Ethernet-Netzwerke richtig validieren TSN/AVB-basierte ECUs und Fahrzeugvernetzungen testen

Zeit- und sicherheitskritische Applikationen.
Zeit- und sicherheitskritische Applikationen.

Viele Applikationen im Fahrzeug sind zeit- und sicherheitskritisch. Daher ist es essenziell, kritische Daten zuverlässig und einwandfrei zu übertragen. Netzwerktests spielen hier im Vorfeld eine wichtige Rolle.

Die Welle, die aktuell im Hinblick auf die Integration von Infotainment, Sicherheitstechnologien und elektronischen Geräten im Fahrzeug heranrollt, verspricht attraktive Vorteile für Fahrer, Beifahrer und sogar für andere Verkehrsteilnehmer, beispielsweise

  • autonome Fahrfunktionen wie Kamera- und Radar-basierte Spurwechselassistenten
  • Rundumsicht-Parkassistenten, die Aufnahmen im zentralen Informations-Display wiedergeben
  • UHD-Bildschirme in den hinteren Kopfstützen

All diese hochentwickelten Funktionen haben eines gemeinsam: Die Anforderungen an Bandbreite und Datenübertragungsrate sind um ein Vielfaches höher als die der vorangegangenen Fahrzeuggeneration. Ältere Netzwerktechnologien für Fahrzeuge, beispielsweise CAN oder MOST, wurden genau für diese Generation entwickelt – ohne die Absicht, später einmal Applikationen mit hoher Bandbreitennutzung wie HD Audio/Video Streaming oder Echtzeitsensorübertragungen unterstützen zu müssen.
Die rasant steigende Menge und Geschwindigkeit von Netzwerk-Traffic im Fahrzeug stellt eine große Herausforderung im Hinblick auf

  • Latenzzeit
  • Service-Qualität
  • Verfügbarkeit
  • Synchronisation

dar. Automobilhersteller implementieren aktuell Netzwerke, die mit einer Datenrate von 100 Mbit/s operieren. Auf der Roadmap stehen aber 1 Gbit/s bis hin zu mehreren Gbit/s. Demnach bietet Ethernet ausreichend Spielraum für zukünftiges Wachstum an Datenraten.

Das in ein Fahrzeug implementierte Ethernet-Netzwerk ermöglicht den Gebrauch von vereinfachten, leichtgewichtigen Kabelarchitekturen. Der Traffic wird in diesem Fall über Multiplex-geschaltete Verbindungen geleitet. Daher ist die Kabellänge, die benötigt wird, um eine bestimmte Anzahl von Elementen in einem Ethernet-Netzwerk zu verbinden, kleiner als die für einfachere Punkt-zu-Punkt-Topologie (CAN) oder Ringverkabelung (MOST), wie Bild 1 zeigt.

Im Gegensatz zu Applikationen für Enterprise Computing sind viele der Applikationen in Fahrzeugen zeit- und sicherheitskritisch. Latenzzeiten und Synchronisation müssen zuverlässig innerhalb eines limitierten Bereiches liegen.

Seit Einführung der Erweiterung von Time-Sensitive Networks (TSN) im Ethernet-Protokoll sind Hersteller von Fahrzeugsystemen in der Lage, die hohen Anforderungen an Latenzzeiten, Synchronisation, Verfügbarkeit und Systemqualität zu erfüllen.

Einwandfreie Übertragung von kritischen Daten

Die TSN-Erweiterung für das Ethernet-Protokoll wurde ursprünglich zur Anwendung im professionellen Audio/Video-Bereich entwickelt. Die erste Bezeichnung dieses Standards lautete daher auch Audio Video Bridging (AVB).

Hauptsächlich dient die TSN-Erweiterung dazu, alle Vorgänge im Ethernet-Netzwerk deterministisch ablaufen zu lassen. Damit wird sichergestellt, dass Datenpakete mit einer hohen Priorität nach dem Senden ihren Bestimmungsort garantiert und innerhalb eines maximal vorgegebenen Zeitfensters erreichen.

Time-Sensitive Networking umfasst eine Reihe von Standards, die zahlreiche Elemente eines deterministischen Systems für Ethernet-Netzwerke bereitstellen. Diese beinhalten

  • garantierte Service-Qualität
  • einen Service zur Synchronisierung der Netzwerkzeit
  • ein verbundenes Transportprotokoll für die Übertragung von zeitkritischen Daten

Network Time, abgesichert durch strenge Spezifikationen für die Latenzzeit, stellt eine einheitliche Uhr im Netzwerk bereit, nach der die Übertragung der Datenpakete synchronisiert werden kann.

Priority ermöglicht das Erkennen von zeitkritischen Datenströmen und setzt unkritischen Traffic auf konventionelle „Best Effort“-Ethernet-Übertragung.

Reservation hält eine bestimmte, garantierte Bandbreite für hochpriorisierte Daten frei.

Die TSN-Standards geben auch Regeln zum Traffic Shaping und Forwarding vor. Sie stellen standardisierte Methoden zur Discovery, Auflistung und Kontrolle bereit. Darüber hinaus müssen neue Netzwerkimplementierungen in Fahrzeugen den Anforderungen an Latenzzeit, Service-Qualität, Verfügbarkeit und Synchronisierung entsprechen. Mit den TSN-Standards können all diese Probleme gelöst werden.

Der Vorteil, ein Automotive-Ethernet-Netzwerk mit TSN-Technologie zu implementieren, liegt in der Nutzung von standardkonformen Komponenten und Systemen aus einem wachsenden Ökosystem an Zulieferern. Wenn ein System konform zum Ethernet-TSN-Standard aufgebaut wird, sollten alle Komponenten miteinander interoperabel agieren können, wenn sie in einem Automotive-Netzwerk verwendet werden.

Wenn korrekt implementiert, verspricht die TSN-Ethernet-Erweiterung die Erfüllung aller Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit, die zeit- und sicherheitskritische Applikationen in Fahrzeugen benötigen. Allerdings stellen sich Automobilhersteller die Frage: Wie können wir am effektivsten testen, ob ein Netzwerkelement oder ein komplettes Netzwerksystem standardkonform ist und entsprechend allen festgelegten Konditionen funktioniert?