Automotive-Netzwerk IP-Datenübertragung über MOST

Die Frage nach der passenden Technologie für die schnelle Vernetzung in Fahrzeugen kommt immer wieder auf. Oft kommt es zu einer Debatte zwischen dem Kfz-Hochgeschwindigkeitsstandard MOST und dem IT-Infrastrukturstandard Ethernet. Die Verfahren werden meist so dargestellt, als ob man eine Wahl zwischen ihnen treffen müsste. Die tatsächlich bessere Lösung ist allerdings die Kombination beider Übertragungswege, anstatt alles in ein einziges Transportkorsett zu zwängen.

Die Automobilindustrie setzt seit über zehn Jahren auf den Standard MOST für die Audio- und Videokommunikation. Das Netzwerk war von Beginn an für das Streamen von Datenströmen an verschiedene Geräte konzipiert, um Unterhaltungssysteme in Autos zu vereinfachen. Heute ist MOST gemäß der Standardisierungsorganisation MOST Cooperation in über 125 verschiedenen Automodellen integriert.

Für die Kommunikation im und mit dem Auto gewinnt das Internet-Protokoll (IP) zunehmend an Bedeutung. Dabei nutzen die Datenströme der IT-Welt verschiedene auf IP-Pakete gestützte Protokolle. Obwohl MOST und Ethernet in dem Zusammenhang oft als gegensätzliche Technologien dargestellt werden, bestehen zwischen ihnen Synergien und beide Übertragungsstandards haben Vorteile.

Ethernet: Datenpakete

Ethernet wurde vor über 30 Jahre entwickelt, um Computersysteme auch über große Entfernungen miteinander zu verbinden. Jedes Paket enthält Adressier- und Steuerinformationen, um zum Ziel zu gelangen. Routenverlauf und Zeitaufwand können stark variieren. Auch für den Austausch mit dem Auto etwa über eine Diagnoseschnittstelle oder auch eine Drahtlosverbindung werden die Daten in einzelne Pakete verpackt und mit Quell- und Zieladresse sowie Informationen versehen, die für die Steuerung der Übertragung von A nach B nötig sind.

Diese Übertragungsmethode ist vollkommen ausreichend für den Transport nicht zeitkritischer oder unempfindlicher Daten wie etwa E-Mails und Web-Browsen. Ein Nachteil liegt in der CSMA/CD-Architektur (Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionserkennung, Collision Detect) von Ethernet. Das System ist nicht deterministisch und die Verzögerungszeiten variieren beträchtlich.

Problematisch wird dies vor allem bei Audio und Video und allen Anwendungen, bei denen ein kontinuierlicher Datenstrom nicht unterbrochen werden darf oder eine Steuernachricht pünktlich ankommen muss. Eine Pufferung hilft teilweise, fügt aber eigene Verzögerungen ein, die für sicherheitsrelevante Fahrerassistenzfunktionen wie Kameras inakzeptabel sind.

Mit Switches lassen sich Kollisionsdomänen trennen und Flaschenhälse eliminieren, aber es wird zusätzliche Hardware und Pufferung benötigt. Auch bietet der Determinismus nur eine statistische Angabe statt einer konkreten Echtzeitlösung. Da alle Netzwerkschnittstellen mit einem Switch verbunden werden müssen, benötigt man über den Ethernet-Transceiver hinaus zusätzliche Hardware, was wiederum Kosten erzeugt.

Switches für das Auto müssen auch spezialisierter sein als im Büro, weil sie Hardwarefunktionen zur Audio- und Videoübertragung beinhalten müssen. Ein Ethernet-Audio/Video-Bridging (AVB) benötigt weitere Hardware zur Taktverteilung, um Zeitstempel für jedes übertragene Paket einzufügen und Mechanismen zur Bandbreiten-Allokation sowie zur Paket-Priorisierung bereitzustellen.

MOST: Daten-Streaming

Adressinformationen in IP-Paketen führen zu beträchtlichem Overhead. Bei einem A/V-Datenstrom fließt eine große Datenmenge über längere Zeit. Werden noch Adressinformationen hinzugefügt und die Daten in Pakete aufgeteilt, die zusätzlich auch noch jedes Mal überprüft werden, wenn sie auf ihrem Weg durch ein Gerät gehen, führt das zu einer hohen Verschwendung an Bandbreite.

Auch verkompliziert sich die Informationsverarbeitung, da sich die Pakete nicht immer mit exakter Latenzzeit und Determinismus durch das System bewegen. Dann müssen die Pakete auch noch entpackt und die Daten zur Verarbeitung in den verschiedenen Audio- und Videodecodern zu einem kontinuierlichen Strom zusammengefügt werden.

Hier bieten die Streaming- und isochronen Kanäle von MOST einen unschlagbaren Vorteil: Ein Steuerkanal legt fest, wo im Frame die Daten platziert werden und wo das Verarbeitungsgerät die von ihm benötigten Daten abholen kann. Anschließend werden nur aktuelle Audio- und Videodaten übertragen, ohne jeglichen Overhead für Adress- und Timing-Informationen.

An der Struktur eines typischen Ethernet-Frames (Bild 1) kann man ablesen, dass für jedes einzelne Informationspaket insgesamt 210 Bit unterschiedlicher Informationen benötigt werden, Protokolle wie AVB noch nicht inbegriffen. Wenn man bedenkt, dass ein Audiomuster in CD-Qualität nur 32 Bit besitzt, stellt das einen immensen Overhead dar.

Das gesamte MOST-Netzwerk hingegen ist synchron mit dem Timing-Master als Taktgeber. Damit sind keine Puffer nötig und es vereinfacht sogar isochrone Übertragungen. Streaming-Kanäle werden nur einmal aufgesetzt, und reine Daten werden ohne zusätzlichen Overhead übermittelt.

Jede MOST-Netzwerkschnittstelle hat eine deterministische Zeit im Bereich von Mikrosekunden für den Durchlauf der Daten.

Die Applikationen wissen daher genau, wie lange der Datentransport dauert. Ein Ethernet-Netzwerk kann eine Lieferung nicht garantieren und benötigt zudem Protokolle höherer Layer wie TCP/IP, um zuverlässige Datenverbindungen einzurichten und beizubehalten. Es entsteht beträchtlicher Software-Overhead. Der Ethernet-Physical-Layer allein kann kostengünstig sein, aber ein leistungsfähiger Prozessor ist Voraussetzung, um den benötigten Software-Stack zu implementieren.

Im Gegensatz dazu erlaubt MOST, seine Schnittstellen-Controller (Intelligent Network Interface Controllers, INIC) fernzusteuern, sodass für einfache Anwendungen - wie beispielsweise einem aktiven Lautsprecher mit nur einem INIC und einem D/A-Wandler mit Verstärker - keine weitere Rechenleistung an dem entfernten Knoten erforderlich ist. MOST ist sehr effizient in der Übertragung von Streaming-Daten, wie sie in der Regel für Infotainment und Fahrerassistenzsysteme benötigt werden.

Pakete und Streaming in Einem

MOST150 soll diese Debatte beenden: Es ist nicht nötig, sämtliche Daten in ein bestimmtes Format zu zwängen, um sie an ein einzelnes Übertragungsprotokoll anzupassen. Der dedizierte Ethernet-Kanal von MOST150 kann ein Standard-Ethernet-Paket aufnehmen und es über das MOST-Netzwerk verschicken, ohne besondere Verarbeitung durch die höheren Niveaus des Ethernet-Management-Stacks.

Die »intelligenten« Netzwerk-Schnittstellen-Controller von MOST150 haben sogar Ethernet-basierte MAC-Adressen, sodass die Ethernet-Pakete an der richtigen Stelle extrahiert und an die anderen Standard-Ethernet-Geräte weitergereicht werden können. Dafür sind weder zentrale Schalterknoten noch zusätzliche Hardware im System nötig.

Für eine bessere Effizienz der verfügbaren Bandbreite lassen sich Streaming-Daten parallel verschicken. Mit MOST150 steht ein einziger, physikalischer Layer bereit, der die Vorteile beider Übertragungsstandards für die Anwendung im Fahrzeug unterstützt. Die internationale Standardisierungsorganisation ISO hat ein OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnect) für Netzwerkkommunikation entwickelt (Bild 2).

Um dieses Modell auf MOST150 anzuwenden, sind einfach nur die beiden unteren Layer durch MOST zu ersetzen (Bild 3). Alle höheren Layer bleiben unverändert. Die MOST-Paketkanäle besitzen einen eigenen Netzwerk-Stack, der parallel und völlig unabhängig von den Ethernet-Stacks laufen kann.

Automotive- und Ethernet-Stacks können beide gemeinsam ablaufen. Aus technischer Sicht besteht kein Bedarf an einer Diskussion, welchen Typ Infrastruktur ein Fahrzeug haben sollte. Paket- und Streaming-Übertragung lassen sich gemeinsam nutzen. MOST kann viele verschiedene Datentransportmechanismen multiplexen.

Der Ethernet-Kanal von MOST150 wurde entwickelt, um die IP-Kommunikation innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs zu nutzen und dabei gleichermaßen die Vorteile des bereits im Einsatz befindlichen, effektiven, synchronen Streaming-Mechanismus‘ von MOST beizubehalten.

Über den Autor:

Henry Muyshondt ist Senior Director of Business Development bei SMSC.