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V1.08 | 2017-09-21
Einführung in Automotive Ethernet
Ethernet@Automotive Webinarreihe
2
u Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
3
Moderator
Informationen
Dipl. Ing. (FH), M.Sc. Jan Bossert
Technical Trainer
u Schulungsgebiete
u CAN, FlexRay, Ethernet und IP
u CANoe und CANalyzer
Email: [email protected]
4
Vector Schulungen/Workshops
Informationen
u Grundlagen:
> CAN, LIN, Ethernet und IP, …
u Produkte:
> CANoe, CANalyzer, CANape, …
u Software Komponenten:
> AUTOSAR, OSEK/VDX, …
VectorAcademy
Weitere Information:
> www.vector-academy.com
Ethernet E-Learning:
> www.vector-elearning.com
5
Informationen 3
u Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
6
Ethernet@Automotive Webinarreihe
Einführung
u Teil 2: Freie Fahrt voraus: Toolgestützte Entwicklung für Automotive Ethernet in zeitkritischen Netzwerken
> Moderator: Patrick Pfeifer
> Donnerstag, 17. Mai 2018
u Teil 3: Der Vector Embedded Ethernet-Stack und seine Anwendungsfälle im Kraftfahrzeug
> Moderator: Markus Helmling, Bernd Jesse
> Mittwoch, 06. Juni 2018
u Teil 1: Einführung in Automotive Ethernet
> Moderator: Jan Bossert
> Dienstag, 08. Mai 2018
u Teil 4: PREEvision – Automotive Ethernet Design
> Moderator: Daniel Gebauer
> Montag, 25. Juni 2018
7
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
8
Informationen 3
Einführung 6
u Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
9
Ethernet Topologie im Kfz
Physikalische Schichten
10
Komponenten im Steuergerät (ECU)
Physikalische Schichten
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
11
IEEE 100Base-T1 (ehemals OABR)
Physikalische Schichten
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
12
IEEE 1000Base-T1
Physikalische Schichten
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
Kodierung/Dekodierung:
u 80B/81B, 3B2T, PAM3
u FEC (Vorwärtsfehlerkorrektur)
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Master-Slave Verfahren
u Konfiguration im PHY
13
IEEE 100Base-TX
Physikalische Schichten
100Base-TX
PHY
100Base-TX
PHY
MDI
100 Mbit/s
FULL DUPLEX
ECU 1 ECU 2
MDI
Tx Rx Tx Rx
Kodierung/Dekodierung:
u NRZI, 4B5B, MLT-3
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Jeweiliger Pfad wird von Sender aktiv gehalten
u Kontinuierliche Synchronisation
14
IEEE 1000Base-T
Physikalische Schichten
MASTER
1000Base-T
PHY
SLAVE
1000Base-T
PHY
MDI
1000 Mbit/s
FULL DUPLEX
ECU 1 ECU 2
MDI
Kodierung/Dekodierung:
u 4D-PAM5, 8B1Q4
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Master-Slave Verfahren
u Rollen können konfiguriert oder ausgehandelt werden
15
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
u IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
16
Eigenschaften
IEEE Ethernet MAC + VLAN
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
u Detaillierte Unterteilung von Schicht 2:
> LLC: Logical Link ControlRegelt mehrere Verbindungen höherer Schichten
> MAC: Medium Access ControlStellt die o.g. Grundfunktionen zur Verfügung
17
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 und VLAN
IEEE Ethernet MAC + VLAN
18
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
u Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
19
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
> Erlaubt eine flexiblere Adressvergabe als auf Schicht 2 möglich ist
20
IP-Adressen (Beispiel IPv4)
Internet Protocol (IPv4/IPv6)
21
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
u TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
22
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
23
TCP/UDP-Ports
TCP und UDP
24
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
u DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
25
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
26
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)
27
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
28
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
29
Sequenz für CAN Diagnose
DoIP
Tester
DHCP ServerDoIP Client
Diag. Gateway
DHCP ClientDoIP Server
Activation line active
[UDP] DHCP-based IP address assignment
[UDP] DoIP Vehicle Identification
[TCP] Connection setup
[TCP] DoIP Routing Activation
[TCP] Connection shutdown
[TCP] DoIP Diagnostic Messages1. Diag. Message (diagnostic request)2. Diag. Message Acknowledgement3. Diag. Message (diagnostic response)
CAN ECU
30
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
u Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
31
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
u Anwendungsbereiche:
> 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
32
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
33
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
34
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
u SOME/IP 35
TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
35
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
u Anwendungsbereiche:
> 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
36
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
37
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)
38
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
39
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
u TSN 40
Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
40
1
2
3
4
5
6
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC +
VLAN
TSN
Audio/Video
Time Sync
TSN: Time Sensitive Networking (ehemals AVB)
TSN
u Anwendungsbereiche:
> 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
41
TSN-Domain, Endpunkte, Talker, Listener, Bridge
TSN
ListenerEndpoint
TalkerEndpoint
Bridge/Switch
Ethernet LAN
TSN-Domain
42
Protokoll Stack im Talker, Bridge & Listener
TSN
PTP
AVAppl.
AVTP PTP SRP PTP SRP
AVAppl.
AVTPAVTP
Ethernet EthernetEthernet EthernetEthernet
SRP
Talker Bridge Listener
FQTSSFQTSS
43
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
44
Informationen 3
Einführung 6
Physikalische Schichten 9
IEEE Ethernet MAC + VLAN 16
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19
TCP und UDP 22
DoIP 25
Signal/PDU 31
SOME/IP 35
TSN 40
u Zusammenfassung und Ausblick 45
Agenda
45
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)
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
46
CANoe/CANalyzer.Ethernet
Zusammenfassung und Ausblick
u CANoe/CANalyzer Demo inklusive Ethernet:
> Messen, Analysieren, Simulieren, Testen von Ethernet- und IP-basierter Kommunikation
> Kostenlose Demo Version:
www.vector.com/vi_downloadcenter_de.html
Produkte: CANoe, Kategorien: Demos
u SCC AddOn (benötigt CANoe.Ethernet):
> Messen, Analysieren, Simulieren, Testen von Smart Charge Communication
> Kostenloser Download:
www.vector.com/vi_downloadcenter_de.html
Produkte: CANoe, Kategorien: AddOns/Freeware
CANoe/CANalyzer.Ethernet
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Ethernet@Automotive Webinarreihe
Zusammenfassung und Ausblick
u Teil 2: Freie Fahrt voraus: Toolgestützte Entwicklung für Automotive Ethernet in zeitkritischen Netzwerken
> Moderator: Patrick Pfeifer
> Donnerstag, 17. Mai 2018
u Teil 3: Der Vector Embedded Ethernet-Stack und seine Anwendungsfälle im Kraftfahrzeug
> Moderator: Markus Helmling, Bernd Jesse
> Mittwoch, 06. Juni 2018
u Teil 1: Einführung in Automotive Ethernet
> Moderator: Jan Bossert
> Dienstag, 08. Mai 2018
u Teil 4: PREEvision – Automotive Ethernet Design
> Moderator: Daniel Gebauer
> Montag, 25. Juni 2018
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Author:Bossert, JanVector Informatik GmbH
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