Ethernet zur Optimierung automobiler Elektronikplattformen

Die ersten Ethernet-basierten Vernetzungsanwendungen befinden sich bereits heute in Fahrzeugen im Bereich der Diagnose und zum Flashen der Steuergeräte, aber nicht im Bereich der Steuerung. In einem nächsten Schritt wird Ethernet für den Datenaustausch zwischen Kamerasystemen und Steuergeräten verwendet. Die Serienproduktion für die letztgenannten Systeme wird für 2013 erwartet. BMW wird Ethernet auf dem Gebiet der Fahrerassistenzsysteme, in dem Videokameras an eine zentrale Steuereinheit angeschlossen werden, einsetzen. In weiteren Schritten ist zu erwarten, dass Anwendungen in passiven Sicherheitssystemen, z.B. bei einem Spurhalteassistenten, Bildinformation über Ethernet erhalten. In Zukunft ist der Einsatz von Ethernet in aktiven Sicherheitssystemen, z.B. einem Notbremsassistenten, zu erwarten. Die steigende Anzahl der Steuergeräte pro Fahrzeug verursachte bereits einen Paradigmenwechsel in E/E-Architekturen. Dieser führt dazu, dass ein Steuergerät nicht eine einzelne Funktion wahrnimmt, sondern dass immer mehr Funktionen auf einem einzelnen Steuergerät integriert werden müssen. Solche Steuergeräte müssen mehr Leistung bezüglich Datenverarbeitung und Datenkommunikation anbieten. Die höhere Bandbreite von Ethernet ermöglicht eine flexible Verteilung von Funktionen mit höherer Leistungsfähigkeit. Insbesondere die räumliche Lage, in denen komplexe Berechnungen ausgeführt werden, wird weniger wichtig. Außerdem können kritische Funktionen mit nicht-kritischen Funktionen auf gemeinsamen Steuergeräten, die entsprechende Mechanismen zur Partitionierung anbieten, koexistieren. Dieser Ansatz ist nur möglich, wenn die verfügbare Bandbreite zwischen Funktionen exakt und deterministisch, mit geringer und begrenzter statistischer Schwankung (Jitter) des Datenverkehrs, im Netzwerk verteilt wird. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass sich die Applikationen auf der Kommunikationsebene nicht gegenseitig beeinflussen. Mithilfe eines solchen Netzwerks können mehrere Funktionen im Automobil in einem Steuergerät kombiniert werden. Die Kosten für die Architektur können durch reduzierte Verkabelung und durch die standardisierte Komponenten verringert werden. Ein solches Netzwerk wird oft als Backbone bezeichnet. Langfristig betrachtet wird ein Ethernet-Backbone, das deterministische Echtzeitkommunikation unterstützt, dazu beitragen, Kosten und Komplexität der Plattformentwicklung zu reduzieren. Dadurch sinken Verkabelungsmenge, die Anzahl an Steuergeräten und ­Lebenszykluskosten. Bedeutung neuer Architekturen Neuen Ansätzen im Bereich der Architektur von Fahrzeugtopologien wird aufgrund der wachsenden Anzahl von Funktionen größere Bedeutung zukommen. Heute gibt es bereits Ansätze zur Anhebung des Levels der funktionalen Integration sowie die Integration von sicherheitsrelevanten Systemen. Darunter befinden sich Domain-Prozessor-Strukturen mit hoher Funktionsintegration und kostenoptimierte Architekturen mit dem Ziel, die Verkabelung im Fahrzeug zu verringern. Backbone-Netzwerke sind dafür besonders geeignet. Erhöhte Zuverlässigkeit und Belastbarkeit der Datenkommunikation kann für hochverfügbare und sicherheitsrelevante Anwendungen über redundante Netzwerk-Pfade realisiert werden. Gleichzeitig kann im Netzwerk eine verbesserte Robustheit und Verfügbarkeit des Systems erreicht werden. Obwohl Ethernet eine gute Grundlage für eine Backbone-Architektur darstellt, sind einige Erweiterungen erforderlich, um eine konfliktfreie Integration von mehreren Funktionen zu gewährleisten. Antwortzeiten und verfügbare Bandbreiten müssen pro Funktion sichergestellt werden können. TTEthernet definiert solche Erweiterungen. TT steht für time-triggered (zeitgesteuert) und bedeutet, dass wichtige Nachrichten nach einem Zeitplan und deterministisch mit fester Latenz und Jitter im µs-Bereich transportiert werden. Echtzeit-Lösung TTEthernet TTEthernet ist für eine kollisionsfreie parallele Übertragung von Daten mit harten, weichen und keinen Echtzeitanforderungen entwickelt worden. Es bietet eine verteilte fehlertolerante Zeitbasis. Der Schlüssel zu dieser Technologie sind TTEthernet-Switches (Layer-2-Ethernet-Switches), die eine Weiterentwicklung gemäß SAE AS6802-Standard implementieren. Sie ergänzen die Ethernet-Norm IEEE802.3 um synchronisierte (d.h. zeitgesteuerte) Kommunikation und rate-constrained Mechanismen. Die zeitgesteuerte Kommunikation garantiert geringe Latenz und geringen Kommunikations-Jitter und ist damit geeignet für Funktionen mit harten Echtzeitanforderungen und Anwendungen, die garantierte Netzwerkantworten benötigen. Als rate-constrained Kommunikation wird der Datenaustausch bezeichnet, bei dem eine bestimmte Bandbreite, jedoch keine feste Phasenlage der einzelnen Botschaften garantiert wird. Der Kernfunktionalität der TTEthernet-Technologie – zeitgesteuerter, deterministischer Datentransfer und eine Partionierung zwischen zeitgesteuerten und nicht zeitgesteuerten Datenübertragungen – wird im TTEthernet-Switch implementiert. Zusätzlich sind Hardware-implementierte Endknoten mit TTEthernet als Netzwerkkarten verfügbar. Es gibt softwaremäßig implementierte Endkonten, die mit einem TTEthernet-Software-Stack auf einem Standard-Ethernet-Controller realisiert sind. Jeder TTEthernet-Switch und jeder Endknoten erhält eine Konfiguration für die kritischen Übertragungen mittels zeitgesteuerten oder rate-constrained Frames sowie die dazugehörigen Parameter. Der TTEthernet-Switch behandelt die zeitgesteuerten und rate-contrained Frames entsprechend der Konfiguration mit höchster Priorität und verwirft jene Frames, die Adressen von kritische Übertragungen mit sich führen, aber nicht der Konfiguration entsprechen und damit das korrekte Systemverhalten gefährden könnten. TTEthernet verwendet das gleiche Frame-Format wie Standard-Ethernet und ermöglicht daher die Verwendung von bestehenden Layer-3-Lösungen und höheren Ethernet-Protokollen wie IPv4, IPv6, UDP oder TCP ohne notwendige Modifikationen. Netzwerk-Komponenten, die kritische Daten zeitgesteuert senden müssen, können durch Hardware oder Software als TTE-thernet-Komponenten genutzt werden. Standard-Ethernet-Komponenten, die keine kritischen Informationen senden müssen, können dem TTEthernet-System hinzugefügt werden und mit dem restlichen System über normale Ethernet-Frames kommunizieren. Diese Erweiterungen der Ethernet-Norm IEEE802.3 machen nicht nur eine einfache Migration von bestehenden Standard-Ethernet-Anwendungen möglich, sondern auch die Verwendung von kostengünstigen Ethernet-Controllern. Gleichzeitig ist das Protokoll unabhängig von der konkreten Implementierung der physikalischen Schicht. Eine Integration mit AVB/IEEE802.1 (Audio/Video Bridging) ist ebenfalls möglich. Es werden die gängigen Datenübertragungsraten 100MBit/s und 1GBit/s unterstützt. TTEthernet-Switches nutzen drei Kommunikationsklassen: – Zeitgesteuerte Kommunikation nach dem SAE – AS6802-Standard: Sender, Empfänger und kritische Netzwerk-Switches wissen – aufgrund eines vorkonfigurierten Zeitplans – wann die zeitsynchronen Daten zwischen den Steuergeräten und über die Switches transportiert werden sollen. Bandbreite, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht für zeitgesteuerte Kommunikation verwendet wird, kann für asynchronen Ethernet-Verkehr verwendet werden (Bild 2). – Rate-constrained-Kommunikation basiert auf bekannten definierten Maximalbandbreiten für Datenübertragungen. Für ein Netzwerk, in dem alle kritischen Daten eine bekannte Bandbreiten-Obergrenze haben, kann garantiert werden, dass bestimmte Daten mit einer vorgegebenen Übertragungsrate und mit einer bestimmten maximalen Verzögerung im Netzwerk übertragen werden können. Die Anwendung, die die Daten generiert, kann steuern, wann eine bestimmte Übertragung stattfindet. – Reguläre \’best effort\‘-Kommunikation wird konform zum IEEE802.3 Ethernet-Standard abgewickelt und in einem TTEthernet-Netzwerk mit geringer Priorität behandelt. Sobald zeitgesteuerte oder Rate-constrained-Daten zur Übertragung angefordert werden, wird die reguläre Ethernet-Kommunikation verzögert. Um Fehlertoleranz zu erreichen, werden mehrere Endknoten im System als Zeitmaster konfiguriert. Der SAE AS6802-Standard beschreibt, wie die Zeitmaster zueinander und zu den TTEthernet-Switches synchronisiert werden. Wenn ein Zeitmaster unzuverlässig wird oder ausfällt, wird die gemeinsame Zeitbasis durch die anderen Zeitmaster unterbrechungsfrei und zuverlässig aufrechterhalten. Ein Ausblick für TTEthernet