引言：軟件定義車輛的新時代

全球汽車行業(yè)趨勢正迅速從硬件定義車輛轉(zhuǎn)向軟件定義車輛。因此，許多傳統(tǒng)上由機械系統(tǒng)驅(qū)動的特性和功能現(xiàn)在已經(jīng)主要由軟件進行控制。雖然這種轉(zhuǎn)變是創(chuàng)造新一代電動汽車和自動駕駛汽車的關(guān)鍵，但它也增加了車輛的復(fù)雜性，并且更加強調(diào)車載網(wǎng)絡(luò)的效率、信息安全和功能安全。

對于汽車制造商而言，不斷延長的車輛軟件生命周期也意味著他們現(xiàn)在必須在 10 至 15 年期間，持續(xù)為車輛軟件提供更新和信息安全補丁。同時，今天的消費者希望能夠以快捷簡單的方式，持續(xù)獲得新功能和優(yōu)化車輛性能。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，汽車制造商正在尋找各種解決方案，以便有效地管理軟件和線路的復(fù)雜性以及由復(fù)雜的項目和大型分布式團隊帶來的集成風(fēng)險。

驅(qū)動軟件復(fù)雜性增長的三大趨勢是什么？

在汽車制造商持續(xù)分離硬件和軟件的過程中，他們需要采用更加靈活的新方法來開發(fā)和集成軟件。由于各品牌愈發(fā)重視軟件的獨特性，以吸引更多消費者和擴大市場份額，行業(yè)愈發(fā)重視車輛的差異化，從而進一步強化了對這個方面的要求?？偠灾?，駕馭車載計算機網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)對于行業(yè)實現(xiàn)長期成就來說至關(guān)重要。

汽車 E/E 架構(gòu)模式的轉(zhuǎn)變

當(dāng)今車輛的結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，因此行業(yè)需要重新設(shè)計 E/E 架構(gòu)以改善車輛性能，整合更先進的功能，并減輕電纜和線束的重量（圖 1）。因此，E/E 架構(gòu)中的代碼量和復(fù)雜性幾乎呈指數(shù)級增長。

例如，一個典型的車身控制器擁有 20 萬至 200 萬行代碼，高性能計算機（HPC）可能有 2000 萬至 5000 萬行代碼；據(jù)估計，SAE 標(biāo)準(zhǔn)的 L3-L5 級自動駕駛可能需要 3 億至 5 億行代碼。在車輛架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變得愈發(fā)重要，因為它們連接了終端節(jié)點并且能夠促進快速、高效和安全的數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（連接終端節(jié)點）是車載網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分

有三種不同類型的 E/E 架構(gòu)：

1)??? 域控架構(gòu)：連接到域控制器的 ECU（電子控制單元）。這些架構(gòu)結(jié)合了各種 ECU，這些 ECU 在公共域控制器或網(wǎng)關(guān)下的功能彼此相關(guān)。這種設(shè)計的特點在于根據(jù)不同的域?qū)?ECU 進行了細(xì)分，例如動力總成、底盤、信息娛樂和座艙。域控架構(gòu)的一個主要劣勢在于，它通常不會對布線進行優(yōu)化，因為各個功能域的 ECU 分布在整個車輛中。在域控架構(gòu)中，域控制器通?？勺鳛榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)揮作用，通常具有實時核心和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以及一個用于以太網(wǎng)連接的以太網(wǎng)交換機。

2)??? 中央式架構(gòu)：連接到中央 HPC 的 ECU（獨立于域）。在這類架構(gòu)中，大部分計算能力均由同一個集中式的高性能計算機（HPC）進行處理。這些 HPC 整合了服務(wù)器 ECU、傳感器或執(zhí)行器 ECU，可以發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的作用。

3)??? 區(qū)域式架構(gòu)：ECU 通過 HPC 骨干網(wǎng)與下一個區(qū)域 ECU 連接（獨立于域）。區(qū)域式架構(gòu)有助于滿足高級車輛功能（例如 ADAS 和自動駕駛）日益增長的軟件和計算需求。它們還能通過將相近的 ECU 整合在單個區(qū)域控制器中來應(yīng)對區(qū)域架構(gòu)的缺陷和局限性。這種整合顯著減少了布線和重量，但增加了軟件復(fù)雜性，因為區(qū)域控制器必須能夠根據(jù)其功能區(qū)分來自其連接的 ECU 的流量，但同時仍然需要獨立于其通信系統(tǒng)。在區(qū)域式架構(gòu)中，HPC 和區(qū)域 ECU 發(fā)揮著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的作用。

在中央式或區(qū)域式架構(gòu)中，HPC 通常具有實時核和高性能核（帶有相同的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)交換機），并與內(nèi)部高速連接。在區(qū)域式架構(gòu)中，區(qū)域 ECU 通常包括實時核、以太網(wǎng)交換機、傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和本地高速連接，因為它們需要處理不斷增加的數(shù)據(jù)量。

未來的車載網(wǎng)絡(luò)將是什么模樣？

各種行業(yè)分析預(yù)測，車輛中的 ECU 數(shù)量仍將顯著增長[1]，其主要驅(qū)動因素是自動駕駛功能和其他功能（如動力系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)）的需求。此外，Robert Bosch 的研究預(yù)計，在 2022 年[2]，汽車行業(yè)將面臨一個關(guān)鍵的問題，因為吞吐量將很快超過現(xiàn)有的路由和當(dāng)前使用的中央處理單元（CPU）處理性能（圖 2）。從這個信息來看，行業(yè)顯然必須采用一種新的對策。目前主要有兩種解決方案：a）增加 CPU 核心的數(shù)量和/或提高各個核的性能，或者b）增加使用卸載功能，和/或使用現(xiàn)代硬件平臺中已有的某些額外功能。

如何有效管理 ECU 間通信?

對于汽車制造商而言，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)實現(xiàn)快速且安全的車載通信是一個至關(guān)重要但也充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。為解決這個問題，Elektrobit 開發(fā)了 EB zoneo 產(chǎn)品系列，提供高效且可靠的解決方案，以幫助建立可擴展、功能安全和信息安全的 ECU 內(nèi)及 ECU 間通信。

EB zoneo SwitchCore 是一款車規(guī)級交換機固件，用于處理不斷增加的網(wǎng)絡(luò)功能，從而增強車輛的功能安全和信息安全。它支持新型的高級“智能”汽車以太網(wǎng)交換機，用于電動汽車、新一代 ADAS 和自動駕駛汽車所需的高速和高帶寬網(wǎng)絡(luò)。其設(shè)計旨在處理復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置、路由、QoS、防火墻、設(shè)備認(rèn)證及時間同步問題。此外，這款 SwitchCore 固件還可通過將網(wǎng)絡(luò)管理和與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的功能保留在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，以此分離終端節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)。使用這個方法，可以直接在硬件交換機內(nèi)完成信息安全域分離和時間同步。

為突出 EB zoneo 解決方案的有效性，我們有必要對比一下普通車輛軟件架構(gòu)與使用 SwitchCore 固件的高級范例的區(qū)別。在交換機硬件單元未使用固件的情況下，交換機的初始化、控制和配置就要通過一個特殊的 AUTOSAR 模塊來執(zhí)行，該模塊被稱為以太網(wǎng)交換機驅(qū)動程序（EthSwt）。

這個交換機執(zhí)行的是 L2 轉(zhuǎn)換和其他一些有賴于硬件的功能，例如時間同步或服務(wù)質(zhì)量等。如果主機需要某些健康數(shù)據(jù)，主機就會初始化一個特殊的寄存器讀數(shù)，它需要一定的時間和計算能力來提取所請求的數(shù)據(jù)。

這是一個相當(dāng)消耗資源的過程，并且要求具備特定的硬件知識以了解從何處讀取數(shù)據(jù)。此外，內(nèi)部或外部 Ethernet PHY（要么在交換機內(nèi)部，要么連接到交換機）必須由主機進行配置和控制，這樣就會減緩網(wǎng)絡(luò)啟動的速度（圖 3）。

EB zoneo SwitchCore 可以在交換機固件單元內(nèi)部的一個 CPU 核上定位和執(zhí)行。現(xiàn)代交換機通常都有一兩個內(nèi)部核，因此我們可以充分利用這些核，例如交換機內(nèi)外的 PHY。使用 EB zoneo SwitchCore 固件時，交換機可以自行啟動，從而顯著縮短網(wǎng)絡(luò)啟動時間。選定的健康數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可以自動收集，并在沒有主機特地請求的情況下，在 EB zoneo SwitchCore 和主機 MCU 之間進行交換（圖 4）。EB zoneo SwitchCore 產(chǎn)品中甚至還部署了 IP 路由、防火墻、信息安全，甚至是推送通知等功能（圖 5）。

此外，Elektrobit 還與 Argus 及其他可靠的第三方合作，創(chuàng)造了先進的網(wǎng)絡(luò)安全擴展件，可在未來為車輛提供更高的信息安全保障?？傊珽B zoneo SwitchCore 提供了汽車以太網(wǎng)交換機所需的智能水平，以滿足未來的智能、軟件定義車輛的需求。

使用 EB zoneo SwitchCore 有何獨特優(yōu)勢?

?? 額外的計算能力。固件直接在交換機上執(zhí)行高階網(wǎng)絡(luò)功能，解鎖微控制器單元中的額外資源，并提高計算性能。

?? 更快速的啟動和更安全的系統(tǒng)恢復(fù)。它可以確保獨立啟動交換機，減少了對微控制器單元（MCU）的相互依賴，從而加快了網(wǎng)絡(luò)啟動時間，提高了整體性能。

?? 容易實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)與硬件特性密切相關(guān)，并且能夠與來自多個領(lǐng)先的硬件供應(yīng)商的交換機兼容。

解決復(fù)雜的 ECU 內(nèi)通信挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的 ECU 是獨立的部件，位于不同的控制器上，具有其專用的只讀存儲器（ROM）和以太網(wǎng)連接。它們通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ靡蕴W(wǎng)交換機進行相互通信。今天，HPC 將這些 ECU 集成為虛擬機格式，并通過共享以太網(wǎng)連接繼續(xù)進行之前建立的通信。

這些虛擬機與獨立 ECU 的通信方式相同，這意味著它們?nèi)詴舜私粨Q以太網(wǎng)幀，或者同 HPC 外部的其他網(wǎng)絡(luò)參與者交換以太網(wǎng)幀。不過，HPC 內(nèi)部通常沒有特殊的硬件單元，并且HPC 中使用的微控制器往往只有一個物理以太網(wǎng)端口。這種局限性會制造出瓶頸和訪問問題，從而導(dǎo)致延遲甚至是掉幀。為糾正這些問題和提高速度和效率，Elektrobit 開發(fā)了一種新的軟件解決方案，即 EB zoneo VSwitch，將其作為 HPC 內(nèi)部的硬件交換機。

EB zoneo VSwitch 是一個模擬交換機功能的虛擬化模塊，旨在為虛擬機（VM）和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供快速可靠的通信。它可以提供 ECU 或 HPC 內(nèi)的 VM 之間以及 VM 與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。它支持使用 Classic AUTOSAR 和 Adaptive AUTOSAR（Linux）的虛擬機，并支持單播、組播和廣播幀、流量整形和時間同步。

EB zoneo VSwitch 是一種智能解決方案，可直接解決日益復(fù)雜的 E/E 架構(gòu)和滿足更高效的 ECU 內(nèi)部通信需求。它可以促進 ECU 內(nèi)交換機功能的虛擬化，并可通過共享的以太網(wǎng)交換機端口將多個虛擬機連接在一起。這種先進的解決方案提高了網(wǎng)絡(luò)速度和可靠性，同時降低了整體計算需求，支持實現(xiàn)創(chuàng)造新一代車輛所需的先進功能和特性。

使用 EB zoneo VSwitch 有何獨特優(yōu)勢？

??? 降低軟件復(fù)雜性。EB zoneo VSwitch 可通過硬件虛擬化來解決軟件復(fù)雜性不斷增加的挑戰(zhàn)。它實現(xiàn)了復(fù)雜的虛擬機集成和通信集群的準(zhǔn)確分離，并同時增強了網(wǎng)絡(luò)安全。

??? 縮短開發(fā)周期。虛擬以太網(wǎng)交換機為虛擬機提供了幾乎無限數(shù)量的連接器，并且可以在未來整合更多虛擬機。它本質(zhì)上具有可互操作性，包括用于 Linux、Android 和 Classic AUTOSAR 的連接接口驅(qū)動程序，這可以顯著減少移植工作，并縮短產(chǎn)品上市時間。

總結(jié)

對于汽車制造商而言，從硬件驅(qū)動到軟件定義汽車的加速轉(zhuǎn)變帶來了獨特的挑戰(zhàn)，也創(chuàng)造了有利的機會。盡管電動汽車降低了成本和排放量，ADAS 和自動駕駛功能提高了道路安全性，但車載網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性將會有增無減。這種快速演變正在影響硬件和軟件的設(shè)計和性能，并推動了對最大化計算能力和創(chuàng)建更有效的網(wǎng)絡(luò)通信的需求。為滿足這些需求，汽車制造商需要智能和可擴展的工具來開發(fā)、配置和啟用最新平臺上的全新功能，并同時實現(xiàn)軟件和硬件之間的無縫集成。

作為滿足全行業(yè)需求的解決方案，EB zoneo 這個先進的新產(chǎn)品系列可以解決當(dāng)前和未來建立車載網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。它的 EB zoneo SwitchCore 和 EB zoneo VSwitch 這兩大模塊能夠顯著提升 ECU 內(nèi)部及 ECU 之間網(wǎng)絡(luò)通信的速度、可靠性和網(wǎng)絡(luò)通信安全。這個現(xiàn)成的平臺為域、中央式和區(qū)域式架構(gòu)提供了向后兼容的解決方案，并能夠與其他 Elektrobit 產(chǎn)品（例如 EB tresos 和 EB corbos）無縫集成。

EB zoneo 為何是創(chuàng)建新一代車載網(wǎng)絡(luò)的理想解決方案？

??? 面向未來。它支持高速、可靠和安全的車載網(wǎng)絡(luò)的高級功能，并能夠從容應(yīng)對分布式區(qū)域式架構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)。

??? 優(yōu)化。它通過最大化現(xiàn)有硬件能力和將與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的任務(wù)分配給特定的硬件單元，改善了計算能力和資源消耗。

??? 低成本。它加快了向面向服務(wù)通信的轉(zhuǎn)換，以及從域到集中式和區(qū)域式架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

??? 已通過測試。EB zoneo 已在一個重要的投產(chǎn)車輛系列進行了道路測試，并支持大眾和通用等領(lǐng)先的 OEM 平臺。

??? 擁有數(shù)十年的行業(yè)經(jīng)驗和技術(shù)。Elektrobit 擁有 20 余年的汽車網(wǎng)絡(luò)專業(yè)經(jīng)驗，并與英飛凌、Marvell、恩智浦、Realtek、瑞薩等領(lǐng)先的硬件供應(yīng)商建立了合作關(guān)系。

總而言之，EB zoneo 可直接促進實現(xiàn)更智能、更快捷、更高效的車載網(wǎng)絡(luò)。EB zoneo 是一個極具價值的工具，通過簡化部署更先進的特性和功能的過程，為世界各地的駕駛員創(chuàng)造可提高舒適性、安全性和駕駛樂趣的新一代汽車架構(gòu)。

參考資料

[1] 2022 年汽車以太網(wǎng)大會（Automotive Ethernet Congress 2022），“軟硬件雙管齊下，應(yīng)對 IP 路由挑戰(zhàn)”（Symbiosis of hardware and software to cope with IP routing challenges）, Elektrobit 和 Renesas，2022 年 6 月。

[2] 2020 年汽車以太網(wǎng)大會，“大會嘉賓發(fā)言”， Robert Bosch GmbH，2020 年 2 月。

作者：

Illia Safiulin 是車載以太網(wǎng)產(chǎn)品線 EB zoneo 的產(chǎn)品經(jīng)理。

Elektrobit 針對汽車 ECU 的 AUTOSAR 軟件產(chǎn)品和解決方案：

Elektrobit 推出的業(yè)內(nèi)首款能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高性能車載網(wǎng)絡(luò)通信的汽車以太網(wǎng)交換機固件：EB zoneo www.elektrobit.cn/products/ecu/eb-zoneo/

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Elektrobit 為汽車電子控制單元（ECU）提供的嵌入式安全解決方案：EB zentur www.elektrobit.cn/products/security/

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