TSN流量記錄器：驗(yàn)證汽車網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)聚合,經(jīng)濟(jì)高效的解決方案

在未來(lái)幾年，汽車線束將從不同協(xié)議的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱拥耐|(zhì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在這種新情況下，模擬真實(shí)車輛網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試臺(tái)需要分析工具，以支持它們?cè)谲噧?nèi)通信過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證。

汽車向以太網(wǎng)聚合原因

隨著汽車內(nèi)部技術(shù)變得越來(lái)越復(fù)雜，相互間的聯(lián)系變得越來(lái)越緊密，最新的應(yīng)用程序和功能正在對(duì)帶寬、延遲、同步、高可用性、QoS和降低成本提出更高的要求。而當(dāng)前和傳統(tǒng)上在汽車領(lǐng)域使用最廣泛的協(xié)議（如CAN、LIN、MOST、FlexRay等）已不再能滿足這些即將到來(lái)的需求。在這種情況下，以太網(wǎng)在IVN（車載網(wǎng)絡(luò)）領(lǐng)域就顯示出了它領(lǐng)先地位，因?yàn)榕c上述其他協(xié)議相比，以太網(wǎng)具有許多優(yōu)勢(shì)（見下表）。

表1 汽車領(lǐng)域中最常用協(xié)議的簡(jiǎn)要對(duì)比

與許多其他領(lǐng)域（航空航天、鐵路、工業(yè)自動(dòng)化等）一樣，以太網(wǎng)的聚合在汽車領(lǐng)域也成為現(xiàn)實(shí)。MarketsAndMarkets預(yù)計(jì)，到2024年，汽車以太網(wǎng)市場(chǎng)將從2019年的16億美元增長(zhǎng)到44億美元。Frost&Sullivan表示，到2022年，汽車以太網(wǎng)端口的總數(shù)預(yù)計(jì)將高于所有其他以太網(wǎng)端口的總和。

汽車IVN體系結(jié)構(gòu)演變

從歷史上看，汽車中的電子系統(tǒng)被劃分為幾個(gè)“領(lǐng)域”（主要是動(dòng)力總成、底盤、車身、舒適性和診斷）。但近年來(lái)出現(xiàn)了一些新的“領(lǐng)域”，如信息娛樂(lè)、駕駛員輔助、車載體驗(yàn)、C-V2x、霧和云后端等。

圖1“中央網(wǎng)關(guān)+域控制器”架構(gòu)

在傳統(tǒng)方法中，每個(gè)域都基于一個(gè)專用的ECU（電子控制單元），有一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，是用于域內(nèi)每個(gè)特定主要功能。如今，域之間有了更多的交互和依賴，但它們通常仍然有獨(dú)立的控制系統(tǒng)。此外，由于歷史問(wèn)題，大多數(shù)傳統(tǒng)域內(nèi)的通信仍然基于非以太網(wǎng)協(xié)議。因此，“中央網(wǎng)關(guān)+域控制器”架構(gòu)是未來(lái)汽車中最常用的架構(gòu)之一。

如上圖所示，這種基于中央網(wǎng)關(guān)的新型架構(gòu)需要一個(gè)基于以太網(wǎng)的主干網(wǎng)（所謂的“聚合主干網(wǎng)”），連接分布在整個(gè)汽車中的所有不同域。該中央網(wǎng)關(guān)是一種以太網(wǎng)多端口路由器/交換機(jī)，具有額外的車輛控制級(jí)別功能。同時(shí)，有一個(gè)特定于域的網(wǎng)關(guān)將每個(gè)域與以太網(wǎng)骨干網(wǎng)連接起來(lái)。當(dāng)域內(nèi)的協(xié)議也是以太網(wǎng)時(shí)，該域網(wǎng)關(guān)就變成了一個(gè)域交換機(jī)，因?yàn)樗阅撤N方式作為常規(guī)以太網(wǎng)交換機(jī)運(yùn)行。

未來(lái)幾年，汽車線束將從不同協(xié)議的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（CAN、LIN、MOST、FlexRay等）轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱油|(zhì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這種變化將使汽車內(nèi)部的通信更加高效和統(tǒng)一。

挑戰(zhàn)

一家Tier1公司開發(fā)一種新的域網(wǎng)關(guān)，用于將駕駛員輔助系統(tǒng)和信息娛樂(lè)域連接到車內(nèi)的聚合骨干網(wǎng)絡(luò)。這兩個(gè)域使用一個(gè)單獨(dú)的域網(wǎng)關(guān)，因?yàn)樗鼈兌紝儆谝粋€(gè)汽車宏觀功能，即ADAS服務(wù)。

這些域中使用的協(xié)議是支持AVB音頻視頻橋接的以太網(wǎng)。在這種情況下，域網(wǎng)關(guān)扮演著一個(gè)具有特定和應(yīng)用程序定制功能的多端口以太網(wǎng)交換機(jī)的角色，例如以太網(wǎng)AVB支持。以太網(wǎng)上的AVB是對(duì)IEEE802.1規(guī)范的一組擴(kuò)展，它使本地以太網(wǎng)能夠使用傳輸時(shí)間并損失敏感的音頻/視頻數(shù)據(jù)。

圖2 多端口以太網(wǎng)域網(wǎng)關(guān)

在該域網(wǎng)關(guān)的驗(yàn)證過(guò)程中，一旦在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試臺(tái)上反應(yīng)真實(shí)的車輛網(wǎng)絡(luò)，該公司就面臨如下問(wèn)題：

● 需要在測(cè)試臺(tái)上記錄流量，以便為域網(wǎng)關(guān)的模擬模型提供盡可能真實(shí)的流量。

● 需要在特定條件下記錄特定的幀/數(shù)據(jù)包。例如，假設(shè)需要在IEEE802.1AS 平面上記錄特定時(shí)間標(biāo)記之后的所有IEEE802.1Qat幀。

出于這些目的，不僅有必要記錄流量，而且有必要將時(shí)間戳與任何記錄的數(shù)據(jù)包一起保存，并能夠?qū)崟r(shí)過(guò)濾和解析網(wǎng)絡(luò)部分中的流量。

解決方案

為了滿足汽車行業(yè)的類似需求，Relyum推出了RELY-REC，這是一種高度專業(yè)化的分析工具，可無(wú)縫捕獲以太網(wǎng)流量，并可記錄所有存儲(chǔ)信息的時(shí)間戳。

圖3 RELY-REC流量記錄器外觀

RELY-REC作為獨(dú)立的設(shè)備以低功耗緊湊的結(jié)構(gòu)嵌入了監(jiān)視、過(guò)濾、時(shí)間戳和捕獲最復(fù)雜以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量的所有邏輯。

對(duì)于本文檔中描述的特定用例，RELY-REC將以TAP模式安裝在“被測(cè)網(wǎng)絡(luò)”網(wǎng)絡(luò)鏈路中，允許通過(guò)其服務(wù)端口同時(shí)遠(yuǎn)程檢索記錄的流量（PCAP格式）。

圖4 RELY-REC TAP配置

結(jié)論

第一個(gè)結(jié)論是以太網(wǎng)融合在汽車網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。因此，在汽車網(wǎng)絡(luò)中對(duì)新設(shè)備的驗(yàn)證和集成提出新的需求：

● 一致性測(cè)試。其目的是驗(yàn)證協(xié)議的一致性和互操作性，包括汽車堆棧和組件的TCP/UDP/IP一致性測(cè)試。

● 協(xié)議驗(yàn)證和性能測(cè)試。其主要目的是驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)平面的應(yīng)用程序性能，以及較低級(jí)別的同步平面精度和行為。

● 中央網(wǎng)關(guān)和域網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)交換功能測(cè)試；AVB能力，獲得每個(gè)服務(wù)類別（Qos）預(yù)期丟包、帶寬和延遲、鏈路故障后的切換和聚合時(shí)間、某些節(jié)點(diǎn)行為不當(dāng)情況下的行為等。

將這些要求轉(zhuǎn)化為更準(zhǔn)確的測(cè)試項(xiàng)：

● 查看網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)流量。
● 過(guò)濾動(dòng)態(tài)流量
● 收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛同步平面打時(shí)間戳（如IEEE 802.1AS）
● 基于多個(gè)可配置的用戶定義事件觸發(fā)數(shù)據(jù)捕獲操作
● 將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)記錄器內(nèi)部，然后傳輸?shù)絇C進(jìn)行后期分析。

圖 5 RELY-REC 觸發(fā)條件和動(dòng)作配置示例

RELY-REC是一款由Relyum開發(fā)的獨(dú)立數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，符合上述所有功能。

另外它是一種支持TSN的設(shè)備，為汽車IVN網(wǎng)絡(luò)的下一步測(cè)試服務(wù)。

RELY-REC設(shè)備

在關(guān)鍵系統(tǒng)中，能夠在幀級(jí)別分析網(wǎng)絡(luò)通信以進(jìn)行測(cè)試和取證是至關(guān)重要的。此外，這種分析的有效性將受到基礎(chǔ)設(shè)施將幀與公共時(shí)間參考相關(guān)聯(lián)的能力的限制。為此，Relyum開發(fā)了RELY-REC，這是一種能夠檢查、標(biāo)記和記錄常規(guī)以太網(wǎng)和TSN以太網(wǎng)流量的設(shè)備，使用與所分析網(wǎng)絡(luò)相同的IEEE802.1AS協(xié)議。

該設(shè)備主要優(yōu)點(diǎn)是其適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于任何場(chǎng)景，這要?dú)w功于其多媒體多速率以太網(wǎng)端口，該端口基于SFP模塊，支持汽車行業(yè)中使用各類接口。

該設(shè)備包括一個(gè)強(qiáng)大的觸發(fā)工具，可以根據(jù)嵌套條件（AND、OR）定義觸發(fā)器，并將多個(gè)操作鏈接到一個(gè)觸發(fā)器。

支持多種輸入類型的條件（模擬/數(shù)字輸入信號(hào)、來(lái)自第三方系統(tǒng)的告警和信號(hào)、時(shí)間表、同步丟失、數(shù)據(jù)包檢查），并連接到輸出操作（流量記錄、電子郵件通知、SNMP陷阱、syslog消息、告警輸出）。

為了簡(jiǎn)化對(duì)存儲(chǔ)流量的訪問(wèn)，RELY-REC支持用于存儲(chǔ)優(yōu)化和高效監(jiān)控的可配置過(guò)濾器。這些過(guò)濾器可以由最終用戶基于Wireshark語(yǔ)義進(jìn)行定制，也可以使用基于第2層和第3層的預(yù)定義字段。

此外，RELY-REC允許通過(guò)服務(wù)端口遠(yuǎn)程訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)的記錄。設(shè)備中提供的帶有時(shí)間戳的事件日志簡(jiǎn)化了觸發(fā)器與相應(yīng)記錄的相關(guān)性。

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