Motoryzacyjne sieci Ethernet – technologie i rozwój; cz.1.

Standardy Ethernet obejmują długą listę funkcji i rozwiązań, które zostały opracowane przez lata, aby sprostać rzeczywistym potrzebom sieci, a także wyeliminować zagrożenia bezpieczeństwa. Teraz twórcy sieci Ethernet w pojazdach (IVN - „in-vehicle network”) mogą łatwo balansować pomiędzy funkcjonalnością a kosztami, wybierając specyficzne funkcje, które akurat są potrzebne w danej sieci IVN. 

Początki technologii Ethernet sięgają 1973 roku, kiedy to Bob Metcalfe, naukowiec z Xerox Research Center (który później założył 3COM), napisał notatkę zatytułowaną 'Alto Ethernet', w której opisano sposób łączenia komputerów za pomocą krótkiego kabla miedzianego. Wraz z eksplozją sieci lokalnych (LAN) opartych na komputerach PC w firmach i korporacjach w latach 80-tych, rozwój architektur sieci LAN typu klient/serwer był kontynuowany, a Ethernet stał się preferowaną technologią łączności dla tych sieci. Jednak postęp w sieci Ethernet, który uczynił ją najbardziej udaną technologią sieciową w historii, nastąpił w momencie, gdy rozpoczęto prace nad jej standaryzacją w ramach IEEE 802.3.

Standard Ethernet 10 Mb/s został po raz pierwszy zatwierdzony przez IEEE Standards Board w 1983 r., a następnie opublikowany w 1985 roku jako IEEE Std 802.3-1985. Proces standaryzacji Ethernetu, a następnie członkostwo w standardach IEEE 802, był niezwykle korzystny dla rozwoju sieci Ethernet, umożliwiając obsługę wielu dostawców i współdziałanie, ponieważ dodano wiele różnych warstw fizycznych. Od czasu powstania pierwotnego standardu Ethernet dodano szybkości transmisji danych od 1 Mb/s do 400 Gb/s na różnych nośnikach i dla różnych zasięgów (długości kabli), a wszystko to w ramach jednolitej architektury IEEE 802.

Niedawno standard Ethernet IEEE 802.3 został wzbogacony o sekcję związaną stricte z motoryzacją i sieciami IVN, skupiając się na lekkiej i szybkiej łączności jedno-parowej. Opierając się na już dojrzałej bazie technologii LAN w przestrzeni IT, sieci motoryzacyjne szybko się skalują, aby objąć prędkości od 10 Mb/s do 10 Gb/s. Obecnie prace idą w kierunku osiągania prędkości ponad 10 GB/s. Oczekuje się, że sieci te będą spełniać wymagania wielu aplikacji, co obecnie realizuje się poprze wykorzystanie wielu różnych, często zastrzeżonych protokołów. 

© Marvell

Kilka z nowych zaawansowanych funkcji , stworzonych z myślą o sieciach motoryzacyjnych przedstawiamy poniżej:

1. Przełączanie

Istotą sieci jest adresowanie i przełączanie – tj. możliwość przesyłania danych między określonymi węzłami, które współużytkują tę samą sieć. Jedną z najważniejszych cech sieci Ethernet jest możliwość przesyłania ruchu między dwoma węzłami różnymi trasami w sieci.

Adresowanie urządzeń i przełączanie za pomocą wielu tras zapewnia redundancję, która ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności i niezawodności IVN. Architektura przełączania sieci Ethernet LAN jest oparta na standardzie IEEE 802.1. Definiuje to bezpieczeństwo łącza, a także umożliwia ogólne zarządzanie siecią i zapewnia wyższe warstwy protokołów, powyżej kontroli dostępu do mediów (MAC).

Przełączanie Ethernet w naturalny sposób stwarza kolejną bardzo ważną korzyść dla sieci IVN: możliwość obsługi szerokiego zakresu topologii sieci, w tym siatki, gwiazdy, pierścienia, łańcucha, drzewa i magistrali. Umożliwia to programistom systemów i domen wybór optymalnej topologii dla konkretnej domeny i zastosowania, wykorzystaując te same, podstawowe składniki.

Rozmiar pakietów danych przesyłanych przez Ethernet jest zmienny, co zapewnia maksymalną elastyczność w przenoszeniu różnych typów obciążeń aplikacji. Ponadto natywna obsługa transmisji i multi-emisji w sieci Ethernet zapewnia wysoką wydajność przy małych opóźnieniach dla każdej z tych topologii.

© Marvell

2. Prędkość Ethernet PPY

Pierwszym opublikowanym standardem Automotive Ethernet PHY IEEE był 100BASE-T1, który został opracowany w standardzie 802.3bw. Ten standard został ratyfikowany w 2015 r. Określał on sieć Ethernet 100 Mb / s, na jedno-parowym nieekranowanym kablu samochodowym. Obecnie standard 100BASE-T1 został przyjęty przez wielu producentów OEM i co więcej; większość samochodów luksusowych i średniej klasy korzysta z sieci Ethernet 100M.

Specyfikacja 100BASE-T1 nie pozostała jedynym standardem zbyt długo: w 2016 roku opublikowano następną generację dokumentów. Opracowana równocześnie z 100BASE-T1 specyfikacja 1000BASE-T1 PHY znana też jako 802.3b, zapewnia sieć gigabitową. Produkty 1000BASE-T1 PHY zostały wprowadzone na rynek w 2017 roku i obecnie trafiają do masowej produkcji.

W 2019 i 2020 roku Automotive Ethernet dodał zarówno niższe prędkości (10 Mb/s), jak i szybsze, wielo-gigabitowe. Najnowsze wersja standardu Automotive Ethernet PHY dla 2.5 Gb/s, 5 Gb/s i 10 Gb/s, zwany IEEE 802.3ch, został ukończony na początku 2020 r.

Obecnie opracowywane są standardy Automotive Ethernet PHY dla prędkości wyższych niż 10 Gb/s. Pierwsza próba opracowania przed-standardowego („pre-standard”) zestawu specyfikacji została podjęta w ramach sojuszu NAV (Networking for Autonomous Vehicles) w ramach Technicznej Grupy Roboczej 1 (TWG1). 

Ponadto, w lipcu 2020 roku rozpoczęła działalność nowa grupa zadaniowa o nazwie IEEE 802.3cy, mająca opracować wspomniany standard dla prędkości ponad 10 Gb/s, tj: 25, 50 a nawet 100 Gb/s.

3. Prędkości Ethernet MAC

IEEE 802.3 ustanowił standardy dla MAC z szybkościami od 10 Mb/s do 100 Gb/s (opracowano również 200 Gb/s i 400 Gb/s, ale te szybkości wymagają obecnie wielu kanałów 100 Gb/s). Standardy te zostały wcześniej opracowane oraz sprawdzone w podczas pracy w sieciach LAN i centrach danych, a dziś znajdują również zastosowanie w sieciach samochodowych.

Rozwiązania te stanowią otwarcie drogi dla rozwoju motoryzacyjnych sieci Ethernet, osiągających prędkości przekraczające 10 Gb/s dla szybkich sieci szkieletowych. 

4. Asymetryczny Ethernet

Motoryzacyjny Ethernet zdolny jest do wydajnej, symetrycznej pracy. Oznacza to, że jest w stanie przesyłać dane z tą samą prędkością w obu kierunkach, na jednoparowych kablach motoryzacyjnych. Oznacza to, że jest to preferowana technologia dla szkieletu sieci. Jednak w razie potrzeby, sieci Ethernet mogą również działać w trybie asymetrycznym.

W 2009 roku grupa odpowiedzialna za standardy Ethernet opracowała zestaw protokołów do wydajnej obsługi asymetrycznych i zmiennych w czasie obciążeń ruchu, znanych jako Energy Efficient Ethernet (EEE). Stanowi to technologię zmniejszania zużycia energii w okresach małej ilości danych. W normalnym trybie pracy łącze Ethernet pobiera energię w obu kierunkach, nawet gdy pozostaje bezczynne i nie są przesyłane żadne dane. W oparciu o standard IEEE 802.3az, EEE wykorzystuje tryb Low Power Idle (LPI), aby zmniejszyć zużycie energii przez łącze, gdy żadne pakiety/dane nie są wysyłane.

Aby osiągnąć oszczędność energii w czasie bezczynności poprzez wymianę wskazań LPI, standard zawiera protokół sygnalizujący przejście do trybu niskiego poboru mocy, gdy nie ma ruchu. LPI wskazuje, kiedy łącze może stać się nieaktywne i kiedy należy je wznowić po określonym czasie.

Tryb asymetryczny jest przydatny w przypadku połączeń kamery i czujników. Na tych łączach dane video są przesyłane z dużą prędkością (wiele gigabitów na sekundę) z kamery do SoC/GPU. Z drugiej strony (od SoC do kamery) są tylko sygnały sterujące, które muszą być wysyłane z dużo mniejszą prędkością (megabit na sekundę). Mogą one wykorzystać więc tryb EEE do oszczędzania energii.

Samochodowy Ethernet PHY 100BASE-T1 nie określił trybu niskiego poboru mocy i został dodany w 1000BASE-T1. Gdy stało się jasne, że wspieranie energooszczędnego ruchu asymetrycznego będzie ważne w świecie sieci motoryzacyjnych, Ethernet 2.5G, 5G i 10Gb/s poprawił koncepcje efektywności energetycznej w standardzie 802.3ch, dodając funkcję budzenia. Ten tryb działa z większym opóźnieniem w celu przywrócenia ruchu i jest szczególnie przydatny w przypadku łączy asymetrycznych.