Ethernet im Auto Standards, Konsortien und Produkte

Weiterentwicklung und Trends von Automotive Ethernet und konkreten Bauelementen.
Erste Automobilserien sind bereits mit Ethernet ausgestattet.

Vom Physical Layer über Audio Video Bridging bis hin zu Time-Sensi­tive Networking: In zahlreichen Unternehmen, Arbeitsgruppen und Gremien wird an der Weiterentwicklung von Automotive Ethernet sowie an konkreten Bauelementen gearbeitet. Die wichtigsten Trends im Überblick.

Ethernet im Automobil ist Realität. Nicht nur Ethernet-Anbieter aus dem IT-Sektor, sondern auch traditionelle, in der Automobilbranche aktive Halbleiterhersteller haben Automotive-Ethernet-Lösungen in ihren Produktportfolios, und erste Automobilserien sind bereits mit Ethernet ausgestattet. Mit Blick auf den Erfolg von Ethernet in anderen Industriegebieten ist schon abzusehen: Ethernet ist gekommen, um zu bleiben – für den Einsatz in vielen kommenden Fahrzeug­generationen. Um den Erfolg sicherzustellen und um eine solide Basis für die Zukunft zu schaffen, wird einerseits die Ethernet-Standardisierung von der Automobilbranche energisch vorangetrieben und andererseits die Verwertung der Standards in eigens dafür eingerichteten Konsortien firmenübergreifend koordiniert und damit auch beschleunigt.

Standards ermöglichen es mehreren Anbietern, Produkte mit gleicher oder zumindest überschneidender Funktion zu entwickeln. Im Bereich Automotive Ethernet ist das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) für die Standardisierung des Physical Layer und des MAC Interface (IEEE 802.3) sowie für die Standardisierung der MAC-Layer-Protokolle und der Switching-Funktionalität (IEEE 802.1) zuständig.

Physical Layer

Das IEEE hat den ersten Ethernet-Standard IEEE 802.3 bereits im Jahr 1983 veröffentlicht. In den 1990er Jahren beschleunigte sich der Erfolg von Ethernet, und zwar zunächst mit dem 10­BASE-T-Standard, der eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s erlaubt. Bereits 1995 wurde der 100­BASE-TX-Standard veröffentlicht, der die Übertragungsgeschwindigkeit auf 100 Mbit/s verzehnfacht. Schließlich wurde 1999 mit 1000BASE-T eine Gigabitversion von Ethernet standardisiert.

Obwohl die Ethernet-Technologie bereits über ein Jahrzehnt verfügbar war, begann Ethernet sich erst in den 2010er Jahren in der Automobilbranche durchzusetzen. Eine der Voraussetzungen dafür war die kommerzielle Verfügbarkeit von Interface-Bausteinen (Physical Layer) auf der Basis der OPEN-Alliance-BroadR-Reach- (OABR) Spezifikation, die es ermöglichte, mittels einfacher, ungeschirmter verdrillter Leitungen (UTP, Unshielded Twisted Pair) Signale mit 100 Mbit/s zu übertragen.

NXP war einer der Mitbegründer der OPEN Alliance und wird mit dem TJA1100 sehr bald einen OABR-PHY auf den Markt bringen. Zusammen mit entsprechenden Switch-Bausteinen können somit auch im automobilen Umfeld kostengünstige Ethernet-Netzwerke realisiert werden. Grundsätzlich bevorzugt die Automobilindustrie standardisierte Lösungen: Obwohl die BroadR-Reach-Technologie bereits quasi als Industriestandard durch die OPEN Alliance Special Interest Group weiteren Anbietern verfügbar war, wurde mit der Standardisierung dieser Technologie in einer IEEE-Arbeitsgruppe begonnen. Es ist bereits absehbar, dass ein entsprechender Standard, 100BASE-T1, in naher Zukunft verabschiedet wird. IEEE-Standardisierungsaktivitäten gibt es auch für eine Übertragungsrate von 1 Gbit/s. Der resultierende 1000BASE-T1-Standard wird ebenfalls bald für den Einsatz im Automobil verfügbar sein.

MAC-Layer, AVB und AVBTP

Ein einfaches Ethernet-Netzwerk ist in Bild 1 dargestellt. Hier sind vier Endknoten (A–D) mit dem Switch 1 verbunden und weitere drei Endknoten (E–G) mit einem Switch 2. Switch 1 und Switch 2 kommunizieren direkt miteinander. Entlang der Verbindungen werden Ethernet-Nachrichten ausgetauscht. Während 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 den Physical Layer für diesen Datenaustausch beschreiben (d.h. wie eine einzelne Nachricht auf einer Leitung übertragen wird), definieren die Mechanismen und Protokolle der IEEE-802.1-Arbeitsgruppe auf Nachrichtenebene, wie in einem Ethernet-Netzwerk Daten ausgetauscht werden.

Parallel zu den Aktivitäten um die Physical Layers werden in der IEEE 802.1 auch maßgeschneiderte Lösungen für die Automobilindustrie standardisiert, zum Beispiel Audio Video Bridging (AVB). Dazu zeigt Bild 1 das AVB-Streaming-Konzept, in dem Endknoten als sogenannte Talker und Listener definiert werden (in diesem Beispiel die Endknoten A und E). AVB definiert nun das Stream Reservation Protocol (SRP), mittels dessen Ressourcen entlang des Kommunikationspfads (d.h., in diesem Beispiel in Switch 1 und Switch 2) reserviert werden und daher die Übertragung der Nachrichten vom Talker zum Listener garantiert ist.

Des Weiteren definiert AVB Mechanismen, mit denen sichergestellt ist, dass zeitkritische Nachrichten rechtzeitig im einstelligen Millisekunden-Bereich übertragen werden. Auch ein Uhrensynchronisationsprotokoll (IEEE 802.1AS) ist Teil von AVB. Damit können die lokalen Uhren der Rechenknoten und Switches zu einer sogenannten Grandmaster Clock synchronisiert werden. In Bild 1 ist Endknoten A die Grandmaster Clock. Das „M“ und „S“ an den Ports der Endknoten und Switches beschreibt den Zustand des Ports für die Uhrensynchronisation, der in diesem Fall immer entweder der Master-Zustand oder der Slave-Zustand ist. Wie leicht zu erkennen ist, bilden diese Master/Slave-Beziehungen einen Spannbaum im Netzwerk, an dessen Wurzel sich die Grandmaster Clock – Endknoten A – befindet.

Die synchronisierte Uhrzeit kann zum Beispiel zur synchronisierten Wiedergabe von Audiodaten verwendet werden. Hierzu wird der geplante Zeitpunkt der Wiedergabe mit den Daten in der Ethernet-Nachricht verschickt. Dieses Konzept der sogenannten Presentation Time sowie die Definition der Nachrichtenformate für Audio- und Videodaten usw. ist im AVB Transport Protocol (AVBTP) im Standard IEEE 1722 festgelegt. Ein ideales Anwendungsfeld von AVB sind zum Beispiel Infotainment-Systeme.