Ethernet in automobilen Anwendungen Daten auf der Autobahn

In industriellen Anwendungsbereichen hat sich Ethernet in unterschiedlichen Ausprägungen weitgehend durchgesetzt, im Automobilsektor besteht noch Nachholbedarf. Tatsächlich ist hier für jede Funktion zu hinterfragen, ob wirklich der volle IEEE-802.3-Standard sinnvoll ist.

Der Begriff Ethernet hat für unterschiedliche Menschen durchaus verschiedene Bedeutung. »Ethernet« bezieht sich auf den Standard IEEE 802.3, der die Physical- und Data-Link-Layer definiert, die zur Verbindung mit Computern genutzt werden. Er spezifiziert die vier verdrillten CAT5-Zweidrahtleitungen und die Elektronik, die sie mit einer typischen Büroanwendung oder einem Heimcomputer verbinden, sowie ein spezielles Format für ein Informationspaket. Er bezieht sich jedoch ausdrücklich nicht auf die höheren Kommunikationsprotokolle oberhalb des physikalischen Layers, wie die verschiedenen Internetprotokolle und andere Kommunikationsmechanismen, die in der IT-Kommunikationswelt Verwendung finden. Damit fallen auch Dinge wie Wi-Fi, WLAN, Blue¬tooth oder andere physikalische Verbindungen von Netzwerken heraus, selbst dann, wenn diese Verbindungen Paketinformationen ähnlich denen von Ethernet nutzen. Viele Leute reden auch dann von Ethernet, wenn das, was sie tatsächlich meinen, das Internetprotokoll (IP) oder ein anderes paketbasiertes Kommunikationsprotokoll ist und nicht der Physical-Layer. Das hat in der Industrie, wenn auf Ethernet verwiesen wird, zu etlichen Missverständnissen geführt.

Die IP-Kommunikation ist mit Sicherheit der Zukunftstrend, besonders weil sie sich auf die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Domänen im Auto oder mit der Welt außerhalb des Fahrzeugs bezieht. Das findet mit vielen Telematik-Anwendungen sogar bereits statt. Es ist zu erwarten, dass diese Möglichkeiten der Kommunikation ihre Präsenz im Auto weiter ausbauen. Außerdem wird die paketgestützte Kommunikation parallel zu anderen, effizienteren Streaming-Verfahren koexistieren, da die Entwickler dazu neigen, die Vorteile jeder Technik auszuschöpfen.

Die Anwendung entscheidet

Wenn zum Beispiel unabhängige Systeme miteinander kommunizieren müssen – im Besonderen mit externen Systemen wie dem Internet oder OEM-Diagnosesystemen – können sie die Vorteile der Paketkommunikations-Charakteristik nutzen, wie etwa die Möglichkeit, sich an sich ändernde Verbindungen zwischen der Datenquelle und dem Zielort anzupassen. Sie können ebenso Vorteile aus standardisierten Protokollen ziehen, die entwickelt wurden, um auch über unzuverlässige Verbindungen zu funktionieren, und bei denen der Pfad zwischen Quelle und Ziel Verbindungen enthalten kann, die verschwinden, während andere entlang des Weges erscheinen, weil Computer ausgeschaltet oder Verbindungen unterbrochen werden. Diese Mechanismen können unter Umständen auch zum Kommunizieren zwischen Domänen im Fahrzeug wie Motorsteuerung und Infotainment nötig werden, die unabhängig voneinander entwickelt wurden. Diese Art der Kommunikation liefert auch für ungleiche Gruppen eine gemeinsame Sprache, um sich miteinander auszutauschen. Ethernet-artige Frames und Pakete sind für diesen Zweck ein nützliches Werkzeug.

Anwendungen, bei denen ein kontinuierlicher Informationsfluss zwischen den Geräten bestehen muss, können effektivere Mechanismen nutzen, die nicht den Overhead der Paketkommunikation mitbringen. Bei kontinuierlich fließendem Informationsstrom, beispielsweise Video von der Kamera im Fahrerassistenzsystem an ein Display im Cockpit oder Audio an einen Verstärker, besteht kein Anlass, den Strom in einzelne Pakete aufzubrechen, die einen enormen Aufwand an Adressierungs- und Fehlerkorrekturinformationen addieren würden. Diese Pakete müssten dann einen Prozessor unterbrechen, der jedes von ihnen verarbeiten, anschließend drei Viertel der übertragenen Overhead-Bits verwerfen und die Daten wieder in einem kontinuierlichen Strom zusammensetzen müsste, um dann einen Digital/Analog-Wandler zu füttern. Ethernet liefert außerdem keine Protokolle höherer Ebene, um die Kommunikationskanäle, Übertragungsfehler, die Steuerung verschiedener Geräte usw. zu managen. Solche höheren Protokolle existieren, sind aber nicht Teil des Ethernet-Bereichs. Tatsächlich könnten sie in vielen anderen physikalischen Übertragungsmedien genutzt werden, die nicht unter Ethernet fallen. Paketkommunikation von Streaming-Daten verschwendet einen großen Teil der Bandbreite und vergrößert die Anforderung an die Prozessorleistung beträchtlich, die zur Bearbeitung der vergrößerten Interrupt-Last zusammen mit den Software-Stacks bei der Verarbeitung der Pakete nötig ist. Diese Stacks machen Determinismus schwierig und erzeugen unterschiedlich große Latenz, welche die Wiedergabe von Audio und Video beeinflusst.

Streaming mit MOST

Bei Streaming-Daten im Fahrzeug hat sich die Automobilindustrie auf den Standard MOST (Media Oriented Systems Transport) festgelegt.

Innerhalb von dreizehn Jahren wird es mittlerweile in mehr als 160 aktuellen Fahrzeugmodellen genutzt und zwar von den meisten der wichtigen Automobilhersteller in allen Teilen der Welt. Über 100 Millionen MOST-Bauteile werden eingesetzt, weil diverse Bauteile pro Fahrzeug verbaut werden. Diese Technologie kann parallel zueinander sowohl Ethernet-Frames als auch Streaming-Informationen bearbeiten. Die Protokolle der höheren Ebenen können ohne jegliche Änderungen über MOST kommunizieren, anders als der Low-Level-Link-Layer. Ethernet-Frames werden unverändert gesendet, und andere Kanäle stehen zum Transport von Audio- und Videodaten ohne Overhead zur Verfügung.

Der aktuelle Physical-Layer von Ethernet eignet sich aufgrund von elektromagnetischen Kompatibilitätsaspekten und den Herausforderungen im Fahrzeug beim Einsatz von Standard-Ethernet-Kabeln nicht gut für automobile Anwendungen. Proprietäre Architekturen wie »BroadR-Reach« von Broadcom sind zwar Alternativen, nutzen tatsächlich aber wiederum kein Standard-Ethernet und haben heute bei weitem keine so große Verbreitung gefunden, wie immer wieder verlautbart. Es wären viele Probleme zu lösen, um ein preisgünstiges, standardisiertes Ethernet im Auto einzuführen, und es werden noch viele Jahre vergehen, bis die laufenden Bemühungen des IEEE zur Definition eines Standard-Gigabit-Physical-Layers für die Automobilindustrie Wirklichkeit werden. Es gilt also, dass in automobilen Anwendungen vermehrt Ethernet-artige Frames zum Einsatz kommen, der Ethernet-Physical-Layer ist jedoch eher selten.

Der Drang zur Vereinheitlichung

Wenn mit Ethernet paketgestützte Kommunikationsverfahren gemeint sind, ist deren Rolle im Fahrzeug für die Zukunft klar zementiert, wie oben beschrieben. Zwar muss der Zement noch aushärten, aber es besteht kein Zweifel, dass für die Kommunikation zwischen Domänen sowohl im als auch außerhalb des Autos die paketbasierte Kommunikation sehr relevant ist.

Es bleibt abzuwarten, was zum Transport der Informationspakete auf physikalischer Ebene implementiert wird. MOST wurde zuletzt mit der Einbindung paketbasierender Kommunikation und einem dedizierten Ethernet-Paketkanal verbessert, der unmodifizierte Ethernet-Frames transportieren kann. Es ist zu erwarten, dass Ethernet im Fahrzeug die existierende MOST-Infrastruktur für einige Kommunikationstypen nutzen wird. Außerdem ist bereits eine nächste Generation, eine Multi-Gigabit-Version von MOST, für zukünftige Anwendungen in der Entwicklung. Selbst wenn die paketbasierte Kommunikation für alle Fahrzeuganwendungen benutzt wird, kann die volle MOST-Bandbreite für Ethernet-artige Anwendungen zur Verfügung stehen. So entsteht ein im Auto bewährter Physical-Layer, der auch die Flexibilität besitzt, die Streaming-Kommunikation parallel zu den paketbasierten Kanälen zu erlauben.

MOST150 bietet innerhalb seines Frames einen dedizierten Ethernet-Kanal. Dieser Kanal kann ein Standard-Ethernet-Paket ohne irgendeine spezielle Verarbeitung durch höhere Ebenen des Ethernet-Netzwerk-Management-System-Stacks aufnehmen und es über das MOST-Netzwerk schicken.

Dieser INIC (Intelligent Network Interface Controller) besitzt sogar Ethernet-artige MAC-Adressen, sodass die Ethernet-Pakete am entsprechenden Ort extrahiert und an die anderen Standard-Ethernet-Geräte weitergeleitet werden. Die Notwendigkeit zentraler Schalter-Hubs und zusätzlicher Hardware im System wird somit eliminiert. Streaming-Daten wie Audio- und Videoprogramme lassen sich mittels MOST-Mechanismen parallel übertragen, um die verfügbare Bandbreite besser auszunutzen. Tatsächlich kann MOST sogar in einer Anwendung für reine IP-basierte Übertragung seine gesamte Bandbreite für den Ethernet-Kanal bereitstellen. Daher gibt es bereits heute einen im Fahrzeug bewährten Physical-Layer für die Ethernet-Übertragung im Auto.

In Bild 1 ist das OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnect) der Netzwerkkommunikation für Ethernet zu sehen. Um dasselbe Modell für MOST150 zu nutzen, verändert man lediglich die beiden unteren Ebenen und ersetzt sie durch MOST.

Parallel kann man zusätzliche MOST-Layer laufen lassen, sodass das neue Modell wie in Bild 2 aussieht. Alle höheren Ebenen bleiben unverändert. Lediglich der Data-Link und die Physical-Layer müssen für die Ethernet-Kommunikation verändert werden, ohne irgendwelche Änderungen an den dem Anwender zugewandten Applikationen. Die Paketkanäle besitzen ihren eigenen Netzwerkstack, der parallel und unabhängig von den Ethernet-Stacks laufen kann.

Obwohl es viele IT-bezogene Stacks für die IP-Kommunikation gibt, hat die Automobilindustrie ihre eigenen Kommunikations-Stacks entwickelt, die diverse, für automobile Anwendungen spezifische Merkmale wie System-Management, Kontrollfunktionen und Gateways zu anderen automobilen Netzwerken wie CAN beinhalten. Ein solcher Stack läuft noch nicht über Standard-Ethernet, für MOST ist er aber bereits verfügbar. Die Kombination von Ethernet und MOST auf einem einzigen Data-Link beschleunigt die Entwicklung, da es nicht mehr erforderlich ist, das Rad neu zu erfinden, um automobile Informations- und Unterhaltungssysteme zu managen. Die gesamte Netzwerk-Management-Infrastruktur, die gegenwärtig im Einsatz ist, lässt sich weiter nutzen, wenn Ethernet-Ressourcen in das Fahrzeug integriert werden. Es existieren bereits vollständige Tool-Ketten für die Automobilentwicklung und für Fertigungssysteme. Es wären nur minimale Änderungen beim Hinzufügen von Ethernet-Einsatzmöglichkeiten an bestehende Sätze von MOST-Funktionen nötig.

Anstehende Herausforderungen

Die größte Herausforderung besteht darin, das richtige System zum richtigen Zeitpunkt und zu den richtigen Kosten zu bekommen. Die Netzwerkinfrastruktur im Fahrzeug hat in Bezug auf Robustheit und dem Überleben in rauer Umgebung weitaus andere Anforderungen als eine typische IT-In¬frastruktur. Bandbreite kostet Geld, das man entweder für die physikalische Verbindung oder für größere Prozessoren mit erweiterter Rechenkapazität ausgeben kann. Die Herausforderung besteht darin, alle Seiten der Gleichung auszubalancieren, um das optimale System zu erhalten. Das erfordert die Beteiligung der Systementwickler.

Die Fahrzeughersteller müssen zur Spezifizierung der verschiedenen Parameter von Beginn an involviert sein. Nur die Hersteller und ihre Lieferanten können die passenden Kompromisse zwischen den wettstreitenden Zielen eines Netzwerk- und Kommunikationssystems bewerten. Um die für den Einsatz geeignete Technologie zu finden, muss der Blick fünf oder sogar zehn Jahre in die Zukunft gerichtet sein. Fahrzeughersteller müssen Technologie-Entscheidungsfinder sein und nicht nur die Nutzer dessen, was andere Industrien eventuell bieten.

Eine Infrastruktur wie ein Netzwerksystem liefert keine großen Unterscheidungskriterien zwischen verschiedenen Autos. Daher ist es in Jedermanns Interesse, bewährte Systeme zu nutzen, um die Daten hinter das Armaturenbrett zu bringen. Die Fahrzeughersteller müssen kooperieren und sich auf eine Technologie einigen, die sie wirklich beeinflussen können, anstatt sich auf Architekturen zu verlassen, die primär für andere Industriebereiche mit wesentlich höheren Volumina entwickelt werden. Diese stückzahlintensiveren Branchen haben entsprechend einen weitaus stärkeren Einfluss auf die Fortentwicklung.

Die Produkte der Automobilindus¬trie haben sehr lange Lebenszyklen, die in Dutzenden von Jahren gemessen werden. Daher müssen Fahrzeughersteller bei ihren Entscheidungen Zuverlässigkeit und Robustheit quasi einbauen. Sie müssen außerdem die Langzeitverfügbarkeit über wenigstens ein Jahrzehnt gewährleisten, wenn die Consumer- und IT-Geräte von heute längst Sondermüll sind.

Über den Autor:

Henry Muyshondt ist Senior Marketing Manager der Automotive Information Systems Division von Microchip Technology.