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Ressourcen effizient nutzen

Zukunftssichere Smart-Ethernet-Switches

1. Juli 2023, 11:30 Uhr | Irina Hübner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Softwaredistribution

Doch welche Softwarefunktionen werden idealerweise auf einem Smart Switch benötigt, und welche Software-Cluster werden sinnvollerweise vom Host-Mikrocontroller auf die Switch-ECU ausgelagert? Klar ist, dass ein Betriebssystem und eine Hardwareabstraktion notwendig sind. Hinzu kommen noch wichtige funktionale Blöcke:

Switch-Initialisierung und Basissoftware
PTP-Handling und weitere TSN-Funktionen
Bereitstellen von Funktionen für Software-Updates und Diagnose über den Mikrocontroller
Netzwerkmanagement
Security

Bild 5 zeigt einen AUTOSAR-ähnlichen Stack auf dem Switch: Neben dem Betriebssystem sind AUTOSAR-MAC-, PHY- und Switch-Treiber sowie ein Ethernet-Interface integriert. Der große Vorteil: Bereits in AUTOSAR verfügbare, Hardware-unabhängige und qualifizierte Software kann ohne Einschränkungen direkt auf dem Switch genutzt werden.

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Beispielsweise lässt sich das EthTSyn-Modul – also die PTP-Implementierung mit AUTOSAR-Erweiterungen – direkt in den Switch integrieren. Für neue Anforderungen und Funktionen lässt sich der Switch dementsprechend skalieren und Funktions- und Netzwerkmodule sind einfach zu integrieren. Somit erhöht sich die Funktionalität entsprechend der verfügbaren Ressourcen des Switch. Ein weiterer Benefit ist, dass die Konfiguration und die Entwicklungswerkzeuge für den Switch mit dem AUTOSAR-Workflow, wie er bereits auf der Mikrocontroller-Seite eingesetzt wird und in der Praxis etabliert ist, völlig identisch sind.

Zukünftige Herausforderungen bei Switches

Da die Hardwareressourcen des Switch limitiert sind, ergeben sich noch einige Einschränkungen bei der Software. Für Funktionen wie Firewall und IDS (Intrusion Detection System) steigt der Bedarf von Speichergröße und CPU-Ressourcen. Das Gleiche gilt für MACsec, welches direkt auf dem Switch eine Schlüsselverwaltung und einen Krypto-Beschleuniger erfordert. Auch Fragen hinsichtlich des Workflow sind noch nicht abschließend geklärt. AUTOSAR XML könnte hierfür eine praktikable Lösung oder zumindest eine gute Ausgangsbasis für viele OEMs sein.

Neben noch zu klärenden technischen Fragen erfordert auch der Entwicklungsprozess selbst ein Umdenken beim Einsatz solcher intelligenten Switches. Da diese nun komplett eigenständige Systeme mit eigenen Kommunikationsanforderungen sind, benötigen sie eigene MAC-, IP- und Diagnose- adressen. Das Aufteilen der Software sowie der Netzwerk- und Kommunikationsfunktionen zwischen Mikrocontroller und Smart Switch spielt daher zukünftig eine wichtige Rolle beim Entwickeln von Steuergeräten und muss von den Komponentenverantwortlichen bei den OEMs stets im Auge behalten werden.

Effiziente Ressourcennutzung

Eine effiziente Nutzung der verfügbaren Ressourcen ist ein Hauptgrund für den Einsatz von smarten Ethernet-Switches. Darüber hinaus ermöglichen sie das Umsetzen neuer Funktionen wie Automotive Firewalls sowie MACsec, welche nur lokal auf dem Switch ausführbar beziehungsweise wesentlich effizienter umsetzbar sind. Durch das Verlagern von Switch-relevanten Funktionsanteilen des Precision Time Protocol (PTP), Netzwerkmanagements und Teilen der Diagnose auf den Switch werden auf dem Host-Mikrocontroller CPU-Ressourcen für Aufgaben frei, die dort effizienter ablaufen.

Die in der CPU des Smart Switch ausgeführte Software folgt der AUTOSAR-Methodik in Bezug auf Modelldefinition, Verteilung und Erstellung der Komponenten. Somit profitieren die Entwickler von dem bei Automobilherstellern und Zulieferern etablierten AUTOSAR-Workflow. Zusätzlich bietet AUTOSAR den Vorteil, bestehende qualifizierte Software für Kommunikation, Netzwerkmanagement und Diagnose direkt auf dem Switch wiederzuverwenden. Die Maxime »eine Werkzeugumgebung, ein Workflow, eine Softwarearchitektur« macht den Einsatz von AUTOSAR-fähigen Switches daher zukunftssicher und bietet eine schnellere Markteinführung.

Die Autoren

Axel Schäfer

ist bei Vector Produktmanager in der Abteilung Embedded-Software und zuständig für innovative Themen und Technologien im Umfeld der Kommunikation. Er hat Erfahrungen in der Produktentwicklung und der Integration der Embedded-Ethernet-Komponenten von Vector.

Daniel Dausend

ist bei Vector Teamleiter in der Abteilung Embedded-Software und zuständig für innovative Themen und Technologien im Umfeld der Kommunikation und Betriebssysteme. Er hat Erfahrungen in der Embedded-Ethernet-Entwicklung und im Produktmanagement.