以太网，打通汽车神经血管的“梗阻”

最新的车载5G通信试验结果表明：当车速在100Km/h时，数据传输速率可达到8Gbps。也就是说，你刚踩一脚油门，一部高清电影已经下载到你的车内了。

然而，当你以飞快的速度将云端数据downlod到车里后，试图将这些东西再度传输到汽车里面的各个部件时，灾难发生了，瓶颈就是CAN总线的传输速率。

1988年，BMW首次在汽车内用到CAN总线，至今已有30个年头了，目前最新的CAN FD标准理论极限传输速度是1Mbps, 就是说传一张3M大小的图片要花费24秒。如果你的某个核心控制的固件比较大，你想把软件通过CAN总线传输过去，也许需要数小时。

这就是汽车内部神经血管的信息传输能力，这是一个为机械时代设计的内部通信传输架构。

一直以来，汽车被视为传统工业的产物，网络通信则是发源于硅谷的新兴势力；现在，这两个世界正在相互拥抱，深度融合不可逆转。打一个比喻，新能源动力系统更换了汽车的心脏，无人驾驶改造的是汽车的大脑，车联网通过重塑五官来改变汽车的感知方式，离一个全身手术只差最后一步，搭建新的神经和血管系统，这就是汽车以太网。

汽车线束现状

在汽车以太网的概念出现之前，汽车内已有多种不同总线标准在应用，包括CAN、LIN、FlexRay、MOST以及LVDS等。几乎汽车电子系统每个部分都有其特定的线缆和通信要求，这导致了车内复杂的连线和冗乱的标准，车内线束在重量上是继底盘和引擎之外占第三位的部分；同时车内线束也已成为继引擎和底盘之外车内第三大成本支出的部分，不论生产环节，还是维修过程，布置配线的人工成本占整车的50%，而且这些工作都是机械取代不了的，除非仿生机器人取得突破性进展。有人说过，一个城市的文明程度跟他的下水道有关，再怎么现代化的城市，也需要下水道工人维护；同理，一辆豪车，再怎么外型光鲜亮丽，也需要工人精细的布线工作。



(奥迪A5车内线速展开)

埃隆.马斯克曾表示：在Model S 上，整车线束长度是3 公里；而在Model 3上，这个数据是1.5 公里左右。在未来将要推出的Model Y 上，线束长度会被进一步缩短到只有100 米。“一年卖出10万辆，线缆连起来可绕地球一圈”，是不是惊掉你的下巴？连特斯拉这么高科技的车企，也拿线束开刀。没办法，对于车辆研发和制造来说，线束这个细节有点不太寻常，神经错乱可不是闹着玩滴！

统计显示，一辆低端车的线束系统成本要大约300美元，重量大约30公斤，长度大约1500米，线束大约600根，1200个接点；而一辆豪华车的线束系统成本大约550-650美元，重量大约60公斤，线束大约1500根，长度大约5000米，3000个接点。如果沿用目前的电子架构体系，无人车时代的线束成本不会低于1000美元，重量可达100公斤。“剪不断、理还乱”，这就是线束的现状，急需一个统一的标准和精简的方案。

传统汽车线束的局限

CAN总线起源于上世纪90年代，主要用于车上控制数据传输，是现役车载网络应用最为广泛的标准，最大传输速度为1 Mb/s。

LIN 是一种低成本通用串行总线，在汽车领域主要用于车门、天窗、座椅控制等，最大传输速度更低，仅为20 kb/s。

FlexRay 的主要优势在于相比CAN 总线具有较高的带宽，可达10Mb/s，可以满足汽车关键应用的要求，但是其成本却很高，主要适用于中高端车中的线控系统（如悬架控制、变速箱控制、制动器控制、转向控制等）。

MOST主要支持多媒体流数据传输，MOST150标准的最大带宽为150 Mb/s的，在车载多媒体数据传输应用较多。虽然MOST150支持基于IP的应用程序，但由于单一供应商的问题，基础开发成本较高。

LVDS是一种电气数字信号系统，通过铜缆双绞线传输高速数据（最高可达850 Mb/s，最长传输距离10 m），原本就是网络通信总线的一部分。在汽车领域LVDS 主要用于屏幕和摄像头之间的数据传输。



传统汽车总线能满足部分子系统的要求，总体来说，优势在于实时性。但普遍存在的问题是带宽低，成本高。基本上这些总线标准都是面向汽车制定的，带有浓厚的汽车行业色彩，关键的局限在于：不易扩展，无法互联互通。在车联网、无人驾驶时代，这些传统的总线就像老化的血管瘤，堵塞住了信息化向汽车内部延伸的通道。



以太网通信

以太网技术发明于1973年，经过40多年的发展，目前已是应用最为普遍的局域网技术，甚至也可应用于广域网。严格来说，以太网并不是特指某种总线技术，它是IEEE组织803.2工作组下的一系列标准协议。以太网从最初支持10Mbit/s的吞吐量开始，经过不断的发展，目前有快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1Gbit/s）、万兆以太网（10Gbit/s）及100Gbit/s。同时，为了适应应用的多样化，以太网速率打破了以10倍为一级来提升的惯例，开始支持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。传输介质不仅有双绞线铜线，还可以是光纤。

以太网的优势

可以看到，以太网不仅能支持更高的带宽吞吐率，而且成本也比较低。另外BroadR-Reach的非屏蔽单对双绞线，不需要铝箔层和绝缘胶层，这种线缆比传统网线还轻，而抗电磁辐射性能同样优异，并且已通过ISO-9001以及TS16949标准。在安全性方面，以太网完全可以移植网络通信领域的成熟应用，来搭建汽车自己的安全局域网，如数据加密、防火墙、深度包检测(DPI)等。



（左边为传统网线，右边为车载以太网线）

关键在于，这是一个统一的标准，只要符合IEEE 802.3规范，你可以任意扩展。我们都有这样的体验：拉根网线，你就的PC就可上网；家里只有一根光纤入户，而又多台电脑要上网？没事，买个小路由一扩展，搞定；办公室网线接满了，而又要添加服务器存储、打印机、视频终端接入网络？没事，加个交换机一扩展，搞定！所有这些方便都来源于以太网标准的广泛应用。在全IP时代，一辆汽车配置一个公网IP地址，车内每个ECU单元配置一个内网IP地址，以灵活配置连接到互联网上；只要预留接口，有线网络和无线网络自由切换，汽车的任何部件都可随时与你的移动设备交换数据，这不是科幻，未来，已在路上。



汽车以太网的起源和发展

虽然以太网技术在通信世界畅通无阻，但应用于汽车上要面临一些挑战：电磁兼容性和延迟是两个主要问题。双绞线网络对电磁兼容性的要求并不那么严苛，但是放在汽车上就不同；而且存储转发式网络必然有延迟，在局域网中，并不那么挑剔，但是用于汽车网络架构，则势必严格得多。2011年，博通为了将其在网络通信领域的优势拓展到汽车行业，开发出了汽车用的以太网芯片和整体解决方案：一是通过BroadR-Reach技术成功解决了车规要求的EMC问题，二是革命性地提出单对非屏蔽双绞线方案，将传统线束重量减轻30%。



(博通发布的下一代BroadR-Reach车载以太网方案)

刚开始时，只有博通一家在吆喝，奈何酒好不怕巷子深，恩智浦、飞思卡尔、哈曼、宝马等一众汽车业界巨头也看到这个机会，于是组成了一个OPEN Alliance联盟，推广车载以太网技术标准，目前，包括一汽、北汽在内的诸多车厂也加入了这个联盟。现在来看，汽车以太网技术已逐渐成熟，2016年初，IEEE批准了以博通BroadR-Reach技术为基础的标准，命名为802.3bw 100BAST-T1, 稍后802.3bp 1000base-T1也通过，该标准允许在1对信号线上以1Gbps的速度实现15m的传输距离；还有车载版PoE标准802.3bu PoDL也通过，意味着在车内通过以太网口供电也不存在问题。



(汽车以太网标准化组织)

针对业界最为关心的以太网传输时间延迟、包排序和可靠性交付问题，技术研发也没有停止。在音视频同步传输方面，IEEE另一个工作组802.1制定了AVB标准；在精准时间同步方面，IEEE提出了TSN(时间敏感网络)一系列标准。所有推广汽车以太网的阻力，都在稳步解决中，时间表已给出。同步地，Marvell 2015年就推出了符合部分802.1标准的产品，如已用在特斯拉Autopilot 2.0上的方案88E6321和88E6341；2017年，TSN汽车应用领域大部分标准定型，博通于是在2017年12月推出BCM53162，主要目标市场就是无人车和L3级无人驾驶。IEEE原本预计要到2021年才有量产车用TSN，现在看来应该会提前1到2年。



(汽车以太网标准进展)

车载以太网在汽车业界的现状

2011年，当汽车以太网的概念提出时，众多的车厂只是在观望状态，虽然大家都承认这是一项革命性的技术，但针对尚未解决的问题，保守的车厂和Tier1们都望而却步。第一个吃螃蟹的总是勇敢者，2013年，宝马X5第一个将汽车以太网用于3600C环视系统。这也符合以博通为领导的Open Alliance联盟对汽车以太网的推进思路：先以Infotainment系统为切入点，逐步深入到ADAS、甚至车身与安全整个车载系统。



(宝马X5搭载的车载以太网)

随着时间的推进，宝马尝到了甜头，2015年在其全系车型（7系、5系、3系和i系电动车）中都部署了车载以太网，而且已经不是单纯的环视，而是整车系统都基于汽车以太网来设计。2016年，更多的车厂成为汽车以太网技术的拥趸，捷豹、路虎和大众的帕萨特都在其某些车型集成了汽车以太网技术，包括前文提到的特斯拉Model S和Model 3。截止目前，Broadcom现在已经在汽车市场出货1900万颗以太网芯片。



在拥抱新世界时，国产造车势力同样勇于尝鲜，那些没有动静的厂商并不是停留在观望，早在2015年奇瑞汽车就和博通签订了共同开发车载以太网应用的合作谅解备忘录；而荣威RX5是国内第一个将车载以太网应用于环视系统的车型；随后长安InCall 5.0也用以太网技术改造了其车内通信架构。新势力中，奇点汽车的“手术”动得最大，在几乎所有子系统都采用车载以太网，只保留部分涉及安全系统的CAN总线。



(汽车以太网的应用预测)

2018年，随着IEEE有关汽车以太网的大部分标准定型发布，汽车业界将来到一个十字路口：在汽车智能化的浪潮下，传统总线架构的劣势正在凸显；以太网以其勃勃生机正在取而代之。TSN、时间同步等是最后的关键，如果这些标准突破，所有关于汽车以太网技术上的担忧都不复存在。

汽车以太网产业链

技术标准本身就是由产业圈共同推进的，当技术成熟后，也就意味着产业生态成熟了。围绕着汽车以太网，众多车厂、Tier1、芯片厂商等早就精心布局。博通,恩智浦就不必多说，C位出道，代表着最上游的以太网芯片和相应的MCU供应商；全球汽车线束和连接器巨头莫仕(Molex)早在去年就和黑莓的QNX合作研发基于10Gbps的车载以太网平台，旨在提升智能网联车辆的数据带宽，不出意外，今天的CES展上就可看到这款黑科技产品。

2017年，Tier1厂商德尔福汽车公司与高频连接技术公司罗森伯格(Rosenberger)达成战略协议，意欲加强在高速数据传输方面的能力。“互联车辆平台需要通过性能强劲的电子架构、以更快的速率传输更多的数据。此次合作将使德尔福与另一行业领导者一起为整个汽车的以太网架构确立普遍标准，”德尔福高级副总裁、电子/电气架构部门总裁兼工程组件团队总裁艾博彬表示。

加入这个生态圈的还有很多，不仅有车厂，还有汽车供应商名录上的常客，就业界普遍关心的延迟和同步问题，他们都在为之努力。比如TSN主要支持者包括思科、英特尔、瑞萨、德国工业机器人巨头KUKA、三星哈曼、宝马、通用汽车、现代汽车、博世、博通、德州仪器、NXP、三菱电机、LG、Marvell、ADI，通用电气等。所谓不是一家人，不进一家门，两个世界的拥抱，从此你中有我，我中有你。



展望

有时候，我们需要回首来时的路，才知道今天的选择值不值得：2008年以太网年首次出现在汽车应用中，当时同样也是宝马公司将其作为OBD诊断接口，用于对发动机控制模块上的校准软件进行重新编程升级。之前采用传统的CAN总线方式重新刷新这些模块需要花费10个小时才能完成，但使用1GbE的以太网连接技术后只需要20分钟即可上传相同的软件包。有时候，我们需要抬头仰望星空，才能预测明天前进的方向：今天以GPS、蓝牙、WiFi、NFC、V2X为主的无线连接已经打通汽车与外部连接的通道，汽车表皮的每个毛细血管都已喷张，等待接入这个万物互联的世界。



我们不妨头脑风暴下：将来汽车内部的每个ECU单元、油门、刹车、发动机、转向、轮胎、悬挂、电力系统的每个数据都接入云中心，甚至连你座椅、车窗角度、收音机频道都有专门的大数据为你服务，这将繁荣多少五花八门的应用和市场？像每一个拥有IP地址的互联网设备一样，你可通过OTA升级你汽车的每一部分。好车一部就够了，这就是以太网为骨干网的自动升级汽车，在这个平行的世界里，开玛莎拉蒂的和开吉利的没有区别。



(瑞萨的未来汽车构想)

变革都是由偏执狂来推动的，李书福曾说，”汽车不就是四个轮子加几个沙发吗？”，痴人说梦，现在他的梦想也实现了；马斯克把他的特斯拉射向了太空，胶囊机器人已经开始钻进血管为你疗伤止痛，还有多少梦想会止步于技术变革面前？“生活不能只是解决一个又一个的悲伤问题。需要有一些能激励你的东西，让你在清晨醒来，相信一切皆有可能”。新能源汽车、无人驾驶都来了，年轻的心脏需要配备更强健的血管，传统的总线已经堵塞了汽车内在的任督二脉，是时候给汽车的血管动个大手术了。