联网车辆内的安全数据传输 – 现代移动出行的支柱

现代车辆已经发展成为联网的高科技系统。特别是自动驾驶，会产生大量必须实时传输的数据。这些数据流的安全传输至关重要，关键情况下，数据通信中的故障或错误可能造成严重后果。因此汽车制造商及其供应商纷纷大力投资可靠的数据传输技术。但究竟有哪些技术，它们何以可靠？

数据洪流和日益提高的要求

 多年来，车内数据量不断增长。高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems，ADAS）的传感器（从摄像头到雷达再到激光雷达）产生的数据流达千兆级。如今，高度自动化驾驶的测试车辆的数据速率已经可达约5 Gbit/s（约625 MB/s）。某些高分辨率摄像头可能需要高达3.5 Gbit/s的带宽。如此庞大的数据洪流必须即刻在车辆内完成分发，以保证中央电子控制单元（“车载电脑”）能够在几分之一秒内做出正确的决策。同时，新功能对数据路径的可靠性提出了更高的要求：制动命令或碰撞警告等时间敏感信息不能丢失或延迟。因此对车载网络的主要要求是：高带宽、可靠性/安全性和低延迟。为了满足这些要求，现代车辆越来越倾向于采用统一的，基于以太网的车载网络。相较于异构网络（CAN、LIN、FlexRay、MOST等），以太网扩展性能好，借助新的协议扩展，还可保证最低延迟和最佳可靠性。现代汽车用于交换数据的控制单元有时超过150个。如果没有强大的网络，将难以管理这种与日俱增的复杂性。

数据线和插拔连接器

车辆内的数据线是现代车载网络架构的支柱。主要使用常设计为单对以太网（SPE）的双绞铜线。双绞线可以显著减少干扰和串扰。可选择非屏蔽或屏蔽版，以实施合适的EMC（电磁兼容性）方案。在干扰辐射高的环境中（例如电动机附近），通常使用屏蔽双绞线，否则使用非屏蔽线缆，以减轻重量并降低成本。机械负荷能力也很重要：车辆线缆必须可承受常年的振动、温度波动和湿度，且传输质量不得降低。插拔连接器也很关键。它决定了振动下是否仍可保持稳定的数据连接。跟建筑行业通常使用RJ45插拔连接器不同，汽车行业往往使用特殊的、坚固的插拔系统。它们配备螺旋接头或锁定装置，以可靠避免振动时意外松动。这种高性能插拔连接器符合所有常见的汽车标准，可以搭配各种线缆类型（STP、UTP等）使用。对于安全敏感型应用（例如智能驾驶功能），还有额外的安全机制，例如连接器定位装置（Connector Position Assurance，简称CPA），它可以防止插头意外松动，并且仅在完全插入时才会卡合。供应商的此类硬件创新旨在确保数据路径在恶劣的环境下也能保持稳定。现今，光学数据传输技术已被纳入未来话题，它不仅非常适合极高的带宽，也具有极强的电磁兼容性。 

协议、标准和机构 

以太网已经适应车辆的特定要求，成为车辆网络的通信“语言”。与办公室用以太网（四对铜线）等传统以太网相比，车辆中使用单对以太网（SPE），即所谓的车载以太网，仅使用一对双绞线，可节省空间，降低重量，特别适合车辆的狭窄空间和严苛条件。

其中，标准发挥着核心作用：确保不同制造商的部件之间顺畅交互，定义具有约束力的性能和测试标准，从而为这些新技术的批量化应用铺平道路。如果没有IEEE标准或OPEN Alliance的测试规范等国际公认标准，则很难实现统一、安全和可互操作的车载以太网通信，尤其是考虑到现代车辆的紧凑节拍时间和高质量要求。因此，这些标准对于OEM和供应商而言至关重要，可以最大限度地降低开发风险、通过认证并长期吸引技术投资。

此外，这些标准确保紧急制动辅助、车道保持功能或自动驾驶决策等关键系统能够通过标准化、强大的通信渠道进行可靠控制，这是安全敏感型车辆架构中确保功能安全和无差错运行的基本构成要素。

重要的标准有：

➔100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) – 单对双绞线实现100 Mbit/s的传输速率。已批量化使用多年，例如用于摄像头和传感器数据。

➔1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp) – 单对双绞线实现1 Gbit/s的传输速率。车载千兆主干以太网，可实现多个电子控制单元（ECU）之间的高速通信。目前的应用有：比如中央信息娱乐网络和ADAS传感器融合。

➔2.5/5/10GBASE-T1 (IEEE 802.3ch) –单对双绞线实现2.5/5/10 Gbit/s的传输速率。车载多千兆主干以太网，可实现多个电子控制单元（ECU）之间的高速通信。

➔10BASE-T1S (IEEE 802.3cg) – 具有多点总线功能的单对双绞线实现10 Mbit/s的传输速率。该标准允许多个传感器/执行器连接到一根共用线缆，从而减少接线，降低重量。10BASE-T1S特别适合区域架构中的简单传感器/执行器，这样就可以避免每个小节点都需要通过单独的线缆连接到中央交换机。

另一个重要标准是ISO 26262（功能安全）：该国际标准规范了道路车辆电气和电子系统的功能安全，规定了如何系统地识别、评估和降低风险。功能安全相关的网络组件必须根据所谓的ASIL等级（汽车安全完整性等级）进行分类 – 从ASIL A（低风险）到ASIL D（最高风险）。例如，专注于汽车应用的全球领先半导体制造商NXP提供一种符合ASIL-B标准的1000BASE-T1收发器（一种通过单对双绞铜线进行千兆通信的以太网发射器），专为功能安全相关车辆架构而设计，支持集成容错和状态监控等高级诊断和安全功能。此类部件与安全息息相关，即使发生故障时也可保证可靠传输转向、制动或防撞等与生命安全相关的数据。系统之间的顺畅通信是发现故障和中断错误路径的基本前提。

冗余和功能安全

仅仅具备高数据传输速率还不够，网络还必须具有故障安全性。根据ISO 26262标准，任何单一故障都不允许造成安全功能失灵。因此E/E架构采用冗余架构设计理念。物理冗余是一种方案：关键传感器或执行器（例如线控转向）通过两条独立的数据线连接到电子控制单元。如其中一个连接中断，则采用另一个连接。另一种方案是协议端的冗余，例如通过帧复制：通过网络中的两条不同路径同时发送每个安全关键数据包（时间敏感网络扩展IEEE 802.1CB协议中提出）。接收端使用第一个无错误的数据包并剔除重复的数据包。时间敏感型网络（TSN）是IEEE 802.1标准的扩展，用于确定性、时效性数据传输，通过时间同步、定时数据传输和流量控制实现确定性的最小时间延时通信。这样，制动或转向功能也可以通过以太网处理，不会因为数据包延迟或丢失而出现危险。

区域架构 – 未来的不二之选

区域E/E架构是另一个趋势。不再采用大量分布式域控制单元（用于发动机、底盘、车身等），而是依赖集中在车辆区域（前、后、左、右）的几个中央高性能计算机和所谓的域控制单元。这些域控制单元将其区域的传感器和执行器捆绑在一起，通过高性能数据线与中央电脑通信。而车载以太网是将这些区域连接到中央电脑（通常为千兆主干网）的关键技术。各区域内，一个简单的10BASE-T1S总线将本地传感器和执行器联接在一起。这种组合不仅显著缩短了数据线的长度，还降低了复杂性和重量，因为每个传感器不再通过单独的线连接到控制中心。此外，区域架构还对功能安全性做出了重要贡献：局部错误（例如传感器故障或连接故障）局限在相应区域内，不会影响整个车辆网络。区域内职责的明确划分有利于更好地诊断及隔离故障，从而能够更快地作出响应。此外，有针对性地对安全相关功能进行分区有利于更具体地实现冗余。这种模块化确保车辆在发生故障时能够以受控的方式过渡到安全状态 – 这是ISO 26262和自动驾驶的核心要求。