Vector Technologie Tage 2017 · 2 u Einführung 3 Physikalische Schichten 5 IEEE Ethernet MAC +...

V1.0 | 2017-10-23

Einführung in Automotive Ethernet

Vector Technologie Tage 2017

2

u Einführung 3

Physikalische Schichten 5

IEEE Ethernet MAC + VLAN 12

Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15

TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36

Zusammenfassung und Ausblick 41

Agenda

3

Anwendungsbereiche

Einführung

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

(IEEE 100Base-T1, IEEE 1000Base-T1, IEEE 100Base-TX, IEEE 1000Base-T)

IEEE Ethernet MAC + VLAN

IPv4/IPv6

TCP/UDP

DoIP SOME/IP Signal/PDU

Diagnostics and

Flash Update

Service-oriented

Communication

Signal-oriented

Communication

Audio/Video

Time Sync

TSN

4

Einführung 3

u Physikalische Schichten 5



TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

5

Ethernet Topologie im Kfz

Physikalische Schichten

6

Komponenten im Steuergerät (ECU)


Ethernet

PHY

µC

MIIDigital I/O

MII

MDI

Medium

Data stream Control signals

µC: HOST

u Beinhaltet Anwendungs- und Basissoftware des Steuergerätes

u Verfügt über IEEE Ethernet MAC sowie höhere OSI Schichten

MII: Medium Independent Interface

u Schnittstelle vom µC zum Ethernet PHY

MDI: Medium Dependent Interface

u Verbindung vom Ethernet PHY zum physikalischen Medium

7

IEEE 100Base-T1 (ehemals OABR)


Kodierung/Dekodierung:

u 4B/3B, 3B2T, PAM3

Taktrückgewinnung/Synchronisation:

u Master-Slave Verfahren

u Konfiguration im PHY

MASTER

IEEE 100Base-T1

PHY

MDI

SLAVE

IEEE 100Base-T1

PHY

MDI

100 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

UTP: Unshielded Twisted Pair

8

IEEE 1000Base-T1


MASTER

IEEE 1000Base-T1

PHY

MDI

SLAVE

IEEE 1000Base-T1

PHY

MDI

1000 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

UTP: Unshielded Twisted Pair


u 80B/81B, 3B2T, PAM3

u FEC (Vorwärtsfehlerkorrektur)



u Konfiguration im PHY

9

IEEE 100Base-TX


100Base-TX

PHY

100Base-TX

PHY

MDI

100 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

MDI

Tx Rx Tx Rx


u NRZI, 4B5B, MLT-3


u Jeweiliger Pfad wird von Sender aktiv gehalten

u Kontinuierliche Synchronisation

10

IEEE 1000Base-T


MASTER

1000Base-T

PHY

SLAVE

1000Base-T

PHY

MDI

1000 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

MDI


u 4D-PAM5, 8B1Q4



u Rollen können konfiguriert oder ausgehandelt werden

11

Einführung 3


u IEEE Ethernet MAC + VLAN 12


TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

12

Eigenschaften


1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC

+ VLAN

Ethernet Medium

Access Control + VLAN

u Vom Übertragungsmedium unabhängige Schicht

u Definiert Grundfunktionen für Ethernet-basierte Kommunikation:

> Zugriffsverfahren: CSMA/CD

> Frame-Format: Ethernet Frame

> Adressierung: Teilnehmeradressierung, VLAN

u Detaillierte Unterteilung von Schicht 2:

> LLC: Logical Link ControlRegelt mehrere Verbindungen höherer Schichten

> MAC: Medium Access ControlStellt die o.g. Grundfunktionen zur Verfügung

13

Switch

MAC

PHYPHYPHYPHY

MAC-Adresse

AA:BB:CC:DD:EE:01

VLAN 1, VLAN 2

MAC-Adresse

AA:BB:CC:DD:EE:02

VLAN 2, VLAN 3

MAC-Adresse

AA:BB:CC:DD:EE:03

VLAN 1, VLAN 3

MAC-Adresse

AA:BB:CC:DD:EE:04

VLAN 1, VLAN 2, VLAN 3

MAC-Adressen (Teilnehmer) und VLAN (Domäne)


14

Einführung 3



u Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15

TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

15

Einführung

Internet Protocol (IPv4/IPv6)

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC

+ VLAN

IPv4/IPv6

Internet Protocol

v4/v6

u Verwendet Ethernet Frames:

> IPv4: Type 0x0800

> IPv6: Type 0x86DD

u Kommt in zwei Versionen zum Einsatz

> IPv4: Vier-Byte-Adressen (32 Bit)

> IPv6: Sechzehn-Byte-Adressen (128 Bit)

u Sinn und Zweck

> Ermöglicht netzübergreifende Adressierung

> Wird für TCP und UDP benötigt

16

IP-Adressen (Beispiel IPv4)

Internet Protocol (IPv4/IPv6)

17

Einführung 3




u TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

18

Einführung

TCP und UDP

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC

+ VLAN

IPv4/IPv6

TCP/UDP

TCP: Transmission Control Protocol

u Ermöglicht verbindungsorientierte Kommunikation

UDP: User Datagramm Protocol

u Ermöglicht verbindungslose Kommunikation

TCP und UDP

u Adressierung erfolgt mit Ports

> Source Port: Quell-Port des Senders

> Destination Port: Ziel-Port des Empfängers

u Benötigen IP-Pakete:

> TCP: Protokollfeld = 6

> UDP: Protokollfeld = 17

19

TCP/UDP-Ports

TCP und UDP

20

Einführung 3




TCP und UDP 18

u DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

21

DoIP: Diagnostics over IP

DoIP

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

VLAN

IPv4/IPv6

TCP/UDP

DoIP

Diagnostics and

Flash Update

u Anwendungsbereiche:

> Diagnose über Ethernet und IP

> Flash-Programmierung

u Benötigt TCP- und UDP-Pakete:

> UDP: Fahrzeugermittlung, Statusinformationen

> TCP: Diagnosebotschaften, Alive check, etc.

u Beschreibungsdatei: CDD, ODX, etc.

> Beschreibt die verfügbaren Diagnose-Services

22

Diagnose Tester

DoIP

GW Door

Roof Seat

CAN

Tester

Tester

EthernetActivationLine

Diagnosebeschreibung: CDD, ODX, etc.

u Für jedes Steuergerät wird eine eigene Beschreibung benötigt

Logische Adressen:

u Für jedes Steuergerät und den Tester wird eine logische Adresse festgelegt

UDP/IP bzw. TCP/IP:

u Schicht 3: IP-Adressen (z.B. 192.168.1.10)

u Schicht 4: UDP/TCP Ports (z.B. 13400)

23

Diagnose Gateway

DoIP

GW Door

Roof Seat

CANEthernet

Activation Line

Activation Line: z.B. über WWH-OBD

u Aktiviert die Diagnoseschnittstelle im Gateway (physikalisch)

UDP/IP bzw. TCP/IP:

u Schicht 3: IP-Adressen (z.B. 192.168.1.20)

u Schicht 4: UDP/TCP Ports (z.B. 13400)

Logische Adressen:

u Für jedes Steuergerät und den Tester wird eine logische Adresse festgelegt

24

Beispiel: Diagnose Request/Response

DoIP

GW Door

Roof Seat

CAN

Tester

Tester

Diagnose

Request

1. Diagnose Request

Tester sendet Request

GW bestätigt mit ACK

- Diagnose Service:

z.B. ReadDataByIdentifer

- Logische Adresse ECU:

z.B. Door = 0x205

GW Door

2. ECU Mapping

GW sendet Request an ECU

ECU antwortet mit Response

- Logische Adresse ECU:z.B. 0x205 = Door

- CAN Botschaften:

z.B. 0x600 = Request

z.B. 0x601 = Response

Diagnose

Response

3. Diagnose Response

GW sendet Response

- Diagnose Service:

z.B. Positive Response

- Logische Adresse ECU:

z.B. Door = 0x205

25

0x0601

Diagnose Gateway für paralleles Re-programmieren

DoIP

Parallel re-programmierte Steuergeräte

0x0550

0x0501

0x0403

0x0402

0x0401

0x0551

0x0302

0x03010x0350

0x03030x0352

0x0351

FlexRay CAN CAN LIN

Diagnostics Gateway0x0200

Tester0x0E00

Ethernet

26

Einführung 3




TCP und UDP 18

DoIP 21

u Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

27

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

VLAN

IPv4/IPv6

TCP/UDP

Signal/PDU

Signal-oriented

Communication

Signal-orientierte Kommunikation (Signal/PDU)

Signal/PDU


> Klassische Signalübertragung mit Hilfe von PDUs

> Datenaustausch von klassischen Bussystemen über Ethernet Backbone

u Benötigt TCP-Segmente oder UDP-Pakete:

> UDP: Erlaubt Multi-/Broadcast, schneller als TCP

> TCP: Zuverlässiger als UDP, nur Unicast

u Beschreibungsdatei: ARXML 4.2.1

> Beschreibungen für Signale und PDUs

28

Datenaustausch über Ethernet Backbone

Signal/PDU

Central Gateway

ECU 10

ECU 9

ECU 8

ECU 7

ECU 6

ECU 11

ECU 4

ECU 3GW E

ECU 5

ECU 2

ECU 1

ECU 12

FlexRay CAN CAN LIN

GW A GW B GW C GW D

Ethernet

1 2 3 4

Datenaustausch über Ethernet Backbone

29

Layout von Signalen, PDUs und Frames

Signal/PDU

Signale PDU Frame

u Statisches Layout

> Entspricht Kommunikation mit klassischen Bussystemen (CAN, FlexRay, etc.)

u Dynamisches Layout

> Jede PDU erhält einen eindeutigen Header (Identifier und Länge)

> PDUs sind nicht mehr an eine feste Position im Frame gebunden

PDU

Header

Frame (z. B. UDP packet)

Header Header

30

Einführung 3




TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

u SOME/IP 31

TSN 36


Agenda

31

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

VLAN

IPv4/IPv6

TCP/UDP

SOME/IP

Service-oriented

Communication

SOME/IP: Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP

SOME/IP


> SOME/IP: Service-orientierte Datenübertragung für geregelte Kommunikation

> SOME/IP-SD: Erkennung von verfügbaren Services und deren Status

u Benötigt TCP-Segmente oder UDP-Pakete:

> UDP: Erlaubt Multi-/Broadcast, schneller als TCP

> TCP: Zuverlässiger als UDP, nur Unicast

u Beschreibungsdatei: FIBEX 4.1, ARXML 4.2.1

> Beschreibungen für Services (Methoden, Ereignisse, Felder) und deren Inhalt

32

Acknowledgement

Subscribe Event Group

Client Server

Notification

Typen von Services

SOME/IP

Response

Request

Client Server u Methoden:

> Prinzip: Remote Procedure Call (RPC)

> Request/Response: Methode mit Rückgabe

> Fire&Forget: Methode ohne Rückgabe

u Ereignisse/Felder:

> Prinzip: Publish/Subscribe

> Subscribe Event Group: Der Client abonniert einen Service beim Server

> Notification: Der Server sendet aktualisierte Informationen automatisch an den Client

33

Service-orientierte Kommunikation

SOME/IP

Offer service

Call method (Request)

Get return values (Response)

Subscribe Event Group

Notifications

SC

Offer service

Acknowledgement

u Datenübertragung:

> Kommunikationsbeziehung wird während der Laufzeit erzeugt

> Es werden nur Daten übertragen, die mindesten einen Empfänger haben

> Datenserialisierung erfolgt dynamisch während Laufzeit

u Service Discovery (SOME/IP-SD):

> Services sind nicht an einen festen Implementierungsort gebunden

> Services können vom Server angeboten (Offer) oder vom Client gesucht (Find) werden

> Ereignisse und Felder sind bei Bedarf abonnierbar (Subscribe Event Group)

34

Dynamische Datenserialisierung

SOME/IP

u Klassische Datenserialisierung:

> Signale werden statisch in ein PDU Layout abgebildet

> Signale haben feste Länge und Position in einer PDU

> Es kommt vor, dass eine PDU nicht für alle Signale nutzbare Daten hat

Signale PDU

u Dynamische Datenserialisierung:

> Signale und PDUs können variable Länge haben

> Dateninhalt und Länge werden während der Laufzeit ermittelt

> Es werden nur relevante und verfügbare Informationen übertragen

Anwendungsdaten SOME/IP PDU

struct

uint32 val1

float32 val2

int8 array[1..9]

uint8 val3

val1_1

val1_2

val2_1

val2_2

val2_3

val2_4

val1_3

val1_4

array_1

array_2

val3_1

array len

35

Einführung 3




TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

u TSN 36


Agenda

36

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

VLAN

TSN

Audio/Video

Time Sync

TSN: Time Sensitive Networking (ehemals AVB)

TSN


> Multimedia/Infotainment: Übertragung von Audio/Video-Datenströmen über Ethernet

> Synchronisation von Sensordatenströmen (Kamera, Radar, Lidar) für adaptives und autonomes Fahren

u Qualitiy of Service (QoS):

> Zeitsynchrone Datenübertragung

> Datenübertragung mit garantierten oder vorhersagbaren Latenzzeiten

> Bandbreitenreservierung für garantierten oder vorhersagbaren Datendurchsatz

37

TSN-Domain, Endpunkte, Talker, Listener, Bridge

TSN

ListenerEndpoint

TalkerEndpoint

Bridge/Switch

Ethernet LAN

TSN-Domain

38

Protokoll Stack im Talker, Bridge & Listener

TSN

PTP

AVAppl.

AVTP PTP SRP PTP SRP

AVAppl.

AVTPAVTP

Ethernet EthernetEthernet EthernetEthernet

SRP

Talker Bridge Listener

FQTSSFQTSS

39

Protokoll Stack und Spezifikationen

TSN

u Precision Time Protocol (PTP):

> Ermöglicht Zeitsynchronisation in Talker, Bridges und Listener

> IEEE 802.1AS

u Stream Reservation Protokoll (SRP):

> Ermöglicht Bandbreitenreservierung in Bridges für benötigten Datendurchsatz

> IEEE 802.1Qat

u Audio/Video Transport Protocol (AVTP):

> Transport Protokoll für die Übertragung von Audio/Video-Datenströmen

> IEEE 1722

u Forwarding and Queuing Enhancement for Time Sensitive Stream (FQTSS):

> Ermöglicht die Klassifizierung von Datenströmen (Prioritäts- oder Kreditbasiert)

> IEEE 802.1Qav1

2

6

5

4

3

7

Ethernet PHY

Ethernet MAC +VLAN

PTP SRP

Audio/VideoApplication

FQTSS

AVTP

40

Einführung 3




TCP und UDP 18

DoIP 21

Signal/PDU 27

SOME/IP 31

TSN 36

u Zusammenfassung und Ausblick 41

Agenda

41

Anwendungsbereiche

Zusammenfassung und Ausblick

1

2

3

4

5

6

7

Ethernet PHY

(IEEE 100Base-T1, IEEE 1000Base-T1, IEEE 100Base-TX, IEEE 1000Base-T)


IPv4/IPv6

TCP/UDP

DoIP SOME/IP Signal/PDU

Diagnostics and

Flash Update

Service-oriented

Communication

Signal-oriented

Communication

Audio/Video

Time Sync

TSN

42 © 2017. Vector Informatik GmbH. All rights reserved. Any distribution or copying is subject to prior written approval by Vector. V1.0 | 2017-10-23

Author:Bossert, JanVector Informatik GmbH

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