Ethernet lernt Fahren

Unter der Motorhaube moderner Premiumautos finden sich verschiedene Bussysteme (LIN, CAN, FlexRay, MOST), die 70 und mehr Steuergeräte miteinander verbinden. Diese Heterogenität steigert die Komplexität der gesamten E/E-Architektur und verursacht hohe Kosten. Die vollständige Überprüfung, Steuerung und Wartung solcher Netzwerke ist nur mit einer Vielzahl verschiedener hochspezialisierter Steuerungs- und Diagnosegeräte bei entsprechend hohen Kosten möglich. Um Daten zwischen den einzelnen Netzen auszutauschen, sind Gateways notwendig. Die Reduktion der Anzahl der Bussysteme kann dazu beitragen, sowohl Entwicklungskosten als auch Komplexität zu senken.

Die ersten Ethernet-Anwendungen in der Automobilindustrie im Bereich der Diagnose und zum Flashen der Steuergeräte befinden sich bereits heute in Serie. In einem nächsten Schritt kommt Ethernet für den Datenaustausch zwischen Kamerasystemen und Steuergeräten zum Einsatz: voraussichtlich 2013 oder 2014 in Serienproduktion. BMW wird Ethernet auf dem Gebiet der Fahrerassistenzsysteme einsetzen und dabei Videokameras an eine zentrale Steuereinheit anschließen. In der Regel setzen typische Ethernet-Anwendungen Breitbandfähigkeit für die Übertragung großer Datenmengen und die verteilte Verarbeitung von Bild- und Audiodaten ein. In weiterer Folge ist zu erwarten, dass auch Anwendungen in passiven Sicherheitssystemen, wie zum Beispiel bei einem Spurhalteassistenten, Bildinformation über Ethernet erhalten. In Zukunft ist der Einsatz von Ethernet auch in aktiven Sicherheitssystemen wie beispielsweise einem Notbremsassistent zu erwarten.

Ethernet für das Auto.TTTech

Die rasch steigende Anzahl der Steuergeräte pro Fahrzeug verursachte bereits einen Paradigmenwechsel in E/E-Architekturen, der dazu führt, dass immer mehr Funktionen auf einem Steuergerät integriert werden müssen. Die höhere Bandbreite von Ethernet ermöglicht eine flexiblere Verteilung von Funktionen mit höherer Leistungsfähigkeit und unterstützt so diese Integration. Insbesondere die räumliche Lage der Steuergeräte, in denen komplexe Berechnungen ausgeführt werden, wird weniger wichtig. Außerdem können kritische Funktionen auch mit nicht-kritischen Funktionen auf gemeinsamen leistungsfähigen Steuergeräten koexistieren. Dieser Ansatz ist nur möglich, wenn die Bandbreite zwischen Funktionen exakt und deterministisch, mit geringer und begrenzter statistischer Schwankung (Jitter) des Datenverkehrs, im Netzwerk verteilt wird. Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass sich die Applikationen auf der Kommunikationsebene nicht gegenseitig beeinflussen. Mit Hilfe eines solchen Netzwerks können so viele Funktionen im Automobil wie möglich auf einem leistungsstarken Prozessor kombiniert werden. Die Kosten für die gesamte Architektur lassen sich durch eine Reduktion der Verkabelung und die Verwendung standardisierter Komponenten optimieren. Ein solches Netzwerk wird oftmals als Backbone bezeichnet.

Langfristig betrachtet wird ein Ethernet-Backbone, das deterministische Echtzeitkommunikation unterstützt, dazu beitragen, Kosten und Komplexität der Plattformentwicklung zu reduzieren. Dies resultiert in einer reduzierten Verkabelungsmenge, einer geringeren Anzahl an Steuergeräten und einer erheblichen Senkung der Lebenszykluskosten. Neuen Ansätzen im Bereich der Architektur von Fahrzeugtopologien wird aufgrund der wachsenden Anzahl von Funktionen größere Bedeutung zukommen. Heute gibt es bereits Ansätze zur Anhebung des Levels der funktionalen Integration sowie die Integration von sicherheitsrelevanten Systemen. Darunter befinden sich Domain-Prozessor-Strukturen mit hoher Funktionsintegration und kostenoptimierte Architekturen mit dem Ziel der Verringerung der Verkabelung im Fahrzeug. Backbone-Netzwerke sind dafür besonders geeignet. Erhöhte Zuverlässigkeit in der Datenkommunikation kann für sicherheitsrelevante Anwendungen über redundante Netzwerk-Pfade realisiert werden. Gleichzeitig lässt sich über redundante Pfade im Netzwerk auch eine verbesserte Robustheit und Verfügbarkeit des Systems erreichen.

Bild 1: TTEthernet-Switches unterstützen die dynamische Freigabe von Übertragungsraten. Der Teil der Übertragungsrate, der nicht für zeitgesteuerte Kommunikation verwendet wird, kann asynchron verwendet werden. TTTech

Für Ethernet gibt es vorhandene Lösungen, ein hohes Maß an Know-how und erfahrene Entwickler. Dies ermöglicht kurze Produkteinführungszyklen durch die Wiederverwendung von bereits bestehenden Komponenten. Derzeit werden Diagnosefunktionen und Update-Programmierung in Fahrzeugen mittels Internet Protocol (IP) durchgeführt. Betrachtet man die Ausgereiftheit der Ethernet-Technologie, wird das Potenzial für den Einsatz in anderen Anwendungsbereichen, die eine höhere Bandbreite erfordern, sichtbar. In diesen Bereich fallen zum Beispiel Fahrerassistenzsysteme und Backbone-Netzwerklösungen. Obwohl Ethernet eine gute Grundlage für eine Backbone-Architektur darstellt, sind einige Erweiterungen erforderlich, um die konfliktfreie Integration von mehreren Funktionen zu gewährleisten. Antwortzeiten und verfügbare Bandbreiten müssen pro Funktion sichergestellt werden können. TTEthernet definiert solche Erweiterungen. „TT“ steht für „time-triggered“ (zeitgesteuert) und bedeutet, dass wichtige Nachrichten nach einem genauen Zeitplan und deterministisch mit fester Latenz und Jitter im Mikrosekundenbereich transportiert werden.

Die Echtzeit-Lösung TTEthernet

TTEthernet ist für die robuste und parallele Übertragung von Daten mit harten, weichen, und keinen Echtzeitanforderungen entwickelt worden. Es erfüllt viele verschiedene Kriterien in Bezug auf Sicherheit und Verfügbarkeit und bietet eine verteilte fehlertolerante Zeitbasis. Der Schlüssel zu dieser Technologie sind TTEthernet-Switches (Layer 2-Ethernet-Switches), die eine Weiterentwicklung gemäß dem Standard SAE AS6802 implementieren.

Bild 2: TTEthernet kann unter anderem als Backbone-Netz konfiguriert werden; sicherheitskritische Steuersignale, Multimediadaten oder Diagnoseinformationen lassen sich damit problemlos parallel übertragen. TTTech

Sie ergänzen IEEE 802.3 Ethernet um synchronisierte Kommunikation (das heißt: zeitgesteuerte Kommunikation) und Rate-Constrained-Mechanismen. Die zeitgesteuerte Kommunikation garantiert geringe Latenz und geringen Kommunikations-Jitter. Bei der Rate-Constrained-Kommunikation handelt es sich um Datenaustausch, bei dem eine bestimmte Bandbreite, jedoch keine feste Phasenlage der einzelnen Botschaften garantiert wird.

Die Kernfunktionalität der TTEthernet-Technologie wird im TTEthernet-Switch implementiert. Dazu kommen TTEthernet-Endpunkte, die entweder als hoch leistungsfähige Hardware-Implementierungen – beispielsweise als spezielle Netzwerkkarten – zur Verfügung stehen oder softwaremäßig implementierbar sind. Realisiert wird dies mit einem TTEthernet-Software-Stack in einem Standard-Ethernet-Controller.

Jeder TTEthernet-Switch und jedes Endsystem erhält eine Konfiguration im Hinblick auf die kritischen Übertragungen mittels zeitgesteuerten oder Rate-Constrained-Frames sowie die dazugehörigen Parameter. Der TTEthernet-Switch behandelt die zeitgesteuerten und Rate-Constrained-Frames entsprechend der Konfiguration mit höchster Priorität und verwirft jene Frames, die vorgeben, kritische Übertragungen zu sein, aber nicht der Konfiguration entsprechen und damit das korrekte Systemverhalten gefährden könnten.

TTEthernet verwendet das gleiche Frame-Format wie Standard-Ethernet und ermöglicht daher die Verwendung von bestehenden Layer-3-Lösungen und höheren Ethernet-Protokollen wie IP, UDP oder TCP ohne notwendige Modifikationen.

Bild 3: Deterministischer Ethernet-Lab-Hochgeschwindigkeits-Switch.TTTech

Netzwerk-Komponenten, die kritische Daten zeitgesteuert senden müssen, können durch Hardware oder Software als TTEthernet-Komponenten genutzt werden. Standard-Ethernet-Komponenten, die keine kritischen Informationen senden müssen, können dem TTEthernet-System hinzugefügt werden und mit dem restlichen System über normale Ethernet-Frames kommunizieren.

Diese Erweiterungen von IEEE 802.3-Ethernet ermöglichen nicht nur eine einfache Migration von bestehenden Standard-Ethernet-Anwendungen, sondern auch die Verwendung der derzeit verfügbaren, kostengünstigen Ethernet-Controller. Gleichzeitig ist das Protokoll unabhängig von der konkreten Implementierung der physikalischen Schicht. Eine Integration mit AVB (Audio/Video Bridging) ist ebenfalls möglich. TTEthernet unterstützt die gängigen Datenübertragungsraten 100 Mbit/s und 1 Gbit/s.

Aufgrund der verlust- und kollisionsfreien Übertragung der zeitgesteuerten Kommunikation lässt sich die Bandbreite von Ethernet optimal nutzen, und gleichzeitig wird niedrige Latenz und Jitter im μs-Bereich für kritische Datenströme ermöglicht. Dies ist wesentlich für die Gestaltung von Architekturen, bei denen sich das Netzwerk wie ein verteiltes Computersystem verhält, und in denen unterschiedliche Funktionen auf jedem Steuergerät, unabhängig von der Entfernung von Sensoren und gesteuerten Systemen, nebeneinander funktionieren. Dies lässt sich in einer Backbone-Architektur vorteilhaft einsetzen.

Darüber hinaus werden durch die Skalierbarkeit und die Konformität mit den jeweiligen internationalen Standards sowie durch die Möglichkeit, preisgünstige Komponenten und Embedded-Mikrocontroller mit Ethernet-Schnittstellen zu verwenden und in vorhandene Subsysteme zu integrieren, die Kosten minimiert.

TTEthernet (SAE AS6802) in Automobilplattformen

Während Backbone-Architekturen mehr und mehr in verschiedenen industriellen Bereichen üblich sind, ist ihre Adaption für die Automobilindustrie kurzfristig nicht zu erwarten. Es ist wahrscheinlich, dass der Übergang von unabhängigen Netzwerken zu Backbone-Netzen durch die Integration von immer mehr Anwendungen Schritt für Schritt erfolgen wird. Obwohl TTEthernet-Backbone-Architekturen bereits heute möglich sind, ist die Verwendung von TTEthernet nicht auf diese beschränkt. TTEthernet unterstützt zeitgesteuerte Kommunikation, Rate-Constrained-Kommunikation und reguläre Ethernet-Kommunikation. Systemdesigner können frei zwischen diesen Kommunikationsklassen wählen, sie mischen und gegebenenfalls ihren Bedürfnissen anpassen. Folglich kann in einer Konfiguration TTEthernet ausschließlich als Verbindung von einem Kamera-System, welches Rate-Constrained-Kommunikation verwendet, zum Einsatz kommen. In einem anderen Beispiel werden mit TTEthernet nur zeitkritische Daten übermittelt. In einem dritten Beispiel kann TTEthernet als Backbone-Netz konfiguriert werden, in dem Web-Applikationen, Voice over IP, Telemetriedaten, Multimedia-Streams, kritische Kontrolldaten und Diagnoseinformationen nebeneinander koexistieren.

TTEthernet Switches unterstützen drei Kommunikationsklassen, wie im Folgenden beschrieben.

Zeitgesteuerte Kommunikation nach SAE AS6802-Standard: Die Daten werden in zeitgesteuerter Weise über das gesamte Netzwerk transportiert. Sender, Empfänger und kritische Netzwerk-Switches wissen aufgrund eines vorkonfigurierten aber dynamisch nutzbaren Zeitplans, zu welcher Zeit die Daten zwischen den Steuergeräten transportiert werden sollen. Dies bedeutet, dass der Programmierer die Latenz für jeden Datenaustausch zwischen verteilten Funktionen minimieren und fixieren kann. Dynamische Freigabe von Bandbreiten ermöglicht eine effiziente Nutzung. Bandbreite, die nicht für zeitgesteuerte Kommunikation verwendet wird, kann für asynchronen Ethernet-Verkehr verwendet werden. In der Designphase lässt sich völlig frei definieren, wann synchrone und asynchrone Nachrichten gesendet werden. Nur die synchronen Nachrichten werden konfiguriert, die restliche Bandbreite wird automatisch ohne Konfigurationsaufwand vom Switch zur Laufzeit vergeben. Daher ist es im Gegensatz zu FlexRay nicht nötig, eine starre Aufteilung zwischen synchronen und asynchronen Nachrichten festzulegen.

Zeitgesteuerte Kommunikation kann in sicherheitsrelevanten Systemen, die auch im Fehlerfall weiter funktionieren müssen, verwendet werden. Eine zukunftssichere elektronische Netzwerklösung muss auch ein Konzept zur Hochverfügbarkeit beinhalten. Um hohe Verfügbarkeit auf der Netzwerkebene zu gewährleisten sind alternative Kommunikationspfade notwendig, denn schließlich muss ein Systemausfall bei Ausfall eines Kommunikationspfads vermieden werden. Die TTEthernet-Implementierung bietet so genannte Redundanz-Managementfunktionen an, um die Komplexität für die Verwaltung der alternativen Pfade zu reduzieren.

Rate-Constrained-Kommunikation garantiert, dass bestimmte Daten mit einer vorgegebenen Übertragungsrate im Netzwerk übertragen werden können. Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt keine zeitgesteuerte Kommunikation geplant ist, kann Rate-Constrained-Kommunikation stattfinden. Die Daten werden nicht zyklisch zu festgelegten Zeiten übertragen, sondern werden wenn erforderlich gesendet. Dieser Kommunikationstypus entspricht den bekannten QoS-Mechanismen (Quality of Service) für Sprach- und Multimediaübertragungen mittels Ethernet.

Rate-Constrained-Kommunikation kann für viele Anwendungen, die nicht jitter-empfindlich sind, wie zum Beispiel Audio- und Video-Streaming-Anwendungen, hervorragend zum Einsatz kommen. Gelegentliche Latenz wird hier toleriert. Für diese Art von Daten wird eine bestimmte Bandbreite reserviert, um die entsprechende QoS bereitzustellen.

Reguläre Ethernet-Kommunikation erfolgt konform zum Standard IEEE 802.3. Dafür wird die verbleibende Bandbreite genutzt, welche nicht von den zeitgesteuerten und Rate-Constrained Nachrichten belegt ist. Sobald jedoch zeitgesteuerte oder Rate-Constrained-Daten zur Übertragung angefordert werden, wird die reguläre Ethernet-Kommunikation verzögert. Ein Beispiel dafür sind Diagnosedaten, die keine strengen Anforderungen an Zeitgenauigkeit im Netzwerk haben.

Bei der Integration mehrerer Funktionen auf einem einzigen physikalischen Netzwerk ist sicherzustellen, dass fehlerhafte Funktionen, z.B. ein fehlerhaftes Steuergerät oder ein Software-Fehler, keinen Ausfall einer anderen Funktion verursachen oder das gesamte System zum Absturz bringen. Deshalb implementiert TTEthernet mehrere Traffic-Policing-Funktionen für zeitgesteuerte und Rate-Constrained-Kommunikation. Diese Traffic-Policing-Funktionen stellen sicher, dass die Übertragungsrate für jede der einzelnen Verbindungen die jeweils zugeordnete höchste Datenrate nicht überschritten wird. Im Auto lässt sich das Verhalten von kritischen Kommunikationsdaten in Bezug auf Zeit und Last typischerweise exakt vorhersagen, konfigurieren und steuern. TTEthernet unterstützt somit, dass Funktionen mit unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen Daten auf einem Netzwerk übertragen. Durch integriertes Redundanzmanagement wird auch eine hohe Verfügbarkeit erreicht.

Robuste Synchronisationsfähigkeit in Mikrosekunden-Präzision ist Kern der zeitgesteuerten Kommunikation und dient dazu, die verfügbare Bandbreite im Netz effizient und zuverlässig zu verwalten. Um hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, verlässt sich TTEthernet nicht auf die Verbreitung von Zeitstempeln einer zentralen Uhr, sondern implementiert robuste verteilte fehlertolerante Uhrensynchronisationsalgorithmen, die im SAE AS6802-Standard definiert sind.

Um Fehlertoleranz zu erreichen, werden mehrere Knoten im System als Zeitmaster konfiguriert. Der SAE AS6802-Standard beschreibt, wie die Zeitmaster zueinander und zu den TTEthernet-Switches synchronisiert werden. Wenn ein Zeitmaster unzuverlässig wird oder ausfällt, wird die gemeinsame Zeitbasis durch die anderen Zeitmaster unterbrechungsfrei und zuverlässig aufrechterhalten. Auch im Fehlerfall ist die TTEthernet-Zeitbasis aufgrund dieser mathematisch verifizierten Synchronisationsalgorithmen immer verfügbar.

Zusätzlich unterstützen TTEthernet-Switches die IEEE 1588 „transparent clock“, welche die Synchronisation von IEEE 1588-Komponenten erlaubt. Der wesentliche Vorteil dabei liegt im Uhrensynchronisationsmechanismus, der so konfiguriert werden kann, dass er in unterschiedlichen fehlertoleranten Systemen funktioniert und verschiedene Fehler von Komponenten unterbrechungsfrei toleriert.

Formal verifizierte Mechanismen garantieren, dass das Netzwerk auch bei Störungen funktioniert. Selbst beim Ausfall einer einzelnen Uhr kommt es zu keiner Störung. Dies ist wichtig für die sichere Einbindung von sicherheitsrelevanten Steuerungsfunktionen.

Zusammenfassung

Insbesondere dann, wenn der Bandbreitenbedarf sehr hoch ist, stellen Ethernet-Lösungen, die 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s unterstützen, eine passende Lösung dar. Es ist weltweit der Trend zu beobachten, spezialisierte Kommunikationslösungen durch Ethernet – mit den notwendigen Erweiterungen für Echtzeit, Sicherheit und Verfügbarkeit – zu ersetzen. Damit ergibt sich eine höhere Wirtschaftlichkeit durch Wiederverwendung und Skaleneffekte.

Die in diesem Beitrag dargestellten Erweiterungen von TTEthernet entsprechen genau den Anforderungen eines solchen Netzwerks in Anwendungen der Automobil- und Luftfahrtbranche sowie anderer Industriezweige. Auf diese Weise öffnet TTEthernet den Einsatz von Ethernet für neue Anwendungsbereiche. Ein einziges TTEthernet-Netzwerk stellt von klassischen Web-Services bis hin zu zeit- und sicherheitsrelevanten Steuerungen alle erforderlichen Dienste zur Verfügung. Aufgrund der vollen Kompatibilität mit Standard-Ethernet lassen sich andere Ethernet-Netzwerke problemlos mit TTEthernet integrieren. Die Netzwerke können nach und nach mit TTEthernet-fähigen Switches und Endsystemen aufgerüstet werden, um zeit- und sicherheitsrelevante Kommunikation dort zu ermöglichen, wo sie notwendig ist. Änderungen bestehender Ethernet-Anwendungen sind nicht erforderlich.

TTEthernet ist eine Systemintegrationstechnologie, die das Design von integrierten Sicherheits- und Steuerungsfunktionen ermöglicht. Es erlaubt Integratoren und OEMs, ihre Systeme als verteilte Embedded-Computer zu gestalten sowie das System-Design und die Systemintegration zu vereinfachen.

Um proprietäre Implementierungen zu vermeiden und Offenheit zu gewährleisten, wurde bereits sehr früh über das TTA-Group-Konsortium eine Arbeitsgruppe zur Standardisierung von TTEthernet ins Leben gerufen. Im Jahr 2011 wurde TTEthernet als SAE-Standard AS6802 veröffentlicht. Nun erfolgte ein weiterer Schritt zur allgemeinen Verfügbarkeit von TTEthernet. Aktuell wird im Bereich der IEEE-Standardisierung intensiv daran gearbeitet, die Zeitsteuerungsmechanismen sowie die zuverlässige Uhrensynchronisation in die IEEE-802.1-Standardfamilie aufzunehmen. Ziel dieser Aktivitäten ist es, den heutigen und zukünftigen TTEthernet-Anwendern die Sicherheit zu geben, auf einen breit akzeptierten Standard vertrauen zu können.

(av)