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车载网络标准之争：以太网10Base-T1S vs CAN XL

来源：公众号“燃云汽车”

2021-04-27

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车载网络发展带来新需求

在过去20年的汽车车载网络的竞争中，CAN从LIN、FlexRay、MOST、K-line、D2B等竞争者中脱颖而出，凭借实时、稳定、可靠、错误检测等特性，统治了车载网络大半江山。

随着电子电器技术的发展，ADAS、自动驾驶、车联网等分布式计算应用越来越多出现在汽车中。汽车越来越朝着“软件产品定义”的方向来发展，通过更快地提供创新和提供不同类型的创新来增强客户体验，从而在数字化时代逐渐摆脱传统V开发周期的限制，产生更有个性化的汽车产品。

以目前一款典型的宝马轿车为例，一款汽车安装了100个以上ECU，应用了7种以上通信技术，其中30%的ECU有多个网络接口，划分成为了80个子网，使用了超过1公里长的通信线缆来连接它们。这还不包含一些通过SENT、PWM等“私有连接”与ECU连接的传感器。各个网络之间通过网关来允许ECU之间进行更大规模的通信，从而形成了我们今天的以Domain（域）为中心的车载电子/电器架构。

为了满足数字化未来对车载网络不断增加的要求，加快为客户引入新特性和功能的速度，并将单个汽车实体更好地整合到智慧交通的网络中，我们需要一个更好的汽车内部通信技术。这个通信技术应该健壮且灵活(在数据速率和拓扑结构方面)，并且支持与服务、安全和各种服务质量(QoS)元素相关的基本通信原则，以更好地解决E/E架构的复杂性问题。

因此，车载以太网被提了出来。通过近年来OEM厂商和IC技术公司（博通Broadcom）的不断努力，车载以太网已成为未来车辆骨干网的不二候选。基于以太网的通信遵循严格的协议层分离。因此，它非常灵活和适应性强，为大量行业中的数据交换提供了基础。它本质上支持基于服务的通信，并且提供了最先进的安全性。2008年，BWM使用100BASE-TX以太网用于ECU flash和诊断。2013年，100BASE-T1(单根未屏蔽双绞线(UTP)电缆100Mbps)开始生产(SOP)。第一个1000BASE-T1的SOP(单UTP电缆1Gbps)预计随时会出台。从2015年开始，来自音频视频桥接(AVB)标准的QoS协议已经在汽车中使用。以太网可以进行较高的数据速率的通信，与现有的100Mbps和1Gbps标准相比，用于汽车的2.5、5和10Gbps以太网标准已接近完成(2.5、5、10GBASE-T1)。两个新项目正在研究更高的数据速率，达到25+Gbps。

但是，超过90%的汽车通信需要低于10Mbps的数据速率。用100Mbps网络来满足这些通信需求，无论在成本还是功率方面都是低效的。从目前的车载网络标准速率分布图来看，在2Mbps到100Mbps之间有一个明显的空缺，需要有技术能够来填补。

Figure 1. Gap between 2Mbps ~ 10Mbps

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以太网阵营的利器：10BASE-T1S

以太网方面，IEEE已经标准化了一个适用于汽车的10Mbps以太网版本(10BASE-T1S)，该版本已于2019年上市。

10Base => 10Mbps speed grade
T1 => physical layer is single twisted pair (unshielded)
S => short range (favorite solution for Automotive purposes)

10BASE-T1S支持至少8个节点和25米链路长度的线性总线拓扑。

Figure 2. 总线式以太网

作为IEEE-802.3的一员，10BASE-T1S总线编号为IEEE-802.3cg，它通过标准媒体无关接口(MII)连接到现有交换机，从而无缝地集成到车载以太网通信中。在使用10BASE-T1S的总线拓扑的情况下，需要对服务质量方面给予关注，因此信道接入方法使用了一种称之为“PLCA”的轮询机制，它不像在FlexRay中使用的固定调度的情况那样浪费未使用的传输时隙，跟CAN系列规范相比使用的仲裁有更高的带宽利用率。PLCA是对CSMA/CD的扩展，具体协议内容可以参考对应的标准，但请一定记住10BASE-T1S是一种“总线”形式的以太网。

在ECU上，实现的方式目前一般有以下3种：

Figure 3. Microcontroller uses 10BASE-T1S

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CAN阵营不甘示弱，推出CAN XL

面对以太网阵营的咄咄逼人，以元祖CAN的创造者BOSCH为代表CiA阵营提出了一个新的标准：CAN XL。

CAN XL的设计指标主要是3点：

1、通信速率提高到10Mbps；

2、把单帧报文的数据有效载荷提升到2048 Byte，以使得高层协议（如IP）可以跑在网络上；

3、向下兼容CAN/CAN FD。

CiA的原话是："designed to fill the gap between 100-Mbit/s automotive Ethernet"。这明显是针对的2Mbps和100Mbps之间这个巨大商机，必将与10BASE-T1S发生激烈的正面碰撞。

Figure 4. The aim of CAN XL

CAN XL与CAN/CAN FD的异同在其他网站上已有介绍，在此不再赘叙：http://www.21ic.com/app/control/202001/927067.htm

由于CAN XL尚未完全确定所有技术细节，下面主要介绍一下CAN XL发展情况：

CiA CAN XL规范于2018年12月开始，目标是在2019年底之前为OSI第2层(称为CAN XL协议)提供一个技术稳定的CAN XL规范。
2019年2月初，CiA的CAN XL特别兴趣小组(SIG)在举行了第二次会议。由博世领导的SIG的目标是将CAN协议扩展到诸如雷达传感器、eCall设备和麦克风的连接等应用。汽车制造商、供应商和半导体制造商对此兴趣浓厚。来自20家公司的40多名与会者参加了会议。
在2019年6月，CiA宣布它打算推出另一种广受欢迎的CAN总线技术，名为CAN XL。
CAN XL将在2020年3月中旬在德国巴登-巴登举行的国际CAN大会(iCC)上正式推出。
今年晚些时候，当CAN XL规范发布并且相关插件已经验证了第一个实现的互操作性时，CiA将把它们提交给ISO进行国际标准化。

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10Base-T1S vs CAN XL

以太网技术跟CAN技术本身是完全不同的技术，一个是用来在一定时间内传输大量数据，另一个用在复杂恶劣情况下可靠传输数据，很难在一起做一个直接的比较。

Konrad Etschberger博士曾经在一篇文章中比较了CAN和以太网的优缺点。但他明显是站在CAN阵营，设计的实验也是不够完备和准确的（尤其是讨论FPS的）。本人才疏学浅，只能就个人对10Base-T1S和CAN XL这两种技术的理解来进行比较，主要是从发布的标准进行定性的一些比较（也可以看作是“纸上谈兵”）：

传输速度：从数据净荷来看，两种技术相当，都可以达到10Mbps。但是为了兼容老的CAN规范，CAN XL的帧头速率较低，这其实降低了整个的传输速率。

规范成熟度：10Base-T1S已经发布了标准文档。CAN XL规范还没有最终确定，仍有一些悬而未决的问题待决定。

成本：这是OEM厂家最关心的话题。CAN控制器目前是集成到处理器芯片中的，这减少了一部分软件成本也保证了一致性。除开交换机的成本因素，就单个处理器芯片来说，可能会有一些处理器集成10Base-T1S控制器，但由于以太网软件协议栈的缘故可能会增加一些软件成本，带来协议一致性的问题；同时受限于25m的最长通信线路和最大8个节点，会导致一些特殊域（如新能源电池Domain）使用起来会多分网段，增加成本。

安全性：CAN XL继承了CAN的良好特性，可以保证收发数据无丢失，这个特性都是固化在CAN控制器中的。10Base-T1S跟其他以太网协议一样，需要通过较高层的协议（如TCP）才能检测出数据丢失，而且依赖于软件实现。

错误检测：CAN XL跟CAN一样，可以检测故障并从故障中恢复出来，当帧头速率1Mbps时可以在23uS内恢复；但TCP/IP却要花几十ms才能从故障中恢复过来。

仲裁访问：CAN提供无冲突和可预测的仲裁来管理竞争节点之间的网络访问。以太网总线仲裁过程(CSMA/CD -载波侦听多路接入/冲突检测)中，仲裁时间是不可预知的，在最坏的情况下，当消息冲突连续发生时，节点将转储消息帧，并且不会尝试重新传输。

兼容性：这个不是太好比较。CAN XL可以实现对大多数CAN/CAN FD应用的兼容，但是不支持远程帧和29bit的ID场。10BASE-T1S在以交换机为核心的车载网络中是如鱼得水的。

软件可移植性：CAN XL在一般乘用车ECU上移植软件问题不大，但商用车可能就要仔细考虑了，毕竟不支持29位ID。10BASE-T1S继承以太网的良好特性，很多成熟的基于TCP/IP的工业界软件都容易移植到新的车载以太网协议上去。

协议扩展性：CAN XL协议为使用的下一个更高的协议提供了一个8位指示器（Embedded Layer-setting Parameters，ELP，嵌入式的层设置参数），不适合用经典的OSI参考模型去判断它的层级；ELP有助于实现其他更高层的协议。10BASE-T1S当然是很好扩展的，毕竟以太网的良好底子在。

节能：CAN XL可以支持低功耗后唤醒，而以太网目前是缺乏这个功能的。

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小结

10BASE-T1S和CAN XL各有千秋。但在目前10BASE-T1S在完成度上要暂时领先一步，而且拥有跟骨干网络同样的协议更是其一大优势。CAN XL吸纳了CAN的优点，并做到了高速通信，加上CAN在业界深厚的积淀，最终二者和平共处于同一个平台也未可知。总之，成本会成为这一技术革新中最重要的决定因素。

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