TSN流量記錄器：驗證汽車網絡中的以太網聚合,經濟高效的解決方案

在未來幾年，汽車線束將從不同協議的異質網絡轉變為分層的同質以太網網絡。在這種新情況下，模擬真實車輛網絡的實驗室測試臺需要分析工具，以支持它們在車內通信過程中進行驗證。

隨著汽車內部技術變得越來越復雜，相互間的聯系變得越來越緊密，最新的應用程序和功能正在對帶寬、延遲、同步、高可用性、QoS和降低成本提出更高的要求。而當前和傳統上在汽車領域使用最廣泛的協議（如CAN、LIN、MOST、FlexRay等）已不再能滿足這些即將到來的需求。在這種情況下，以太網在IVN（車載網絡）領域就顯示出了它領先地位，因為與上述其他協議相比，以太網具有許多優勢（見下表）。

 表1 汽車領域中最常用協議的簡要對比

與許多其他領域（航空航天、鐵路、工業自動化等）一樣，以太網的聚合在汽車領域也成為現實。MarketsAndMarkets預計，到2024年，汽車以太網市場將從2019年的16億美元增長到44億美元。Frost&Sullivan表示，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。

汽車IVN體系結構演變

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

 圖1“中央網關+域控制器”架構

在傳統方法中，每個域都基于一個專用的ECU（電子控制單元），有一個獨立的控制系統，是用于域內每個特定主要功能。如今，域之間有了更多的交互和依賴，但它們通常仍然有獨立的控制系統。此外，由于歷史問題，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”架構是未來汽車中最常用的架構之一。

如上圖所示，這種基于中央網關的新型架構需要一個基于以太網的主干網（所謂的“聚合主干網”），連接分布在整個汽車中的所有不同域。該中央網關是一種以太網多端口路由器/交換機，具有額外的車輛控制級別功能。同時，有一個特定于域的網關將每個域與以太網骨干網連接起來。當域內的協議也是以太網時，該域網關就變成了一個域交換機，因為它以某種方式作為常規以太網交換機運行。

未來幾年，汽車線束將從不同協議的異質網絡（CAN、LIN、MOST、FlexRay等）轉變為分層同質以太網網絡。這種變化將使汽車內部的通信更加高效和統一。

挑戰

一家Tier1公司開發一種新的域網關，用于將駕駛員輔助系統和信息娛樂域連接到車內的聚合骨干網絡。這兩個域使用一個單獨的域網關，因為它們都屬于一個汽車宏觀功能，即ADAS服務。

這些域中使用的協議是支持AVB音頻視頻橋接的以太網。在這種情況下，域網關扮演著一個具有特定和應用程序定制功能的多端口以太網交換機的角色，例如以太網AVB支持。以太網上的AVB是對IEEE802.1規范的一組擴展，它使本地以太網能夠使用傳輸時間并損失敏感的音頻/視頻數據。

 圖2 多端口以太網域網關

在該域網關的驗證過程中，一旦在實驗室測試臺上反應真實的車輛網絡，該公司就面臨如下問題：

● 需要在測試臺上記錄流量，以便為域網關的模擬模型提供盡可能真實的流量。

● 需要在特定條件下記錄特定的幀/數據包。例如，假設需要在IEEE802.1AS 平面上記錄特定時間標記之后的所有IEEE802.1Qat幀。

出于這些目的，不僅有必要記錄流量，而且有必要將時間戳與任何記錄的數據包一起保存，并能夠實時過濾和解析網絡部分中的流量。

解決方案

為了滿足汽車行業的類似需求，Relyum推出了RELY-REC，這是一種高度專業化的分析工具，可無縫捕獲以太網流量，并可記錄所有存儲信息的時間戳。

 圖3 RELY-REC流量記錄器外觀

RELY-REC作為獨立的設備以低功耗緊湊的結構嵌入了監視、過濾、時間戳和捕獲最復雜以太網網絡流量的所有邏輯。

對于本文檔中描述的特定用例，RELY-REC將以TAP模式安裝在“被測網絡”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4 RELY-REC TAP配置

結論

第一個結論是以太網融合在汽車網絡中已經成為現實。因此，在汽車網絡中對新設備的驗證和集成提出新的需求：

● 一致性測試。其目的是驗證協議的一致性和互操作性，包括汽車堆棧和組件的TCP/UDP/IP一致性測試。

● 協議驗證和性能測試。其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。

● 中央網關和域網關以太網交換功能測試；AVB能力，獲得每個服務類別（Qos）預期丟包、帶寬和延遲、鏈路故障后的切換和聚合時間、某些節點行為不當情況下的行為等。

將這些要求轉化為更準確的測試項：

● 查看網絡中傳輸的實時流量。
● 過濾動態流量
● 收集實時數據，根據車輛同步平面打時間戳（如IEEE 802.1AS）
● 基于多個可配置的用戶定義事件觸發數據捕獲操作
● 將數據保存到數據記錄器內部，然后傳輸到PC進行后期分析。

 圖 5 RELY-REC 觸發條件和動作配置示例

RELY-REC是一款由Relyum開發的獨立數據記錄設備，符合上述所有功能。

另外它是一種支持TSN的設備，為汽車IVN網絡的下一步測試服務。

RELY-REC設備

在關鍵系統中，能夠在幀級別分析網絡通信以進行測試和取證是至關重要的。此外，這種分析的有效性將受到基礎設施將幀與公共時間參考相關聯的能力的限制。為此，Relyum開發了RELY-REC，這是一種能夠檢查、標記和記錄常規以太網和TSN以太網流量的設備，使用與所分析網絡相同的IEEE802.1AS協議。

該設備主要優點是其適應性強，可適用于任何場景，這要歸功于其多媒體多速率以太網端口，該端口基于SFP模塊，支持汽車行業中使用各類接口。

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

支持多種輸入類型的條件（模擬/數字輸入信號、來自第三方系統的告警和信號、時間表、同步丟失、數據包檢查），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）。

為了簡化對存儲流量的訪問，RELY-REC支持用于存儲優化和高效監控的可配置過濾器。這些過濾器可以由最終用戶基于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。

關于RELYUM

Relyum旨在為關鍵系統的聯網、同步和網絡安全提供創新解決方案。其產品組合基于SoC-e技術，被專注市場研究的知名公司Markets&Markets認定RELYUM公司是汽車以太網市場的主要關鍵和創新供應商。

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