车载网络标准之争:以太网10Base-T1S vs CAN XL

2021年8月9日
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以太网10Base-T1S vs CAN XL

 

01

车载网络发展带来新需求

 

在过去20年的汽车车载网络的竞争中,CAN从LIN、FlexRay、MOST、K-line、D2B等竞争者中脱颖而出,凭借实时、稳定、可靠、错误检测等特性,统治了车载网络大半江山。
随着电子电器技术的发展,ADAS、自动驾驶、车联网等分布式计算应用越来越多出现在汽车中。汽车越来越朝着“软件产品定义”的方向来发展,通过更快地提供创新和提供不同类型的创新来增强客户体验,从而在数字化时代逐渐摆脱传统V开发周期的限制,产生更有个性化的汽车产品。
以目前一款典型的宝马轿车为例,一款汽车安装了100个以上ECU,应用了7种以上通信技术,其中30%的ECU有多个网络接口,划分成为了80个子网,使用了超过1公里长的通信线缆来连接它们。这还不包含一些通过SENT、PWM等“私有连接”与ECU连接的传感器。各个网络之间通过网关来允许ECU之间进行更大规模的通信,从而形成了我们今天的以Domain(域)为中心的车载电子/电器架构。
为了满足数字化未来对车载网络不断增加的要求,加快为客户引入新特性和功能的速度,并将单个汽车实体更好地整合到智慧交通的网络中,我们需要一个更好的汽车内部通信技术。这个通信技术应该健壮且灵活(在数据速率和拓扑结构方面),并且支持与服务、安全和各种服务质量(QoS)元素相关的基本通信原则,以更好地解决E/E架构的复杂性问题。
因此,车载以太网被提了出来。通过近年来OEM厂商和IC技术公司(博通Broadcom)的不断努力,车载以太网已成为未来车辆骨干网的不二候选。基于以太网的通信遵循严格的协议层分离。因此,它非常灵活和适应性强,为大量行业中的数据交换提供了基础。它本质上支持基于服务的通信,并且提供了最先进的安全性。2008年,BWM使用100BASE-TX以太网用于ECU flash和诊断。2013年,100BASE-T1(单根未屏蔽双绞线(UTP)电缆100Mbps)开始生产(SOP)。第一个1000BASE-T1的SOP(单UTP电缆1Gbps)预计随时会出台。从2015年开始,来自音频视频桥接(AVB)标准的QoS协议已经在汽车中使用。以太网可以进行较高的数据速率的通信,与现有的100Mbps和1Gbps标准相比,用于汽车的2.5、5和10Gbps以太网标准已接近完成(2.5、5、10GBASE-T1)。两个新项目正在研究更高的数据速率,达到25+Gbps。
但是,超过90%的汽车通信需要低于10Mbps的数据速率。用100Mbps网络来满足这些通信需求,无论在成本还是功率方面都是低效的。从目前的车载网络标准速率分布图来看,在2Mbps到100Mbps之间有一个明显的空缺,需要有技术能够来填补。

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Figure 1. Gap between 2Mbps ~ 10Mbps
 

02

以太网阵营的利器:10BASE-T1S

 

以太网方面,IEEE已经标准化了一个适用于汽车的10Mbps以太网版本(10BASE-T1S),该版本已于2019年上市。
  • 10Base => 10Mbps speed grade
  • T1 => physical layer is single twisted pair (unshielded)
  • S => short range (favorite solution for Automotive purposes)
10BASE-T1S支持至少8个节点和25米链路长度的线性总线拓扑。

车载网络标准之争:以太网10Base-T1S vs CAN XL

Figure 2. 总线式以太网
作为IEEE-802.3的一员,10BASE-T1S总线编号为IEEE-802.3cg,它通过标准媒体无关接口(MII)连接到现有交换机,从而无缝地集成到车载以太网通信中。在使用10BASE-T1S的总线拓扑的情况下,需要对服务质量方面给予关注,因此信道接入方法使用了一种称之为“PLCA”的轮询机制,它不像在FlexRay中使用的固定调度的情况那样浪费未使用的传输时隙,跟CAN系列规范相比使用的仲裁有更高的带宽利用率。PLCA是对CSMA/CD的扩展,具体协议内容可以参考对应的标准,但请一定记住10BASE-T1S是一种“总线”形式的以太网。
在ECU上,实现的方式目前一般有以下3种:

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Figure 3. Microcontroller uses 10BASE-T1S
 

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CAN阵营不甘示弱,推出CAN XL

 

面对以太网阵营的咄咄逼人,以元祖CAN的创造者BOSCH为代表CiA阵营提出了一个新的标准:CAN XL。
CAN XL的设计指标主要是3点:
1、 通信速率提高到10Mbps;
2、 把单帧报文的数据有效载荷提升到2048 Byte,以使得高层协议(如IP)可以跑在网络上;
3、 向下兼容CAN/CAN FD。
CiA的原话是:"designed to fill the gap between 100-Mbit/s automotive Ethernet"。这明显是针对的2Mbps和100Mbps之间这个巨大商机,必将与10BASE-T1S发生激烈的正面碰撞。

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Figure 4. The aim of CAN XL
CAN XL与CAN/CAN FD的异同在其他网站上已有介绍,在此不再赘叙:http://www.21ic.com/app/control/202001/927067.htm
由于CAN XL尚未完全确定所有技术细节,下面主要介绍一下CAN XL发展情况:
  • CiA CAN XL规范于2018年12月开始,目标是在2019年底之前为OSI第2层(称为CAN XL协议)提供一个技术稳定的CAN XL规范。
  • 2019年2月初,CiA的CAN XL特别兴趣小组(SIG)在举行了第二次会议。由博世领导的SIG的目标是将CAN协议扩展到诸如雷达传感器、eCall设备和麦克风的连接等应用。汽车制造商、供应商和半导体制造商对此兴趣浓厚。来自20家公司的40多名与会者参加了会议。
  • 在2019年6月,CiA宣布它打算推出另一种广受欢迎的CAN总线技术,名为CAN XL。
  • CAN XL将在2020年3月中旬在德国巴登-巴登举行的国际CAN大会(iCC)上正式推出。
  • 今年晚些时候,当CAN XL规范发布并且相关插件已经验证了第一个实现的互操作性时,CiA将把它们提交给ISO进行国际标准化。

04

10Base-T1S vs CAN XL

以太网技术跟CAN技术本身是完全不同的技术,一个是用来在一定时间内传输大量数据,另一个用在复杂恶劣情况下可靠传输数据,很难在一起做一个直接的比较。
Konrad Etschberger博士曾经在一篇文章中比较了CAN和以太网的优缺点 。但他明显是站在CAN阵营,设计的实验也是不够完备和准确的(尤其是讨论FPS的)。本人才疏学浅,只能就个人对10Base-T1S和CAN XL这两种技术的理解来进行比较,主要是从发布的标准进行定性的一些比较(也可以看作是“纸上谈兵”):
传输速度:从数据净荷来看,两种技术相当,都可以达到10Mbps。但是为了兼容老的CAN规范,CAN XL的帧头速率较低,这其实降低了整个的传输速率。
规范成熟度:10Base-T1S已经发布了标准文档。CAN XL规范还没有最终确定,仍有一些悬而未决的问题待决定。
成本:这是OEM厂家最关心的话题。CAN控制器目前是集成到处理器芯片中的,这减少了一部分软件成本也保证了一致性。除开交换机的成本因素,就单个处理器芯片来说,可能会有一些处理器集成10Base-T1S控制器,但由于以太网软件协议栈的缘故可能会增加一些软件成本,带来协议一致性的问题;同时受限于25m的最长通信线路和最大8个节点,会导致一些特殊域(如新能源电池Domain)使用起来会多分网段,增加成本。
安全性:CAN XL继承了CAN的良好特性,可以保证收发数据无丢失,这个特性都是固化在CAN控制器中的。10Base-T1S跟其他以太网协议一样,需要通过较高层的协议(如TCP)才能检测出数据丢失,而且依赖于软件实现。
错误检测:CAN XL跟CAN一样,可以检测故障并从故障中恢复出来,当帧头速率1Mbps时可以在23uS内恢复;但TCP/IP却要花几十ms才能从故障中恢复过来。
仲裁访问:CAN提供无冲突和可预测的仲裁来管理竞争节点之间的网络访问。以太网总线仲裁过程(CSMA/CD -载波侦听多路接入/冲突检测)中,仲裁时间是不可预知的,在最坏的情况下,当消息冲突连续发生时,节点将转储消息帧,并且不会尝试重新传输。
兼容性:这个不是太好比较。CAN XL可以实现对大多数CAN/CAN FD应用的兼容,但是不支持远程帧和29bit的ID场。10BASE-T1S在以交换机为核心的车载网络中是如鱼得水的。
软件可移植性:CAN XL在一般乘用车ECU上移植软件问题不大,但商用车可能就要仔细考虑了,毕竟不支持29位ID。10BASE-T1S继承以太网的良好特性,很多成熟的基于TCP/IP的工业界软件都容易移植到新的车载以太网协议上去。
协议扩展性:CAN XL协议为使用的下一个更高的协议提供了一个8位指示器(Embedded Layer-setting Parameters,ELP,嵌入式的层设置参数),不适合用经典的OSI参考模型去判断它的层级;ELP有助于实现其他更高层的协议。10BASE-T1S当然是很好扩展的,毕竟以太网的良好底子在。
节能:CAN XL可以支持低功耗后唤醒,而以太网目前是缺乏这个功能的。
 

05

小结

 

10BASE-T1S和CAN XL各有千秋。但在目前10BASE-T1S在完成度上要暂时领先一步,而且拥有跟骨干网络同样的协议更是其一大优势。CAN XL吸纳了CAN的优点,并做到了高速通信,加上CAN在业界深厚的积淀,最终二者和平共处于同一个平台也未可知。总之,成本会成为这一技术革新中最重要的决定因素。

weinxin
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