Сетевые технологии для транспорта
В статье рассматривается сетевая технология INICnet от компании Microchip Technology. Особенностью технологии является возможность подключения к автомобильной сети Ethernet, что позволяет использовать другие специализированные сети на основе проприетарных разработок и решений, не предусматривающих возможности подключения к Ethernet.
Путешествуя на автомобилях, мы хотим комфорта, удобства, хорошо провести время, а так же безопасности и надежности. Автомобильная отрасль постоянно развивается, в т. ч. значительно улучшая информационно-развлекательные функции автомобиля. Если когда-то автомобили оснащались простыми радиоприемниками, то теперь развлекательные функции стали более разнообразными. В автомобиле используется несколько разных сетей, которые объединяют аудио-, видео-, другие электронные устройства и представляют собой целые информационно-развлекательные комплексы. К последним разработкам за пределами информационно-развлекательной области относятся аудио-, акустические, голосовые приложения, системы шумоподавления (ANC), связи в автомобилях (ICC) и другие приложения, повышающие комфорт и безопасность путешествий.
На сегодняшний день один из важных вопросов отрасли – как использовать инновации, соответствовать всем требованиям качества, безопасности, обеспечив экономичность решений и быстрый выход продукции на рынок? Этот вопрос сводится к области базовых сетевых технологий, отвечающим всем требованиям по функциональности и эксплуатации. Кроме того, необходимо учитывать все текущие изменения в системной архитектуре транспортных средств, начиная с архитектур для домашнего применения и заканчивая архитектурами регионального уровня, объединенными основной системой с высокой пропускной способностью. Успешное решение этой проблемы заключается в выборе правильной сетевой технологии для соединения информационно-развлекательных и акустических систем, а также аудиоустройств с автомобилем.
Базовая архитектура автомобиля, как правило, основана на сети Ethernet. Поскольку и другие приложения подключаются к этой сети, необходимо создать т. н. монотехнологическую сеть, которая свяжет все бортовые сети (IVN) с автомобильной Ethernet- сетью. Такой подход применяется и для связи устаревших аудиоприложений и приложений ранних версий с новыми постоянно появляющимися акустическими приложениями, приложениями по распознанию голоса и речи. Решения с использованием этого подхода предлагают многие компании. Существует даже специальный стандарт аудио- и видеосвязи (AVB), в котором определяются специальные требования по передаче аудио- и видеоданных по сетям Ethernet, включая требования по гарантированной пропускной способности и уровню задержки.
Данный подход имеет и недостатки – аудио- и видеоданные необходимо предварительно обработать (пакетизировать) в источнике, а также повторно обрабатывать (извлечь) в приемнике, т. к. пакетно-ориентированные сети, к которым относится Ethernet, не способны передавать аудио- или видеоданные в их исходном формате. Последовательность и необходимость пред- и постобработки ведет к разработке сложного ПО для сетевых стеков, а также к увеличению стоимости микроконтроллеров, используемых для сетевых устройств. Некоторые применения, например системы активного подавления шумов или усиления звука мотора в салоне (ESE), сложны и дороги для реализации с помощью упомянутого подхода, т. к. механизмы AVB, необходимые для выполнения требования по уровню передачи данных, нуждаются в мощных процессорах и большом числе дополнительных программ.
Специалисты, обеспечивающие поддержку Ethernet, аргументируют свои предпочтения тем, что эта технология (включая Ethernet для транспортных средств) является открытым стандартом, который позволит сократить количество сетевых решений для автомобиля, а значит, упростить разработку и тестирование сетей. Этому также способствует рыночная конкуренция, большой опыт, развитые экосистемы. В то же время многие производители хотят избежать использования дополнительных аппаратных и программных средств, а также усилий по реализации потоковых Ethernet-приложений, и потому выбирают специализированные сети, охватывая тем самым широкий ряд всех современных аудио-, речевых, акустических и информационно-развлекательных приложений.
Специализированные сети часто основаны на проприетарных разработках, что считается недостатком устройств и автомобилей многих производителей.
Технология INICnet от Microchip Technology сочетает в себе преимущества специализированных сетей с возможностью беспрепятственного подключения к автомобильной сети Ethernet. Таким образом, у производителей появляется возможность использовать все преимущества других существующих решений в одной сети и INICnet в своих информационно-развлекательных, акустических и голосовых приложениях.
Технология INICnet соответствует стандарту ISO21806, который в настоящее время находится в разработке и появится к 2021 г. Поскольку стандарт определяет требования к уровню качества аудио- и видеоканалов с низким уровнем задержки (50–70 мкс), INICnet позволяет создавать приложения, чувствительные к задержке. Каналы полностью управляются через ИС с поддержкой INICnet или доступное ПО, так что инженерам не придется дополнительно разрабатывать устройства для обработки трафика сети.
В технологии INICnet используются неэкранированные скрученные пары (UTP) или коаксиальные кабели. Поскольку каждый узел имеет собственный MAC-адрес, он полностью сочетается с Ethernet и поддерживает все функции, относящиеся к Ethernet, режимы адресации и размеры пакетов. Таким образом, INICnet полностью совмещается с Ethernet.
Рисунок 1
Рисунок 2
Соединение между INICnet и магистральной сетью Ethernet автомобиля без использования шлюзов
Технологии INICnet в модели ISO/OSI
На рисунке 1 иллюстрируются все преимущества технологии, с помощью которой можно легко подключить субдоменное аудиоустройство к магистральной сети Ethernet. Поддерживаются все протоколы высокого уровня – TCP, UDP, DoIP, которые можно использовать для выполнения различных функций, например для загрузки программного обеспечения или запуска диагностики через Ethernet. Что касается всего стандартного ПО на основе Ethernet, предлагающегося на рынке, то оно совместимо с технологией INICnet, благодаря чему уменьшаются риски, а также время и затраты на внедрение приложений. Давайте подробнее рассмотрим преимущества технологии INICnet (см. рис. 1).
– С помощью INICnet можно легко внедрять аудио-, голосовые и акустические приложения, т. к. INICnet поддерживает аудио- или видеоданные в ис ходном формате, не требуя пред и постобработки мультимедийных данных, а инженерам не придется решать сложные задачи по преобразованию данных или сетевые задачи, которые отвлекают от разработки основного приложения.
– Быстрое обновление прошивки в каждом устройстве INICnet может также осуществляться по беспроводной связи, например для решения проблемы с безопасностью или в целях улучшения функциональности, поскольку эта технология поддерживает оригинальные пакеты Ethernet и обеспечивает подключение к магистральной сети автомобиля через одно из устройств, например головное устройство системы.
– Поскольку каждое INIC-устройство в сети INICnet имеет собственный MAC-адрес, нет необходимости для подключения INICnet к автомобильной системе использовать шлюзы в головном устройстве или в другой части сети.
Технология INICnet обеспечивает две скорости передачи данных: 50 и 150 Мбит/с; при этом эффективность использования полосы пропускания составляет 95%. Оба варианта поддерживают и кольцевую топологию, и топологию вида «цепочка». Скорость 50 Мбит/с обеспечивается с помощью UTP-кабелей, а 150 Мбит/с – через коаксиальный кабель. При этом легко отделить Ethernet-каналы по технологии INICnet от более высоких слоев, т. к. технология покрывает только два первых слоя модели ISO/OSI (см. рис. 2). Следовательно, ПО для других сетевых технологий может легко использоваться с INICnet после обновления драйверов. На текущий момент с технологией INICnet могут применяться драйверы для платформ Linux, Android и QNX, что позволяет прозрачно интегрировать Ethernet-каналы на INICnet в уже существующие системы на основе IP, благодаря чему инженеры, работающие с проектами на базе INICnet, могут полностью заняться только разработкой своих приложений.
Рисунок 3
Устройства INICnet от Microchip с масштабируемым интерфейсом, предназначенные для разных приложений
На рисунке 3 рассматриваютс я устройства из семейства полностью масштабируемых специализированных продуктов Microchip, предназначенных для приложений с критичным сохранением низкого значения задержки, например для ANC, устройств для генерации звука мотора или гашения внешнего шума, устройств для вызова оперативных служб и т. д. Устройства предназначены для использования компаниями уровня Tier 1, поскольку позволяют внедрить недорогие инновационные решения для клиентов. Допускается также конфигурация каждой INIC ИС в качестве ведущего или ведомого устройства. Устройства с технологией INICnet могут использоваться на любом участке сети и менять свой режим автоматически. Например, если сеть повреждена в случае аварии, у водителя автомобиля тем не менее имеется возможность вызвать ДПС и скорую помощь. Гибкость работы устройств INICnet позволяет использовать их также для управления складом без дополнительных специальных управляющих сетевых устройств.
Компания Microchip предоставляет унифицированные централизованные сетевые стеки UNICENS для инновационного управления сетевыми ресурсами и конфигурирования сетей INICnet.
UNICENS – бесплатное приложение с открытым исходным кодом, позволяющее конфигурировать всю сеть с помощью одного устройства. В результате появляется возможность реализовать устройства, которые не требуют использования микроконтроллеров, например микрофонные узлы. Сетевые узлы, которые работают только с Ethernet- трафиком, например умные антенны, не нуждаются в каком-либо сетевом ПО и потому могут использоваться с микроконтроллерами меньшего размера. Если умная антенна генерируют только оригинальные Ethernet-данные, то ее можно проектировать без микроконтроллера. Все остальные функции по управлению системой, например устройствами, могут поддерживаться уже имеющимися IP-стеками, например стеками SOME/IP или любыми другими системами дистанционного вызова процедуры (RPC).
Преимущества технологии INICnet настолько очевидны, что многие компании уровня Tier 1 во всем мире уже оценили ее и присоединились к команде экспертов компании Microchip по разработке и внедрению INICnet.