI：10.11907/rjdk.173318
中图分类号：TP393
文獻标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）001000404
Abstract：Intelligentization is the direction of the development of automobile industry. Automotive electronic control system network architecture and communications capabilities are facing new challenges. Invehicle Realtime Ethernet technology with high bandwidth， high realtime， high security and high reliability attracts a lot of attention as the development direction of the next generation of vehicular network. In this paper， the current development of Invehicle Network （IVN） technology for new energy vehicles was analyzed. The challenges faced by IVN technology under the demand of bandwidth pressure and high reliability were expounded. The future development trend of Ethernet technology combined with automobile industry was also discussed. Finally， this paper pointed out the necessity of further improving the design of automotive electronic control structure， developing vehicle Ethernet products and formulating relevant standards.
Key Words：Invehicle Network （IVN）； automotive electronic control structure； automotive intelligentization； realtime ethernet technology
0引言
发展新能源汽车既是有效缓解能源和环境压力，也是推动汽车产业可持续发展的紧迫任务。中国颁布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》，将“节能与新能源汽车”纳入《中国制造2025》的战略任务和重点突破领域。尽管中国新能源汽车产业发展较快、初具规模，但作为新能源汽车三大核心技术之一的电控系统尚未取得突破，相关的技术标准、协议专利及核心零部件仍由国外企业垄断，新能源汽车的成本居高不下，产业的盈利水平和竞争能力难以持续与国外企业抗衡[1]。
目前，汽车技术正沿着智能化、轻量化、电动化的方向发展，汽车影音娱乐、主动安全、智能驾驶与智能网联等新兴业务正在或即将涌现。智能化与电动化以及新兴业务的出现，要求电控系统网络化，支持高度的系统集成和分布式实时控制，这对电控系统的网络架构和通信能力提出了挑战，迫切需要车载网络架构（IVN）具有高带宽、高实时、高安全性、高可靠性的品质，提供支持分布式实时通信与控制高效可靠的车载总线协议、信息安全体系及容错保障机制[2]。
1国内外新能源汽车IVN技术现状
1.1电控系统技术来源及构成
电控系统最早由德国博世（Bosch）公司基于降低油耗、提高燃油经济性、降低排放量、达到（美国加州）政府废气排放标准，于1967年成功引入汽车。现在的汽车电控系统通常由传感器、ECU（Electronic Control Unit，控制器）和执行器组成；传感器用于采集汽车内外的状态信息，控制器中的程序能接收处理来自传感器的数据，并给执行器发送指令，执行器能根据指令对相应汽车状态作出调整。
1.2电控系统技术演化及特征
早期的电控系统采用点到点的通信技术，电控系统内部的ECU、传感器、执行器之间，以及不同电控系统之间均需专线连接，这种通信技术下的IVN架构如图1所示，汽车上线束在重量、体积、成本等方面所占比重高，布线和网络维护工作量大。
图1点到点通信下车内线束及IVN拓扑结构
由于存在多个ECU需要相同传感器信息的情况，为了减少传感器数量，同时降低线束给汽车带来的重量、体积、布线和维护压力，降低汽车成本，20世纪80年代出现了多路通信技术，IVN架构呈现多种总线共存的局面，如图2所示，有代表性的总线协议有CAN、LIN、FlexRay、MOST，此类汽车电控系统硬件结构如图3所示[3]。
CAN、LIN、FlexRay、MOST等4种IVN总线的特征如表1所示。目前，新能源汽车采用多路通信技术下的IVN架构，这是一个支持分布式实时控制的网络架构[45]。
2国内外新能源汽车IVN技术面临挑战
“能源、污染、拥堵、安全”是汽车产业的四大公害。如果说“能源、污染”导致了新能源汽车产业的出现，那么“拥堵、安全”仍然是新能源汽车不可回避的矛盾。“高效、安全、舒适、节能”是客户的需求，也是新能源汽车的发展目标。在客户需求和新兴汽车电子技术的助推下，车载影音娱乐、主动安全、无人驾驶等业务正走向新能源汽车，智能网联带来的车内车外无线互联互通正变成现实（见图4），新能源汽车IVN面临严峻挑战[67]。
2.1带宽压力
主動安全、无人驾驶等业务不仅需要更多、分辨率更高的传感器，而且需要ECU之间有更多的协同交互；智能网联下从车外进入IVN的通信数据更有显著增加，表2给出了2020年后IVN通信带宽需求预测。在此预测下，当今作为IVN骨干网络的CAN面临淘汰的境地，MOST由于带宽共享的工作方式也难以满足需要，急需更快传输速度，更高带宽的通信协议支撑。
2.2安全可靠性压力
安全可靠性压力表现在功能可靠性压力和信息安全性压力两个方面。车内车外互联大大增加了IVN遭受外部信息安全攻击的危险，如图5所示。针对IVN的信息安全攻击，轻则减少了客户“舒适、高效”的驾乘感受，重则会造成安全事故，带来生命危险，如表3所示。由于历史原因，现有IVN总线协议都缺少信息安全机制。当大量的主动安全、无人驾驶技术引入汽车后，这些安全关键（safetycritical）的电控系统急需IVN架构提供容错通信能力：如能容忍电路失效、线路故障，冗余部件无缝自动切换、错误遏制等，现有IVN协议及其架构冗余通信能力有限，电控系统的可靠性难以保障。
2.3灵活性压力
在IVN上增加、删除、更换结点时，基于协议原因，相关部件需要作程序的修改、刷新、测试，带来了汽车维修和个性化生产的高投入、高成本；多总线共存造成支持IVN内部互联互通的协议栈设计复杂，扩展性、开放性有限。IVN亟需引入支持自适应、热插拔的网联架构。
3国内外新能源汽车IVN技术发展趋势
针对新能源汽车IVN架构面临的通信带宽、安全可靠性以及架构灵活性等挑战，汽车行业内外都把研究的焦点集中到被广泛使用的以太网技术上，基于以太网的IVN技术正成为IVN技术的发展趋势。
3.1技术缺陷与应用
采用以太网为底层协议的TCP/IP参考模型在局域网中的巨大成功，使得以太网技术在网络互联中得到了广泛应用；但以太网技术也有不足，最为诟病的是其MAC层访问控制协议CSMA/CD，其MAC机制和冲突退避算法会导致信息传送的滞后和延时的非确定性，以及结点通信的不公平性，影响通信的实时性。在工业自动化领域，通过实施一系列控制碰撞的措施，响应时间介于5～10ms的工业以太网技术（如ProfiNet、EtherNet/IP、ModbusIDA）和响应时间小于5ms的实时以太网技术（如Ethernet PowerLink、ProfiNetRT、EtherCAT）已经获得了广泛应用[8]。
3.2技术发展与趋势
近两年来，选用以太网技术作为下一代IVN架构的发展方向受到了汽车行业内部及通讯业技术人员的广泛关注，国外主要汽车制造商（如宝马、通用、戴姆勒克莱斯勒等）和半导体公司（如博通、恩智浦、麦瑞半导体等）已经推出了一些适应车载环境并符合标准以太网的应用层元件，密切关注并积极推动标准以太网介入IVN的发展程度，积极参与讨论和制定适用于车载环境及应用的以太网标准，支持车载以太网项目的研究并联合成立了一些行业标准组织 。如TTAGroup（由TTTech、奥迪、AIRBUS、德尔福、霍尼韦尔、标致雪铁龙等公司组成，致力于推广时间触发的以太网技术）、IEEE RTPGE 工作组（RTPG即Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet，IEEE 802.3下的工作组，致力于使用少于3对双绞线实现1Gbps的以太网传输速度）、AVnu 联盟（由博通、思科、哈曼、英特尔、赛灵思组成，致力于推广IEEE 802.1的Audio Video Bridging/TimeSensitive Networking标准）、OPEN 联盟（OPEN即OnePair EtherNet，由博通、恩智浦、飞思卡尔、哈曼等公司组成，致力于推广博通的一对双绞线上100Mbps的以太网传输速度技术BroadrReach）等。然而遗憾的是，这些联盟及组织中罕有我国汽车制造商及半导体公司的身影，参与汽车以太网研究的国内单位也少有报道[910]。
3.3技术潜力与代表成果
当前车载以太网研究有三大代表性成果：博通公司的BroadrReach技术、AVnu 联盟的AVB/TSN技术和TTTech公司的TTEthernet技术。
（1）2011年博通公司在一对非屏蔽双绞线（传统以太网使用4对双绞线）上重新实现了以太网的物理层电气规范，支持100Mbps的传输速度、25m的传输距离和车内使用环境，简称BroadrReach技术。如果IVN全部使用博通以太网技术，预计车内互连的成本降低80%，线缆重量减少30%。BroadRReach技术已经应用在2014和2015款宝马X5、2015款捷豹路虎XJ以及2015款大众帕萨特中。但BroadrReach技术没有改变以太网MAC层协议，高速降低了碰撞机会，但延时的不确定性仍然存在，不易适用于时间苛刻的领域。
（2）AVnu 联盟的AVB/TSN技术在传统以太网络的基础上，通过保障带宽、限制延迟、精确时钟同步、提供完美的服务质量QoS，以支持响应时间介于时间触发的实时网络与异步传输的以太网之间，对时间敏感的各种实时音/视频网络多媒体应用，目前仍处于标准完善中。
（3）TTTech公司的TTEthernet技术以时间触发机制和时钟同步机制为基础，实现了硬实时、软实时和没有实时性要求的不同数据并行传输，同时也支持安全性和可用性标准，可用于汽车ADAS、车载多媒体以及汽车线控等领域。
4结语
通过车载实时以太网技术研究，不仅可以进一步完善汽车电控架构设计基础理论与方法，开发车载以太网产品，制订相关标准规范，而且可以提高国内汽车电控系统研发设计的水平，最重要的是为汽车智能化、电动化和轻量化发展奠定基础。
根据Strategy Analytics的数据，车载以太网会从2016年开始有巨大的增长，预计2020年全球车载以太网结点将达到1.5亿个，市场潜力巨大，应该引起我国科技研究界、汽车产业界的重视。
参考文献：
[1]赵素娟.节能与新能源汽车推广模式初探[J].科技资讯，2013（11）：215216.
[2]孙永才，温晋峰.基于以太网的车载通信系统设计[J].都市快轨交通，2015，28（3）：133135.
[3]胡思德.汽车车载网络（VAN/CAN/LIN）技术详解[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]罗峰，陈智琦，刘矗，等.基于FlexRay的车载网络系统开发[J].电子测量与仪器学报，2009，23（s1）：289295.
[5]STEVE C TALBOT， SHANGPING REN. Comparision of fieldbus systems， CAN， TTCAN， flexray and lin in passenger vehicles[J].IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops， 2009，82（3）：2631.
[6]宋超，刘明，龚海刚，等.基于分布式实时信息的车载网络路由协议[J].软件学报，2011，22（3）：466480.
[7]LIM，HYUNGTAEK，VOLKER L，et al. Challenges in a future IP/Ethernetbased incar network for realtime applications[C] Proceedings of the 48th Design Automation Conference，2011：712.
[8]FOSS R，ROUGET A.Immersive audio content creation using mobile devices and Ethernet AVB[C]Audio Engineering Society Convention 139，2015.
[9]TUOHY， SHANE. Intravehicle networks：a review[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2014，16（2）：534545.
[10]呼布欽，秦贵和，刘颖，等.下一代汽车网络：车载以太网技术现状与发展[J].计算机工程与应用，2016，52（24）：2936.
（责任编辑：何丽）
