引言：软件定义车辆的新时代

全球汽车行业趋势正迅速从硬件定义车辆转向软件定义车辆。因此，许多传统上由机械系统驱动的特性和功能现在已经主要由软件进行控制。虽然这种转变是创造新一代电动汽车和自动驾驶汽车的关键，但它也增加了车辆的复杂性，并且更加强调车载网络的效率、信息安全和功能安全。

对于汽车制造商而言，不断延长的车辆软件生命周期也意味着他们现在必须在 10 至 15 年期间，持续为车辆软件提供更新和信息安全补丁。同时，今天的消费者希望能够以快捷简单的方式，持续获得新功能和优化车辆性能。为应对这些挑战，汽车制造商正在寻找各种解决方案，以便有效地管理软件和线路的复杂性以及由复杂的项目和大型分布式团队带来的集成风险。

驱动软件复杂性增长的三大趋势是什么？

在汽车制造商持续分离硬件和软件的过程中，他们需要采用更加灵活的新方法来开发和集成软件。由于各品牌愈发重视软件的独特性，以吸引更多消费者和扩大市场份额，行业愈发重视车辆的差异化，从而进一步强化了对这个方面的要求。总而言之，驾驭车载计算机网络的挑战对于行业实现长期成就来说至关重要。

汽车 E/E 架构模式的转变

当今车辆的结构愈发复杂，因此行业需要重新设计 E/E 架构以改善车辆性能，整合更先进的功能，并减轻电缆和线束的重量（图 1）。因此，E/E 架构中的代码量和复杂性几乎呈指数级增长。

例如，一个典型的车身控制器拥有 20 万至 200 万行代码，高性能计算机（HPC）可能有 2000 万至 5000 万行代码；据估计，SAE 标准的 L3-L5 级自动驾驶可能需要 3 亿至 5 亿行代码。在车辆架构中，网络节点变得愈发重要，因为它们连接了终端节点并且能够促进快速、高效和安全的数据传输。

网络节点（连接终端节点）是车载网络的关键组成部分

有三种不同类型的 E/E 架构：

1)    域控架构：连接到域控制器的 ECU（电子控制单元）。这些架构结合了各种 ECU，这些 ECU 在公共域控制器或网关下的功能彼此相关。这种设计的特点在于根据不同的域对 ECU 进行了细分，例如动力总成、底盘、信息娱乐和座舱。域控架构的一个主要劣势在于，它通常不会对布线进行优化，因为各个功能域的 ECU 分布在整个车辆中。在域控架构中，域控制器通常可作为网络节点发挥作用，通常具有实时核心和传统网络，以及一个用于以太网连接的以太网交换机。

2)    中央式架构：连接到中央 HPC 的 ECU（独立于域）。在这类架构中，大部分计算能力均由同一个集中式的高性能计算机（HPC）进行处理。这些 HPC 整合了服务器 ECU、传感器或执行器 ECU，可以发挥网络节点的作用。

3)    区域式架构：ECU 通过 HPC 骨干网与下一个区域 ECU 连接（独立于域）。区域式架构有助于满足高级车辆功能（例如 ADAS 和自动驾驶）日益增长的软件和计算需求。它们还能通过将相近的 ECU 整合在单个区域控制器中来应对区域架构的缺陷和局限性。这种整合显著减少了布线和重量，但增加了软件复杂性，因为区域控制器必须能够根据其功能区分来自其连接的 ECU 的流量，但同时仍然需要独立于其通信系统。在区域式架构中，HPC 和区域 ECU 发挥着网络节点的作用。

在中央式或区域式架构中，HPC 通常具有实时核和高性能核（带有相同的传统网络和以太网交换机），并与内部高速连接。在区域式架构中，区域 ECU 通常包括实时核、以太网交换机、传统网络和本地高速连接，因为它们需要处理不断增加的数据量。

未来的车载网络将是什么模样？

各种行业分析预测，车辆中的 ECU 数量仍将显著增长[1]，其主要驱动因素是自动驾驶功能和其他功能（如动力系统和信息娱乐系统）的需求。此外，Robert Bosch 的研究预计，在 2022 年[2]，汽车行业将面临一个关键的问题，因为吞吐量将很快超过现有的路由和当前使用的中央处理单元（CPU）处理性能（图 2）。从这个信息来看，行业显然必须采用一种新的对策。目前主要有两种解决方案：a）增加 CPU 核心的数量和/或提高各个核的性能，或者b）增加使用卸载功能，和/或使用现代硬件平台中已有的某些额外功能。

如何有效管理 ECU 间通信 

对于汽车制造商而言，在网络节点内实现快速且安全的车载通信是一个至关重要但也充满挑战的任务。为解决这个问题，Elektrobit 开发了 EB zoneo 产品系列，提供高效且可靠的解决方案，以帮助建立可扩展、功能安全和信息安全的 ECU 内及 ECU 间通信。

EB zoneo SwitchCore 是一款车规级交换机固件，用于处理不断增加的网络功能，从而增强车辆的功能安全和信息安全。它支持新型的高级“智能”汽车以太网交换机，用于电动汽车、新一代 ADAS 和自动驾驶汽车所需的高速和高带宽网络。其设计旨在处理复杂的网络配置、路由、QoS、防火墙、设备认证及时间同步问题。此外，这款 SwitchCore 固件还可通过将网络管理和与网络相关的功能保留在网络节点中，以此分离终端节点和网络。使用这个方法，可以直接在硬件交换机内完成信息安全域分离和时间同步。

为突出 EB zoneo 解决方案的有效性，我们有必要对比一下普通车辆软件架构与使用 SwitchCore 固件的高级范例的区别。在交换机硬件单元未使用固件的情况下，交换机的初始化、控制和配置就要通过一个特殊的 AUTOSAR 模块来执行，该模块被称为以太网交换机驱动程序（EthSwt）。

这个交换机执行的是 L2 转换和其他一些有赖于硬件的功能，例如时间同步或服务质量等。如果主机需要某些健康数据，主机就会初始化一个特殊的寄存器读数，它需要一定的时间和计算能力来提取所请求的数据。

这是一个相当消耗资源的过程，并且要求具备特定的硬件知识以了解从何处读取数据。此外，内部或外部 Ethernet PHY（要么在交换机内部，要么连接到交换机）必须由主机进行配置和控制，这样就会减缓网络启动的速度（图 3）。

EB zoneo SwitchCore 可以在交换机固件单元内部的一个 CPU 核上定位和执行。现代交换机通常都有一两个内部核，因此我们可以充分利用这些核，例如交换机内外的 PHY。使用 EB zoneo SwitchCore 固件时，交换机可以自行启动，从而显著缩短网络启动时间。选定的健康数据和统计数据也可以自动收集，并在没有主机特地请求的情况下，在 EB zoneo SwitchCore 和主机 MCU 之间进行交换（图 4）。EB zoneo SwitchCore 产品中甚至还部署了 IP 路由、防火墙、信息安全，甚至是推送通知等功能（图 5）。

此外，Elektrobit 还与 Argus 及其他可靠的第三方合作，创造了先进的网络安全扩展件，可在未来为车辆提供更高的信息安全保障。总之，EB zoneo SwitchCore 提供了汽车以太网交换机所需的智能水平，以满足未来的智能、软件定义车辆的需求。

使用 EB zoneo SwitchCore 有何独特优势?

•  额外的计算能力。固件直接在交换机上执行高阶网络功能，解锁微控制器单元中的额外资源，并提高计算性能。

•  更快速的启动和更安全的系统恢复。它可以确保独立启动交换机，减少了对微控制器单元（MCU）的相互依赖，从而加快了网络启动时间，提高了整体性能。

•  容易实现。软件实现与硬件特性密切相关，并且能够与来自多个领先的硬件供应商的交换机兼容。

解决复杂的 ECU 内通信挑战

传统的 ECU 是独立的部件，位于不同的控制器上，具有其专用的只读存储器（ROM）和以太网连接。它们通过传统网络或专用以太网交换机进行相互通信。今天，HPC 将这些 ECU 集成为虚拟机格式，并通过共享以太网连接继续进行之前建立的通信。

这些虚拟机与独立 ECU 的通信方式相同，这意味着它们仍会彼此交换以太网帧，或者同 HPC 外部的其他网络参与者交换以太网帧。不过，HPC 内部通常没有特殊的硬件单元，并且HPC 中使用的微控制器往往只有一个物理以太网端口。这种局限性会制造出瓶颈和访问问题，从而导致延迟甚至是掉帧。为纠正这些问题和提高速度和效率，Elektrobit 开发了一种新的软件解决方案，即 EB zoneo VSwitch，将其作为 HPC 内部的硬件交换机。

EB zoneo VSwitch 是一个模拟交换机功能的虚拟化模块，旨在为虚拟机（VM）和以太网网络提供快速可靠的通信。它可以提供 ECU 或 HPC 内的 VM 之间以及 VM 与以太网网络之间的通信。它支持使用 Classic AUTOSAR 和 Adaptive AUTOSAR（Linux）的虚拟机，并支持单播、组播和广播帧、流量整形和时间同步。

EB zoneo VSwitch 是一种智能解决方案，可直接解决日益复杂的 E/E 架构和满足更高效的 ECU 内部通信需求。它可以促进 ECU 内交换机功能的虚拟化，并可通过共享的以太网交换机端口将多个虚拟机连接在一起。这种先进的解决方案提高了网络速度和可靠性，同时降低了整体计算需求，支持实现创造新一代车辆所需的先进功能和特性。

使用 EB zoneo VSwitch 有何独特优势？

•   降低软件复杂性。EB zoneo VSwitch 可通过硬件虚拟化来解决软件复杂性不断增加的挑战。它实现了复杂的虚拟机集成和通信集群的准确分离，并同时增强了网络安全。

•   缩短开发周期。虚拟以太网交换机为虚拟机提供了几乎无限数量的连接器，并且可以在未来整合更多虚拟机。它本质上具有可互操作性，包括用于 Linux、Android 和 Classic AUTOSAR 的连接接口驱动程序，这可以显著减少移植工作，并缩短产品上市时间。

总结

对于汽车制造商而言，从硬件驱动到软件定义汽车的加速转变带来了独特的挑战，也创造了有利的机会。尽管电动汽车降低了成本和排放量，ADAS 和自动驾驶功能提高了道路安全性，但车载网络的复杂性将会有增无减。这种快速演变正在影响硬件和软件的设计和性能，并推动了对最大化计算能力和创建更有效的网络通信的需求。为满足这些需求，汽车制造商需要智能和可扩展的工具来开发、配置和启用最新平台上的全新功能，并同时实现软件和硬件之间的无缝集成。

作为满足全行业需求的解决方案，EB zoneo 这个先进的新产品系列可以解决当前和未来建立车载网络的挑战。它的 EB zoneo SwitchCore 和 EB zoneo VSwitch 这两大模块能够显著提升 ECU 内部及 ECU 之间网络通信的速度、可靠性和网络通信安全。这个现成的平台为域、中央式和区域式架构提供了向后兼容的解决方案，并能够与其他 Elektrobit 产品（例如 EB tresos 和 EB corbos）无缝集成。

EB zoneo 为何是创建新一代车载网络的理想解决方案？

•   面向未来。它支持高速、可靠和安全的车载网络的高级功能，并能够从容应对分布式区域式架构带来的挑战。

•   优化。它通过最大化现有硬件能力和将与网络相关的任务分配给特定的硬件单元，改善了计算能力和资源消耗。

•   低成本。它加快了向面向服务通信的转换，以及从域到集中式和区域式架构的转变。

•   已通过测试。EB zoneo 已在一个重要的投产车辆系列进行了道路测试，并支持大众和通用等领先的 OEM 平台。

•   拥有数十年的行业经验和技术。Elektrobit 拥有 20 余年的汽车网络专业经验，并与英飞凌、Marvell、恩智浦、Realtek、瑞萨等领先的硬件供应商建立了合作关系。

总而言之，EB zoneo 可直接促进实现更智能、更快捷、更高效的车载网络。EB zoneo 是一个极具价值的工具，通过简化部署更先进的特性和功能的过程，为世界各地的驾驶员创造可提高舒适性、安全性和驾驶乐趣的新一代汽车架构。

参考资料

[1] 2022 年汽车以太网大会（Automotive Ethernet Congress 2022），“软硬件双管齐下，应对 IP 路由挑战”（Symbiosis of hardware and software to cope with IP routing challenges）, Elektrobit 和 Renesas，2022 年 6 月。

[2] 2020 年汽车以太网大会，“大会嘉宾发言”， Robert Bosch GmbH，2020 年 2 月。

作者：

Illia Safiulin 是车载以太网产品线 EB zoneo 的产品经理。

Elektrobit 针对汽车 ECU 的 AUTOSAR 软件产品和解决方案：

Elektrobit 推出的业内首款能够实现安全、高性能车载网络通信的汽车以太网交换机固件：EB zoneo www.elektrobit.cn/products/ecu/eb-zoneo/

Elektrobit 经典 AUTOSAR 基础软件、汽车操作系统和量身定制的工具环境：EB tresos www.elektrobit.cn/products/ecu/eb-tresos/

Elektrobit 用于打造高性能计算平台（HPC）的自适应 AUTOSAR 基础软件、虚拟机监控程序（Hypervisor）、车规级操作系统和集成式开发环境：EB corbos www.elektrobit.cn/products/ecu/eb-corbos/

Elektrobit 为汽车电子控制单元（ECU）提供的嵌入式安全解决方案：EB zentur www.elektrobit.cn/products/security/

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