2020年10月6日
車載アプリケーション向けイーサネット高度機能
マーベル、オートモーティブ・ビジネス・ユニット、マーケティング担当バイス・プレジデント、アミール・バー・ニヴ氏著
イーサネット標準は、実際のネットワークのニーズを解決し、 セキュリティの脅威を解決するために、長年にわたって開発されてきた 機能とソリューションの長いリストで構成されている。 現在、イーサネット車載ネットワーク（IVN）の開発者は、 車両のネットワークに欲しい機能を選択することで、 機能性とコストのバランスを容易にとることができる。
イーサネット技術のルーツは1973年に始まった。その時、 ゼロックス研究センターの研究員（後に3COMを設立）のボブ メトカーフが、 短距離の銅線ケーブルでコンピュータを接続する方法を説明した「Alto Ethernet」 というタイトルのメモを書いた。 1980年代に企業や法人のPCベースのローカルエリアネットワーク（LAN）の爆発的な普及に伴い クライアント／サーバー型LANアーキテクチャの成長 が続き、イーサネットが接続技術の選択肢 の1つになり始めている。 しかし、イーサネットの進歩により、 これまでで最も成功したネットワーキング テクノロジとなったのは、 IEEE 802.3グループの下でイーサネットの標準化の取り組み が始まったときだった。
イーサネットの 10 Mb/s派生物は、1983年にIEEE標準委員会 によって初めて承認され、その後 1985 年にIEEE Std 802.3-1985 として発行された。 イーサネットの 標準化プロセスとその後のIEEE 802標準へのメンバーシップは、 イーサネットの成長に非常に有益であり、 さまざまな物理層が追加されたことでマルチベンダーのサポートと 相互運用性が可能になった。 元のイーサネット標準 が開始されて以来、IEEE 802 のシームレスなアーキテクチャの下で、 1 Mb/s から 400 Gb/s のデータ レートがさまざまなメディアと リーチ (ケーブル長) に追加されてきた。
最近、IEEE 802.3はそのアプリケーションベースに車載用リーチとレートを追加し、車載用の軽量で高速なシングルペア接続を可能にした。 IT分野ですでに成熟しているLAN技術を基盤に、車載ネットワークは10Mb/秒から10Gb/秒まで急速に拡大し、現在では10Gb/秒を超える速度に到達しようとしている。 これらのネットワークは、現在、独自のプロトコルを持つ混合ネットワークによって提供されているさまざまなアプリケーションを満たすことが期待されている。
1) スイッチング
ネットワークの本質は、アドレス指定と スイッチング、つまり同じネットワークを共有する 特定のノード間でデータを送信する機能である。 イーサネットネットワーク/スイッチングの最も重要な特性 の 1 つは、ネットワーク内の異なるルートを介して 2 つのノード間でトラフィックを送信できる機能である。
複数のルートを介したデバイスのアドレス指定 とスイッチングにより、IVN の機能と信頼性にとって重要な冗長性 Iが提供される。 イーサネットLANのスイッチングアーキテクチャ はIEEE 802.1規格に基づいている。 リンクセキュリティー、 全体的なネットワーク管理、およびメディアアクセス制御（MAC）層より上位の プロトコル層を定義する、
イーサネット スイッチングは、当然のことながら、 IVN にとってもう 1 つの非常に重要な利点を生み出す。それは、メッシュ、スター、リング、デイジーチェーン、ツリー、バスなどの 幅広いネットワーク トポロジをサポートできることである (図 2 を参照)。 これにより、システム開発者とドメイン開発者が 同じ基本コンポーネントを活用しながら、各ドメインに最適なトポロジーを提供する。
図2
イーサネットで送信されるデータパケットのペイロードサイズは変動し、 さまざまなアプリケーションの負荷に柔軟に対応できる。 さらに、イーサネットのブロードキャストとマルチキャストのネイティブ サポートにより、 これらの各トポロジで低遅延で高効率が実現する。
2) イーサネットPHY速度
最初に発表されたIEEE標準の車載イーサネットPHYは、 802.3bwで開発された100BASE-T1であった。 この規格は 2015年にシングルペアの非シールド車載用ケーブルに100Mbpsイーサネット が規定された。 現在、100BASE-T1 は多くの相手先ブランド供給メーカー (OEM) によって採用されており、ほとんどの高級車や中級車では100Mイーサネット ネットワーキングが使用されている。
100BASE-T1 仕様は長い間。単独で存在していたわけではなく、2016 年に次世代の 車載イーサネットである 1000BASE-T1 が公開された。 802.3b として知られる 1000BASE-T1 PHY 仕様は、100BASE-T1 と同時に開発され、ギガビット ネットワーキングを提供した。 1000BASE-T1 PHY 製品は 2017 年に市場に導入され、現在量産に入っている。
2019年と2020年に、車載イーサネットに低速 (10 Mb/s) とマルチギガビットの両方の速度が追加された。 IEEE 802.3chと呼ばれる、2.5 Gbps、5 Gbps、 および10 Gbpsの最新の車載イーサネット PHY標準の開発は、 2020 年初頭に完了した。
現在、車載イーサネットPHY 規格では。10Gbpsを超える速度については進行中である。 先行標準仕様 セットを開発する最初の取り組みは、NAV (Networking for Autonomous Vehicles) Alliance (www.nav-alliance.org) の Technical Working Group 1 (TWG1) の下で行われる。 さらに、 「10 Gb/s を超える車載イーサネット電気 PHY」と呼ばれる新しいタスクフォースは、 2020年7月に活動を開始し、25 Gbps、50 Gbps、100 Gbps の データ レートに対応した車載 PHY を開発することを目標としている。
3) イーサネットMAC速度
IEEE 802.3 は、10Mbps から 100Gbps までの範囲のレートで MACの標準を開発した (200Gbpsおよび400Gbpsも開発されたが、 現在、これらのレートには100Gbpsの複数のチャネルが必要)。 これらの標準は、以前はLANおよびデータセンターの アプリケーション向けに開発および実証されてきたが、現在では 車載ネットワーキングにも応用されている。
具体的には、イーサネットは10Mbps、100Mbps、1Gbps、 2.5Gbps、5Gbps、10Gbps、25Gbps、50Gbps、100Gbpsのレートをサポートしている。 これらのMACレートは、 高速バックボーンに対して10Gbpsを超える将来の車載ネットワーク速度 への扉を開く。
4) 非対称イーサネット
車載イーサネットは対称的なトラフィック レートに対応しており、 １対のの車載ケーブルで双方向に同じ速度でデータを 転送する。 この機能により、ネットワーク バックボーンに推奨される テクノロジーになる。 しかし、イーサネットは必要に応じて、非対称モード でも動作する。 2009年、イーサネット標準グループは、Energy Efficient Ethernet (EEE) として知られる、 非対称で時間とともに変化するトラフィック負荷を効率的に処理するための 一連のプロトコルを開発した。
EEE は、データ量が少ないアクティビティの期間中の電力消費を削減する方法を 提供する。 通常の動作モードでは、リンクがアイドル状態でデータが送信 されていない場合でも、イーサネット リンクは両方向に電力を消費する。 IEEE 802.3az 標準に 基づいて、EEE は低電力アイドル (LPI) モードを使用して、パケット/データが 送信されていないときのリンクのエネルギー消費を削減する。
この規格では、トラフィックがないときに低電力モードへの移行を通知する LPI指示を交換することにより、アイドル時間中の省電力を実現する シグナリング プロトコルを指定している。 LPIはリンクがいつアイドルになれるか、 あらかじめ設定された遅延の後、リンクを再開する必要があるときを示す。
非対称モードはカメラとセンサーのリンクに便利である。 これらのリンクについて、 データ (ビデオ) はカメラから SoC/GPU に高速 (数ギガビット/秒) で 送信される。 反対方向 (SoC からカメラへ) では、はるかに低い速度 (メガビット/秒) で送信する必要がある制御信号のみが存在する。 これらは、省電力のために EEEモードを利用できる。
100BASE-T1車載イーサネットPHYでは低電力モードが指定されておらず、 1000BASE-T1で追加された。 エネルギー 効率の高い非対称トラフィックのサポートが自動車ネットワーキングの 世界では重要であることが明らかになり、2.5G、5G、および 10Gb/s イーサネットは 低速起動を可能にすることで 802.3ch のエネルギー効率の概念を改善した。 このモードは、トラフィックを再確立するまでの遅延が長くても動作し、 非対称リンクで特に役立つ。
5) 仮想ローカルエリアネットワーク（VLAN）
VLAN は、ネットワーク パケットに識別子（802.1Q タグと呼ばれる）を適用し、 これらのタグをスイッチング ノードで処理することで機能し、物理的には単一のネットワーク上にありながら、 あたかも別個のネットワーク間で分割されているかのように動作する ネットワーク トラフィックの外観と機能を作成する。 このように、VLAN は、 同じ物理ネットワークに接続されているにもかかわらず、 異なるアプリケーションからのトラフィックを分離する。 VLAN を使用すると、同じスイッチに直接接続されていない場合でも、 ノードとデータ ソースをグループ化することもできる。 なぜなら、VLANは 簡単に設定できるため、システム設計とデータ ソースの展開が大幅に 簡素化される。 自動車では、VLAN はさまざまなアプリケーションやドメインからの トラフィックを分離するために使用され、さまざまなソースからのビデオを同じ物理リンク上にルーティングしたり、 より高い優先度を必要とするトラフィックを分離したりできる。
VLANトラフィックは、ルーティング、マルチキャスト、ブロードキャストが可能である。 さらに、VLANは 802.1P標準を使用したサービス品質とトラフィックの優先順位付けも サポートしているため、帯域幅の効率的な利用が可能になり、 高度なIVNで利用できる。
6) プレシジョンタイムプロトコル
自動車の視覚分析アルゴリズムでは、 複数のセンサーを同時にサンプリングするか、測定が行われた時間を知る必要がある。 これらの測定値はさまざまなセンサーやカメラによって取得され、さまざまな ルート（ケーブル、リピーター、ハブ、スイッチ）を通じて伝送されるため、 車内のすべてのノード間で非常に短い間隔で時刻の同期を行う 必要がある。
IEEE 802.1AS（ブリッジローカルエリア ネットワークにおける時間に敏感なアプリケーションのタイミングと同期）規格では、 タイミングの同期が可能である。 この規格は IEEE 1588 v2 を活用し、「PTP プロファイル」と呼ばれる 特別なプロファイルを使用して、システム内の最適なクロック ソース をすべてのノードのマスター クロックとして選択する。 さらに、これらのプロトコルを使用すると、クロックの冗長性 と高速フェイルオーバーが簡単にサポートされる。
7) オーディオビデオブリッジング（AVB/TSN）
オーディオビデオブリッジング（AVB）は、最高のサービス品質（QoS）を確保するために、 イーサネットベースのネットワーク上でオーディオとビデオ（AV）ストリームを 転送する方法である。 QoSは、容量が限られたネットワーク上で優先度の高いアプリケーション とトラフィックを確実に実行できることを保証する。 これは、当初AVBとして知られ、現在は Time Sensitive Networking (TSN) として知られる802.1標準スイート によって処理される。 先進運転支援システム (ADAS) は、AVB を利用して、帯域幅が 保証され、制御された低遅延でカメラやセンサーからタイムリーに データを取得する。 IEEE 802.1 AVBタスク グループは、802.1Qatストリーム予約、 AVブリッジ用の802.1Qavキューイングおよび転送など、 これらの要件を満たす標準の策定に取り組んでいる。
AVB IEEE 標準は、オーディオ ストリームとビデオ ストリームの シグナリング、トランスポート、同期を定義する。 基本的に、AVB は、利用可能なイーサネット帯域幅の一部を AVB トラフィック用に予約することによって機能する。 イーサネット ネットワークの主な属性 は次のとおりである。
- PTP と連動したストリーミングの正確なタイミング。 低ジッターメディアクロックのサポート と複数のストリームの正確な同期。
- エンドポイント デバイスが ストリームをサポートするために必要なリソースを予約するように さまざまなネットワーク要素に通知できるようにする予約プロトコル。
- キューイング＆転送 は、AV ストリームが予約で指定された遅延内にネットワークを通過する ことを保証する定義されたルール。
2012年11月、AVBは「Time-Sensitive Networking Task Group」 （TSN）に名前変更された。これは、標準の範囲、 機能、アプリケーションを拡張する仕様を追加したAVBの拡張機能である。
TSN標準スイートは、IEEE 1722など、802ファミリ以外のIEEE標準にも依存している。 IEEE 1722 - Layer 2 Audio/Video Transport Protocol (AVTP) for Time Sensitive Applications in Bridged Local Area Network - 各AVストリームのプレゼンテーションタイム（タイムスタンプ）を設定し、レイテンシ―を管理する。
AVnu Alliance (www.avnu.org ) は、 IEEE 802.1 AVB/TSN および関連する IEEE 1722 標準の採用による AV トランスポートの 進歩に特化した業界フォーラムである。 このアライアンスは、IVN のオーディオとビデオのための 完全なイーサネットベースのソリューションを定義するために、ほとんどの IOEMおよびTier-1企業によって使用されている。
8) MAC-PHYセキュリティ
メディアアクセス制御セキュリティ（MACSec）は、イーサネットネットワーク上の データ送信を保護する802.1AE IEEE業界標準 のセキュリティテクノロジーである。 MACSec は、ピアノード間で送信されるパケットの認証、 暗号化、整合性の検証に使用され、イーサネット リンク上でポイントツーポイントのセキュリティを提供する。
MACSecは、IVNでの侵入、中間者、なりすまし、 受動的盗聴、再生攻撃などのセキュリティ脅威を特定して 防止できる。
さらに、イーサネットMACSecルートノードを、低速CAN、LIN、 USBなどを含む車内のすべてのドメインのセキュリティ センターとして 使用できる。 これは、イーサネット スイッチからイーサネット サポート ゲートウェイ への 1 つ以上のトランキング ポートを使用して、これらのレガシー ネットワークをブリッジすることで実現できる。
9) パワー・オーバー・ケーブル
車載ネットワークにおける銅ケーブル イーサネットの大きな利点の 1 つは、データと同じワイヤを介して電力を供給できることであり、 これにより車両の重量が軽減される。 これは、車両の周囲に取り付けられたカメラやセンサー の場合に特に重要である。
2016年に承認されたIEEE 802.3bu規格は、 シングルペアのケーブル配線に標準化された電力を追加するための仕様 とパラメータを定義している。 この規格は、複数の電圧と、各電圧の電力供給クラスをサポートする 電力供給プロトコルを定義している。 これには、 デバイスのシグネチャを識別するための確実な障害保護機能と検出機能、 および正確かつ安全な電力供給を決定するためのデバイスとの直接通信 が含まれている。 車載用ケーブルの総電力供給範囲は、 0.5Wから50Wまでである。
マーベルの IVN向け車載イーサネット製品のロードマップには、市場で最も包括的な ソリューションのセットが含まれており、それにより顧客は 低・中・高級車から完全自律走行車まで、あらゆる車種に対応する車載ネットワークを構築できるようになる。 このロードマップには、 幅広いスイッチ、PHY、コントローラー、ブリッジ (イーサネット速度 10Mbps から 10Gbps 以上)、高度なセキュリティ 機能、IVN の AVB/TSN 機能の最新の業界要件のサポートが 含まれている。
マーベルの イーサネットPHYロードマップへの最新の追加製品は、IEEE 802.1AE MACSecをサポートする、 安全なネットワーク向けの最初の1000BASE-T1 Automotive PHY ファミリ製品である88Q2220および88Q2221である。 さらに、これらの超低消費電力ギガビットPHY 製品は、OPEN Allianceの1000BASE-T1スリープおよびウェイクアップモード の最新規格TC10をサポートしている
次の ブログでは、IVN向けのイーサネットQoS、関連規格、および 機能だけではなく、Marvell Automotive Switch製品のAvNU認定についても 話し合う。
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