在未來的幾年里，汽車線束將從不同協議的異構網絡轉向分層的同質以太網網絡。在這種新的情況下，實驗室試驗臺，反映真實的車輛網絡，將需要分析工具，能夠支持他們在驗證過程中的車內通信。

1.以太網融入到汽車網絡中的理論基礎

汽車內部的技術變得越來越復雜，聯系也越來越緊密。汽車內部最新的應用和功能正在提高帶寬、降低延遲、同步、高可用性、QoS和降低成本的要求。當前和傳統的汽車中最常用的協議（即CAN、LIN、most、FlexRay等）不足以滿足這些即將到來的需求。在這種情況下，以太網顯然是IVN（In-Vehicle Network）的領頭羊，因為它與前面提到的其他協議相比有許多優勢（請參閱下一個比較表作為參考）。

表1：汽車常用協議簡單比較

與許多其他行業（航空航天、鐵路、工業自動化等）一樣，汽車行業也實現了向以太網的融合。預計2019年汽車市場的以太網市場將從2024億美元增長到20.24億美元。同樣，根據Frost&Sullivan的數據，到2022年，汽車以太網端口的總數預計將高于所有其他以太網端口的總和。

2.汽車IVN架構

在過去，汽車的電子系統被劃分為幾個領域（主要是動力傳動系統、底盤、車身、舒適性和診斷）。但近些年又出現了許多新的領域，如信息娛樂、駕駛員輔助、車內體驗、C-V2x、fog和云后端等。

圖2“中央網關”+“域控制器”架構

在傳統汽車IVN中，每個域都有一個獨立的控制，基于一個專用的ECU（電子控制單元），每個域內具有特定的主要功能。現如今，各個域之間的交互和依賴性要多得多，但它們通常仍然是具有獨立的控制系統。此外，由于遺留問題，大多數傳統域內的通信仍然基于非以太網協議。因此，“中央網關+域控制器”是成為未來車輛最常用的架構之一。

如上圖所示，這種基于中央網關的新型體系結構需要一個基于以太網的主干網（所謂的“聚合骨干網”），連接分布在整個汽車網絡的所有不同域。該中央網關是一種以太網多端口路由器/交換機，具有附加的車輛控制級功能。同時，有一個特定于域的網關將每個域與以太網主干網連接起來。當域內的協議也是以太網時，該域網關就成為域交換機中的一個，因為它以某種方式作為常規以太網交換機運行。

在接下來的幾年里，汽車線束將從不同協議（CAN、LIN、MOST、FlexRay等）的異構網絡轉變為分層的同質以太網網絡。

3.    面臨的挑戰

汽車E/E系統的一家Tier1公司正在開發一種新的域網關，用于將駕駛員輔助和信息娛樂域連接到車內的聚合主干網。這兩個域使用一個域網關，因為它們都屬于一個單一的汽車宏功能，即ADAS高級駕駛員輔助系統服務。

這些域內使用的協議是以太網，支持AVB（音視頻橋接）。因此，在這種情況下，域網關扮演多端口以太網交換機的角色，具有特定和應用程序定制的功能，例如以太網AVB支持。AVB over Ethernet是IEEE802.1規范的一組擴展，支持本地以太網網絡傳輸時間和丟失敏感的音頻/視頻數據。

圖3：多端口以太網域網關

在域網關的驗證過程中，在反映真實車輛網絡的試驗臺上缺少了以下特定功能：

① 能在試驗臺上記錄流量，以便向域網關的仿真模型提供可能的最真實的流量；

② 能夠在特定條件下記錄特定幀/包。例如，假設在IEEE802.1AS協議下記錄某個時間標記之后的所有IEEE802.1Qat幀。Qat和AS是IEEE802.1規范的兩個擴展，定義了流保留和定時同步。

為了能夠實現這些目的，不僅需要能夠記錄通信數據量，而且還需要記錄任何數據包的時間戳，并且能夠實時地、動態地過濾和解析網絡部分中的底層流量。

4.    解決方案

為了能夠解決汽車行業的需求，虹科推出了RELY-TSN-REC，這是一個高度專業化的分析工具，用于捕獲以太網流量，并且可以為所有存儲的報文記錄時間戳。

圖4：RELY-TSN-REC

這個獨立設備嵌入了過濾、記錄時間戳以及捕獲復雜以太網網絡流量這些功能的邏輯，而僅僅在一個性價比高且高度集成的小模塊中。對于本文檔中描述的特定用例，RELY-TSN-REC將以抽頭的形式安裝在“測試中網絡”網絡鏈路中，允許通過其服務端口同時遠程檢索記錄的流量（PCAP格式）。

圖5：RELY-TSN-REC TAP 配置

5.    結論

第一個結論是，以太網融合已經成為現實，在汽車網絡中也是如此。此外，對汽車網絡中新設備的驗證和集成提出了新的需求：

① 一致性測試：其目的是驗證協議遵從性和互操作性。汽車堆棧和組件的TCP/UDP/IP一致性測試；

② 協議驗證和性能測試：這里的主要目的是驗證基于數據平面的應用程序性能，以及較低級別的同步平面精度和行為；

③ 中央網關和域網關以太網交換功能測試：AVB能力、Qos的預期包丟失、帶寬和延遲、鏈路故障后的切換和收斂時間以及某些節點行為不當情況下的行為等。

將這些需求納入更準確的要求中：

① 能檢測到網絡中傳輸的實時流量；

② 能夠過濾實時傳輸的流量；

③ 能收集實時數據，根據車輛網絡同步協議（例如，IEEE 802.1AS）標記時間戳；

④ 根據多個可配置的用戶定義事件觸發數據捕獲操作；

⑤ 將數據保存到內部數據記錄器，然后傳輸到PC以執行后分析任務。

圖6：觸發器菜單中RELY-REC condition和action配置示例

虹科的獨立設備記錄儀RELY-TSN-REC符合上述所有功能。此外，它是一個支持TSN的設備，可以升級到TSN，這是汽車IVN網絡的下一階段。

在關鍵系統中，能夠在幀級分析網絡通信以進行測試和取證是至關重要的。此外，該分析的有效性將受到基礎設施將幀與公共時間參考關聯的能力的限制。虹科的RELY-TSN-REC就能做到解決以上需求，這是一種能夠對常規以太網和高可用性以太網流量進行檢查和記錄時間戳的設備，使用與分析中的網絡相同的PTP定時基準。該設備的一些主要優點是其對任何用例的適應性，由于其具有多媒體多速率以太網端口，基于SFP模塊，支持汽車行業使用的最廣泛的接口。

該設備包括一個強大的觸發工具，允許根據嵌套條件（和或）定義觸發器，并將多個操作鏈接到一個觸發器。

支持多種輸入類型條件（模擬/數字輸入信號、來自第三方系統的警報和信號、時間安排、同步丟失、數據包檢查），連接到輸出操作（流量記錄、電子郵件通知、SNMP陷阱、系統日志消息、警報輸出）。

為了簡化對存儲流量的訪問，RELYREC支持可配置的過濾器，以實現存儲優化和高效監控。這些過濾器可以由最終用戶根據Wireshark語義進行定制，也可以使用基于第2層和第3層的預定義字段。

此外，RELY-REC允許通過服務端口同時遠程訪問內部存儲的記錄。設備中的時間戳事件日志簡化了觸發器與相應記錄的關聯。