10 BASE以太網(wǎng)與CAN-XL對比分析

來源：汽車電子與軟件

[本文選自《智能汽車：新一代技術與應用》.姜鴻雷.電子工業(yè)出版社——書中第三章部分內(nèi)容]

前言

隨著EEA-Zonal的架構(gòu)概念不斷發(fā)展，為了充分利用這種新架構(gòu)的優(yōu)勢，顯然需要將以太網(wǎng)連接擴展到終端傳感器和驅(qū)動器?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)連接技術（如FlexRay和CAN）通常要求在網(wǎng)關中實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，這可能導致成本、復雜性和延時增加。現(xiàn)有的汽車以太網(wǎng)技術（如100BASE-T1）需要使用點對點交換連接，無法滿足支持終端連接應用向以太網(wǎng)過渡的系統(tǒng)成本要求。

10BASE-T1S提供缺失的鏈接，通過優(yōu)化的以太網(wǎng)到邊緣連接支持這種過渡。在這個部署過程中，仍然需要克服一些問題，例如以太網(wǎng)連接會增加模塊實施方案的元件成本和復雜性。10BASE-T1S通過降低系統(tǒng)成本，以及提供多種支持不同類型的信號鏈分區(qū)的產(chǎn)品選擇來解決這些問題。

一、10BASE-T1S 介紹

IEEE開發(fā)了以太網(wǎng)標準的一種新變體，它在單對物理層上提供10Mbit/s的帶寬。這一規(guī)范被稱為IEEE Std 802.3cg-2019，并于2020年初發(fā)布。它主要包括兩個協(xié)議標準：10Base-T1L和10Base-T1S。

10Base-T1L是10Mbit/s的SPE（Single Pair Ethernet）的遠距離變體，允許電纜長度達到1000米。這種點對點的變體可應用于卡車、火車和其他車輛技術，也可用于工業(yè)4.0。通過該協(xié)議，可以打破在工廠執(zhí)行一線服務的基本操作設備（傳感器、閥門、執(zhí)行器和控制器）與實現(xiàn)新型智能工廠所需的智能企業(yè)數(shù)據(jù)、比特和字節(jié)庫之間的障礙。然而，對于汽車應用而言，這種變體并不適用。

10Base-T1S提供端到端的短距離全雙工傳輸，或者是半雙工的多對多傳輸，適用于汽車應用。10BASE-T1S與其他汽車以太網(wǎng)技術的不同之處在于，它支持多點拓撲結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點都通過同一對非屏蔽雙絞線連接。這種總線配置提供了一個優(yōu)化的BOM（Bill of Materials），只需在每個節(jié)點上部署一個以太網(wǎng)PHY，而無需采用與其他以太網(wǎng)技術相關的交換機或星型拓撲。該標準規(guī)定必須支持至少8個節(jié)點（可以支持更多節(jié)點），總線長度必須達到25米。

10Baes-T1S 總線式以太網(wǎng)

在使用10BASE-T1S總線拓撲時，需要特別關注服務質(zhì)量，因此采用了一種稱為物理層沖突規(guī)避（PLCA）的輪詢機制。PLCA的目的是避免共享網(wǎng)絡上的沖突，不像FlexRay中使用固定調(diào)度會浪費未使用的傳輸時隙，相比CAN系列規(guī)范，PLCA使用了更高的帶寬利用率。

PLCA是對CSMA/CD的擴展，其目標是改進以太網(wǎng)在多分叉（總線）拓撲結(jié)構(gòu)上現(xiàn)有碰撞檢測機制（CSMA/CD）在吞吐量、延遲和公平性方面的表現(xiàn)。這種仲裁純粹在物理層進行，MAC在以下描述的過程中不承擔任何作用。啟動PLCA后，只有具有傳輸機會的物理層設備被允許發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸機會以循環(huán)方式分配。每個物理層設備可以在其傳輸機會期間發(fā)送信息幀。當主節(jié)點發(fā)送信標時，新的周期開始。

PLCA 循環(huán)示例

在PLCA系統(tǒng)中，每個物理層設備（PHY）都被分配一個獨一無二的PHY ID，范圍從0到255。PHY ID為0的設備是PLCA協(xié)調(diào)器。每個PHY設備都知道系統(tǒng)中PHY設備的數(shù)量。PLCA采用輪詢方案，每個輪次由PLCA協(xié)調(diào)器發(fā)送一個信標（BEACON）來觸發(fā)。在PLCA方案中，每個參與者（包括協(xié)調(diào)器）按照PHY ID的順序，在信標之后都有一個發(fā)送機會。

如果一個節(jié)點沒有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中的下一個PHY設備將在超時時間后獲得機會。如果節(jié)點有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，允許在其傳輸機會內(nèi)開始傳輸幀。如果系統(tǒng)配置允許，節(jié)點還可以進行突發(fā)傳輸，即發(fā)送多個幀，每個消息的有效載荷長度可以不同。

這種調(diào)度方案避免了總線沖突和重傳，降低了帶寬的使用，并保證了系統(tǒng)內(nèi)傳輸機會的公平性。實踐中觀察到兩個節(jié)點之間的往返延遲小于半毫秒，在使用iperf3工具測量IP網(wǎng)絡上的最大可實現(xiàn)帶寬時，幾乎可以達到10Mbit/s的全速。在這種PLCA機制的基礎上，可以在MAC層啟用CBS或TAS等功能。

目前，數(shù)據(jù)線傳輸功率（PoDL）的傳輸尚未完全標準化，但已有一些工作組在研究和制定相關標準。IEEE正在擴展802.3cg規(guī)范，其中包括添加PoDL功能。10BASE-T1S的物理層是交流耦合的，因此可以為遠程設備提供電力。

10BASE-T1S主要具有以下五個特點：多點物理層、無沖突、高效的帶寬利用、確定性和低延遲、安全機制?；谶@些特點，10BASE-T1S非常適用于傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡中的各種應用場景。

二、10BASE-T1S 與CAN-XL 對比

降低系統(tǒng)復雜性和成本一直是合理的訴求。從長遠來看，由于以太網(wǎng)完全覆蓋了FlexRay和MOST的應用領域，因此FlexRay和MOST很可能被替換，只保留CAN和以太網(wǎng)。以太網(wǎng)適用于娛樂、ADAS、車聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)，工作速率在100～1000Mbit/s之間；而CAN/CAN-FD適用于發(fā)動機管理和車身控制等系統(tǒng)，工作速率在0.5～5Mbit/s之間?？紤]到車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中大約90%的控制器節(jié)點的通信速率低于10Mbit/s，因此10Mbit/s的通信速率可以滿足廣泛的應用需求，無論是音頻、雷達、超聲波傳感器還是底盤控制。因此，CAN-XL和以太網(wǎng)10BASE-T1S在這個領域存在競爭關系。

這兩種協(xié)議的開發(fā)都是為了滿足新的電子/電氣架構(gòu)要求，并在10Mbit/s的區(qū)域提供預期的性能。這兩種協(xié)議都提供相同的數(shù)據(jù)速率，允許應用傳輸更長的有效載荷，并在總線上實現(xiàn)接近10Mbit/s的傳輸速度。然而，它們的介質(zhì)訪問方案不同。接下來將對它們的數(shù)據(jù)報效率和總線循環(huán)效率進行對比。

**2.1 **數(shù)據(jù)報的效率

兩種協(xié)議在數(shù)據(jù)報中都有頭部和尾部的開銷，包括尋址、協(xié)議字段和CRC等。在CAN-XL中，仲裁階段和數(shù)據(jù)階段的填充位以及不同的總線速度會進一步影響效率。

通過將開銷量與有效負載位上的時間開銷相關聯(lián)，可以繪制出數(shù)據(jù)報在有效負載上的效率曲線。CAN-XL的仲裁階段較慢，報頭較大，開銷較高。以1Mbit/s而不是500kbit/s的速度運行仲裁階段可以顯著提高數(shù)據(jù)報的效率，特別對于較短的幀來說效果更為顯著。

數(shù)據(jù)報的效率比較

**2.2 **總線循環(huán)效率

如果我們觀察PLCA循環(huán)而不是單個數(shù)據(jù)報，情況將會有所改變。假設系統(tǒng)配置如圖所示，并假設只有PHY9有待處理的傳輸。

PLCA 循環(huán)示例

在這種情況下，假設總線保持未使用狀態(tài)的時間是靜默時間（24位）的9倍。另外，考慮到BEACON所需的額外時間，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕦l(fā)生變化，具體情況如圖所示。

總線循環(huán)效率示例

在CAN-XL中，等待任何傳輸機會不會降低總線效率，但我們?nèi)孕枰紤]空閑時間和EOF序列。在典型工作條件下，具有512字節(jié)有效載荷的情況下，CAN-XL和10Base-T1S兩種協(xié)議表現(xiàn)出相同的效率。然而，這兩種協(xié)議的效率取決于具體的用例、系統(tǒng)配置以及是否使用擴展功能。

此外，我們還需要考慮到更高級別協(xié)議的可用性以及其他增強功能，例如安全性或電力傳輸。10Base-T1S和CAN-XL是兩種不同的技術，在發(fā)布的標準中有一些區(qū)別，具體可以參考下表。

與10BASE-T1S相比，CAN-XL能夠耦合星型和線型拓撲，從而構(gòu)建更復雜的拓撲結(jié)構(gòu)。由于10BASE-T1S不允許支線超過10cm的長度，這導致現(xiàn)有的CAN解決方案的可靠拓撲結(jié)構(gòu)無法直接用10BASE-T1S網(wǎng)絡來替代。然而，從CAN/CAN-FD升級到CAN-XL卻非常靈活，這得益于在布線和線束方面投入了大量的專業(yè)知識和開發(fā)時間。正是這種平滑的升級過程，使得關注緊湊型和中型汽車的原始設備制造商（OEM）對采用CAN-XL產(chǎn)生了濃厚的興趣。CAN-XL在現(xiàn)有車輛架構(gòu)的基礎上提供了一個理想的開發(fā)平臺，無需重新設計線束、控制器和協(xié)議棧。與IP相比，CAN的協(xié)議棧更為簡單，這使得可以使用體積更小、成本更低的微控制器。CAN-XL的目標之一就是繼續(xù)保持這一傳統(tǒng)優(yōu)勢。

而10BASE-T1可以替代CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay或音頻等連接，在以太網(wǎng)架構(gòu)下，可以在任何地方使用相同的軟件堆棧和通信機制。只需根據(jù)各網(wǎng)絡段的特定速度等級更換PHY和線纜。例如，1000BASE-T1用于骨干網(wǎng)絡，100BASE-T1用于診斷和軟件下載，而10BASE-T1S用于車身和動力傳動系統(tǒng)的通信。整個以太網(wǎng)架構(gòu)無需任何網(wǎng)關，而CAN-XL則需要網(wǎng)關來實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，這可能會增加成本、復雜性和延遲。在Zonal架構(gòu)中，10BASE-T1S能夠完美匹配。

汽車Zonal 架構(gòu)

10BASE-T1S和CAN-XL各有其優(yōu)勢。這兩種協(xié)議都有可能在同一個車載網(wǎng)絡的不同應用中使用。CAN-XL和10BASE-T1S可以共同提供連接，在基于信號的通信和面向服務的通信之間進行橋接。通過適當擴展協(xié)議層，可以為應用程序提供更多的可能性。

審核編輯：湯梓紅