关键要点：
汽车以太网将在不久的将来实现每秒 100 Gb 的带宽。
许多较旧的车载网络 IIVN） 技术可能会被汽车以太网取代。
网络布线的重量是汽车制造商非常关心的问题，因为它会降低电动汽车的行驶里程。
你知道吗，汽车内部有一英里多的电线，它是汽车中第三重的系统？
此外，平均而言，美国的汽车使用时间约为 11-12 年。对于今年售出的每辆汽车，他们所有的摄像头、传感器、信息娱乐系统、电子设备和网络系统必须至少持续到 2035 年，无论它们在哪里驾驶，也无论车内或车外多么恶劣。
这种极端的生存测试需要最先进的优化和工程设计，并得到最先进的测试仪器和软件的支持。在本文中，了解汽车以太网等网络创新如何帮助优化长期设计，同时提升车内体验。
什么是汽车以太网？
图 1.与其他车载网络的汽车以太网 图片来自于网络
汽车以太网是一组协议和设备标准，用于将以太网技术应用于汽车，特别是车载网络。
汽车以太网的历史始于 Broadcom 的 BroadR-Reach 计划。从那时起，该技术的所有方面都已标准化，以阻止专有实现并促进车辆、网络和软件系统之间的互操作性。
在接下来的部分中，我们将探讨汽车以太网的用途，将其与现有的车载网络技术进行比较，并探索其未来。
汽车以太网的用途是什么？
目前，汽车以太网主要用于需要大量带宽的应用（即每秒在网络上推送大量数据）。此类高带宽应用程序包括：
信息娱乐系统：将视频数据从存储介质传输到主机需要每秒 5-25 兆比特 （Mbps）。音视频桥接 （AVB）、时间同步和带宽预留等专用协议旨在利用以太网的优势实现高质量的多媒体功能。
摄像机源：高级驾驶员辅助系统 （ADAS） 和自动驾驶使用摄像头实现车辆周围环境的全方位可见性。每个摄像头发送大约 500-3500Mbps 的视频帧数据。有趣的是，另一个车载网络平台 Automotive SerDes 在需要高清图像传输的应用（如后置安全摄像头）中发展势头强劲。
互连骨干网：传感器、摄像头和功能数量的不断增加意味着负责各种子系统的电子控制单元 （ECU） 之间有大量数据流。由于以太网具有对称的点对点拓扑而不是共享总线拓扑，因此网络上的每对节点都可以以设计的网络带宽（如 100 Mbps 或更高）进行通信。所有连接的聚合带宽可能在每秒千兆位 （Gbps） 范围内非常高。大多数其他汽车网络技术无法维持如此高的数据速率。
诊断：汽车以太网特别适合传输现代车辆中所有子系统产生的大量诊断数据。
对于需要实时响应和容错能力的更关键的汽车应用，如车辆控制、线控转向、防抱死制动或汽车雷达传感器，汽车制造商仍然依赖控制器局域网 （CAN） 和 FlexRay 等现有技术，因为它们更成熟，在汽车环境中得到验证，并且具有成本效益。
然而，最新的标准，如电气和电子工程师协会 （IEEE） 的时间敏感网络 （TSN） 802.1AS 标准，使汽车以太网能够实现此类实时子系统所需的低延迟。例如，许多汽车制造商将其用于车辆的数字仪表、数据记录仪、全景 ECU 和 AVB 开关。
汽车以太网和标准以太网有什么区别？
要了解差异，首先了解它们的相似之处会有所帮助。我们将从以太网如何与网络功能的开放系统互连 （OSI） 模型相关联开始。
图 2.以太网标准与 OSI 模型的对应关系 图片来自于网络
以太网规范对应于两个逻辑层：
物理层：底部是以太网物理 （PHY） 层，它涉及低级物理、电气和光学方面。这些包括信号传播所通过的各种物理介质，如双绞线或光纤。它们还指定了各种电压信号电平、调制方案、连接器设计以及其他低电平电气和光学方面。存在数十种以太网 PHY 实现，其中只有两种是 100BASE-TX（用于双绞线上的 100 Mbps 带宽，由 IEEE 802.3u-1995 标准指定）和 400GBASE-DR4（用于单模光纤上的 400 Gbps 带宽）。
数据链路层：在这一层，以太网标准处理通过底层存在的任何 PHY 实现的数据帧传输。他们对 PHY 实现的多样性完全视而不见。这意味着具有双绞线 PHY 的节点和具有光纤 PHY 的节点可以在不知道彼此物理方面的任何细节的情况下进行通信。
这里的要点是存在多种 PHY 实现。汽车以太网只是另一组 PHY 实现。它与标准以太网的所有差异都在 PHY 级别。上面的层完全忽略了这些差异，使现有的网络堆栈、操作系统和软件能够像任何其他以太网一样与汽车以太网配合使用。
以下是汽车以太网与标准以太网的不同之处：
截然不同的环境和用途：与办公室或家庭中的标准以太网相比，车辆是一个极其恶劣的环境，存在大量电磁干扰 （EMI）、温度变化、振动、灰尘和污垢。此外，办公网络每隔几年就会进行一次例行大修，但车辆的设计使用寿命为 11-12 年，而无需对其内部布线进行任何大修。
不同的标准：汽车以太网有自己的标准，如 100BASE-T1、1000BASE-T1 和 10BASE-T1S。
更少更短的电线，以减轻重量和成本：汽车制造商一直在寻找减轻整体重量和提高能源效率的方法。汽车以太网使用单对双绞线，专为较短的距离而设计，而标准以太网使用 2-4 对电线。因此，汽车布线的重量在四分之一到一半之间，这意味着在内部布线的长度上减轻了几十磅。
非屏蔽电线：两根线形成非屏蔽双绞线，以进一步减轻屏蔽的重量和成本。为了避免 EMI 并确保电磁兼容性 （EMC），汽车以太网使用差分信号。
全双工操作：汽车以太网双绞线以全双工方式工作（即，它们可以同时发送和接收）。相比之下，对于大多数标准以太网变体，除了 10GBase-T 等最新的变体外，单个线对以单工（单向）模式工作。只有当我们考虑所有对时，它们才有效地是全双工的。
汽车以太网有哪些相关标准和协议？
汽车以太网的一些关键标准是：
IEEE 802.3bw，用于 100BASE-T1 PHY（单根双绞线为 100 Mbps）
IEEE 802.3bp 用于 1000BASE-T1 PHY（通过单根双绞线为 1 Gbps）
IEEE 802.3cg，用于 10BASE-T1S PHY（单根双绞线为 10 Mbps）
IEEE 802.3 通道，用于 2.5、5 和 10 Gbps 汽车以太网 PHY
IEEE 802.3cy 用于 25 Gbps PHY
汽车以太网各个方面的详细规范由汽车行业和技术提供商之间的联盟 One-Pair Ether-Net Alliance Inc.（或 OPEN Alliance）发布
IEEE 802.1Qav 服务质量标准，用于在时间敏感流中转发和排队
IEEE 802.1AS 用于定时和同步
汽车以太网与其他车载网络有何不同？
在本节中，我们了解汽车以太网与其他车载网络技术之间的一些主要区别，例如 CAN、CAN 灵活数据速率 （CAN FD） 和 CAN 扩展数据字段长度 （CAN XL）;汽车 SerDes;FlexRay;和本地互连网络 （LIN）。
1. 车载以太网与 CAN / CAN FD / CAN XL 的对比
图 3.CAN 和以太网拓扑 图片来自于网络
差异包括：
网络拓扑：CAN 具有总线拓扑。在子系统中，每个节点都通过两根线连接到其两线 CAN 总线。车辆有多个 CAN 来处理不同的子系统，例如动力总成 CAN。相比之下，汽车以太网是通过以太网交换机连接节点的星形拓扑，但任何一对节点都可以像点对点连接一样有效地进行通信。但是，10BASE-T1S 同时提供类似于 CAN 的多点总线模式和点对点模式。
带宽：CAN 限制为大约 1 Mbps 的带宽。但是，Can FD 和更新的 CAN XL 可以达到 2-10 Mbps。汽车以太网的 10BASE-T1S 也提供 10 Mbps。
冲突解决：由于 CAN 使用共享总线，因此当两个节点决定同时发送时，它需要某种方法来解决冲突。汽车以太网通常不需要解决冲突，因为它实际上是点对点的。但是，10BASE-T1S 总线模式实现了 PHY 级的冲突避免。
2. 汽车以太网与 SerDes
汽车 SerDes 是汽车 SerDes 联盟最近提出的标准，是汽车以太网的竞争者。它们的区别包括：
非对称通信与对称通信：汽车以太网是对称的;下行链路和上行链路都可以以相同的数据速率运行。但这在车辆中是一种资源浪费，因为从摄像头或传感器到 ECU 的下行链路吞吐量非常高，而上行链路要低得多，只定期发送几个控制命令。SerDes 认识到这一点，并针对非对称操作优化了其设计。
带宽：与其他网络技术不同，汽车 SerDes 已经能够实现 16-64Gbps的带宽，而汽车以太网目前为 10 Gbps。
汽车 SerDes 是高分辨率车载显示器（如信息娱乐或倒车摄像头）的常见连接。
3. 汽车以太网与 FlexRay 的对比
FlexRay 是一些高端车辆中的流行技术，但现在大多数制造商都支持 SerDes。汽车以太网的 10Base-T1S 在带宽和容错能力方面可与 FlexRay 相媲美。
4. 汽车以太网与 LIN
LIN 由国际标准化组织 （ISO） 通过其 ISO 17987 标准指定，对于门和灯光控制等辅助系统来说，LIN 仍然是一种简单而流行的技术。它以每秒几千比特的速度运行。由于其简单性和成本效益，LIN 不太可能在短期内被取代。
与其他车载协议相比，汽车以太网有哪些优势？
与大多数其他协议（SerDes 除外）相比，汽车以太网的优势在于：
可跨各种应用程序扩展的带宽
与现有网络堆栈和软件的兼容性
由于其设计，没有节点冲突的可能性
由于其中心辐射型拓扑结构，可无限扩展
汽车以太网的未来趋势是什么？
与以太网发展相关的汽车行业趋势包括：
可用区架构：从基于域（子系统）的网络拓扑转变为区域架构，其中每个区域都聚合来自周围不同子系统的信息。
标准趋同：OPEN 联盟和汽车 SerDes 联盟的竞争性 PHY 规范可能会随着两者向 100 Gbps 带宽迈进而趋同。
软件定义汽车：车辆的每项功能，从基本驾驶功能到非必要信息娱乐系统，都可以通过网络进行配置和激活。
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