В течение 30 лет сети контроллеров (controller area network или сокращенно CAN) лежали в основе коммуникаций в транспортных средствах, поддерживая широкий спектр автомобильных инноваций. Однако автомобильные технологии прошли долгий путь с тех пор, как в 1991 году были развернуты первые шины CAN. И по мере того, как растущие возможности подключения превращают автомобили в центры обработки данных на колесах, CAN получает все больше и больше функций, выходящих далеко за рамки того, что предполагалось 30 лет назад.
Прочный и надежный, CAN остается фаворитом автопроизводителей даже в четвертое десятилетие. Но по мере того, как автомобильная промышленность претерпевает смену парадигмы в ответ на передовые технологии и быстро меняющиеся запросы потребителей, долгое «правление» CAN столкнется с новыми проблемами. В дальнейшем Ethernet будет все больше функционировать в качестве основной шины автомобильной сети, предлагая более производительную, безопасную и более эффективную альтернативу шинам CAN.
Аналитика рынка прогнозирует, что к 2027 году мировой рынок подключенных автомобилей достигнет 225,16 млрд долларов по сравнению с 63,03 млрд долларов в 2019 году. Этот сдвиг в сторону более широких возможностей подключения будет играть решающую и ускоряющую роль в переходе к магистральным сетям Ethernet, даже несмотря на то, что шины CAN продолжают образовывать важное средство коммуникации (в основном в устаревших компонентах).
Преимущества и ограничения CAN
Технические характеристики CAN сделали его особенно эффективным в автомобильной среде, начиная с его высокой устойчивости к шуму, поддерживаемым физическим уровнем и протоколом CAN. Кроме того, CAN поддерживает встроенную многоадресную и широковещательную рассылку, обеспечивает встроенные приоритеты кадров, обеспечивает неразрушающее разрешение конфликтов, 100% распределение при работе и легко поддерживает длинные одиночные шины размером в десятки футов. Только двухпроводной и с дешевым интерфейсом физического уровня, CAN по-прежнему обеспечивает максимальную отдачу от традиционных автомобильных сетей.
Однако из-за того, что одна шина CAN ограничена максимальной скоростью передачи данных от 8 до 10 Мбит / с, она «изо всех сил» пытается удовлетворить потребности современных подключенных транспортных средств. Кроме того, чем больше устройств подключается к одной шине, это значительно снижает пропускную способность шины.
Автопроизводители обошли эту проблему, добавив к автомобилям больше CAN-шин, при этом в некоторых текущих моделях установлено более 10 шин для передачи данных. Специальных соединений между этими шинами было достаточно с точки зрения облегчения сетевых коммуникаций, но о безопасности обычно думают второстепенно, несмотря на растущую уязвимость подключенных транспортных средств для кибератак.
Модернизированные версии CAN, включая CAN-FD и CAN-XL, направлены на улучшение базовой версии за счет поддержки большей пропускной способности (от 1 Мбит / с в традиционной CAN до 8-10 Мбит / с в CAN-FD / XL), быстрее линейные скорости и большие размеры кадров. CAN-FD уже находится в производстве, а CAN-XL все еще находится на стадии проектирования. Хотя эти улучшения, несомненно, повысят устойчивость и надежность CAN по мере того, как автомобили станут более подключенными и автономными, Ethernet предлагает еще один путь к созданию транспортной сети связи, отвечающей современным требованиям.
Ethernet и эволюция подключенных автомобилей
Чтобы удовлетворить потребности автомобилей — отрасль переходит на архитектуру Zonal E / E на основе Ethernet. Возможности «plug and play» Ethernet уникально подходят для высокопроизводительных сервисно-ориентированных сред, которые определят будущий автомобиль. Устройства можно подключать и отключать в режиме реального времени с нулевым временем простоя, что является значительным преимуществом перед шинами CAN.
У Ethernet есть недостатки, в том числе более дорогой интерфейс физического уровня, затраты, связанные с необходимыми коммутаторами, и сложности, связанные с проблемами электромагнитных помех (EMI) с двухпроводным Ethernet с неэкранированной витой парой (UTP). Более того, связь Ethernet не осуществляется в реальном времени и не является детерминированной.
С точки зрения общей производительности Ethernet предлагает явные преимущества, которые требуют его интеграции в автомобильную архитектуру со смешанной критичностью. Поддерживая качество обслуживания, безопасность, критичные ко времени расширения (например, зависящие от времени сети или TSN) и значительно более высокую производительность, Ethernet обеспечивает высокопроизводительную связь, необходимую в зональной архитектуре.
Для достижения аналогичной производительности CAN потребуется больше проводов и больше компонентов, чем для Ethernet, что приведет к более высоким затратам. При использовании Ethernet жгуты проводов меньше по размеру, что требует меньших затрат времени и ресурсов, чем установка часто неуклюжих систем CAN. Эта простота также упрощает быстрое выявление и устранение неполадок в функциях автомобиля.
Переход к связи на основе сервисов и модульной конструкции по своей сути поддерживается архитектурами на основе Ethernet, а не шинами CAN, учитывая большую гибкость Ethernet. Это будет иметь решающее значение, поскольку в будущие модели автомобилей будут добавлены еще сотни миллионов строк кода, наряду с новыми информационно-развлекательными возможностями, функциями, критически важными для безопасности, беспроводными (OTA) обновлениями, а также автономными и полуавтономными функциями.
Прогноз развития CAN и Ethernet
По оценкам Frost Sullivan, в настоящее время используется около 400 миллионов автомобильных портов Ethernet. К 2022 году автомобильных портов Ethernet будет больше, чем портов для всех остальных интерфейсов вместе взятых.
Хотя эти цифры свидетельствуют о том, что проникновение Ethernet уже растет, рынок автомобильного Ethernet все еще находится в начальной стадии, и в ближайшие годы ожидается быстрый рост. ResearchAndMarkets.com прогнозирует, что рынок вырастет с 1,635 млрд долларов в 2019 году до 4,367 млрд долларов к 2024 году, что обусловлено растущим спросом на передовые системы помощи водителю (ADAS), информационно-развлекательные системы и автомобили класса люкс.
Хотя Ethernet находится на подъеме в основном из-за того, что он удовлетворяет потребности в том, что шины CAN не могут служить так легко и эффективно, Ethernet не полностью вытеснит CAN и фактически дополнит ее во многих транспортных средствах. Потребность в комбинации CAN и Ethernet очевидна при рассмотрении эволюционной архитектуры E / E, где новые и высокопроизводительные электронные блоки управления (ЭБУ) сосуществуют в сети с устаревшими ЭБУ, которые могут быть старше нескольких поколений. Кроме того, во многих случаях использования традиционных автомобильных сетей CAN по-прежнему более рентабельна.
Новые модели автомобилей требуют надежной архитектуры Zonal E / E и поддержки многочисленных приложений, что, в свою очередь, требует высокой и быстрой коммуникационной нагрузки с чрезвычайно низкой задержкой. Это требует перехода к передаче данных с высокой пропускной способностью и объединению датчиков или исполнительных механизмов в один канал от зонального шлюза до магистрали. Кроме того, для высокопроизводительных датчиков требуется широкополосная связь с ЭБУ ADAS.
В будущих архитектурах транспортных средств Ethernet может включить TSN в качестве решения для детерминированной производительности, обеспечить оптоволоконную интеграцию в качестве решения EMI / EMC и предоставить каналы 1G и 10G для высокопроизводительной магистрали. И Ethernet может делать все это с такой эффективностью, что отсутствие у него возможностей реального времени становится спорным вопросом.
В дальнейшем, если проблемы с длиной провода будут решены, 10Base-T1 могут служить заменой CAN. За счет аутентификации, установления безопасного сеанса и шифрования архитектуры транспортных средств, оснащенные Ethernet, будут обеспечивать безопасную связь транспортных средств, а также сокращать расходы за счет интеграции коммутаторов в центры управления безопасностью.
Вывод
По мере того, как технологические инновации развиваются нынешними быстрыми темпами, а потребности потребителей развиваются одновременно с ними, в автомобили будет интегрирован широкий спектр новых приложений и подключенных функций — от более сложных ADAS до автомобильных игровых консолей. Для развертывания этих возможностей потребуется большая пропускная способность, более легкое оборудование и минимальная задержка, поэтому все больше автопроизводителей внимательно изучают различия и приложения между Ethernet и CAN.
