【導讀】隨著帶寬需求的日益增加，車內(nèi)已經(jīng)引入了多種新的網(wǎng)絡標準和拓撲架構。這導致多種技術和標準用于ECU之間的通信，包括CAN、CAN-FD、FlexRay、LIN、以及MOST，甚至還包括USB和LVDS等其他技術和標準。
作者：Marvell公司汽車應用和架構部高級總監(jiān)Christopher Mash
留意一下當今的任何一臺汽車的內(nèi)部，您會看到越來越多的網(wǎng)絡設備。當然，在車內(nèi)使用網(wǎng)絡功能的許多關鍵應用并不那么容易被看到，但這并不會降低它們的重要性。在過去十年中，網(wǎng)絡協(xié)議的應用大大增加，部分原因在于電子控制單元（ECU）的數(shù)量也在增長，這些ECU負責處理許多特定的功能，例如自適應巡航控制、防抱死制動系統(tǒng)和中控鎖功能等等。
隨著帶寬需求的日益增加，車內(nèi)已經(jīng)引入了多種新的網(wǎng)絡標準和拓撲架構。這導致多種技術和標準用于ECU之間的通信，包括CAN、CAN-FD、FlexRay、LIN、以及MOST，甚至還包括USB和LVDS等其他技術和標準。傳感器數(shù)據(jù)共享能夠根據(jù)不同的總線聯(lián)網(wǎng)方法以特定的方式實現(xiàn)，例如CAN和LIN等是用共享總線的方式來傳輸，不存在任何設備級別的數(shù)據(jù)交換（或轉發(fā)）。在過去的五年中，受高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）驅(qū)動，汽車內(nèi)部更復雜的功能已經(jīng)在要求更高級別的連接性。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝匡@著提高，同時還要求更低的網(wǎng)絡延遲，這促使人們考慮應采用哪種網(wǎng)絡技術。這種趨勢與車載信息娛樂系統(tǒng)的增長、Wi-Fi網(wǎng)絡功能的提升以及對車物通信（V2X）系統(tǒng)未來易用性的支持非常一致。以太網(wǎng)已經(jīng)成為新型汽車事實上的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準，這也許并不奇怪。傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議仍然還會繼續(xù)使用一段時間，因此在以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中增加對這些傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議的支持非常重要。IEEE 1722已經(jīng)定義了一種將傳統(tǒng)通信（如CAN和LIN）封裝在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中的方法，目的是使以太網(wǎng)成為首要的汽車聯(lián)網(wǎng)技術。憑借在汽車之外領域的長久驗證，以太網(wǎng)擁有令人印象深刻的能力，將幫助簡化汽車網(wǎng)絡的復雜性。
線束是汽車內(nèi)成本最高和重量最重的五大元件之一，所以使用單一經(jīng)過驗證的網(wǎng)絡將有助于降低成本和重量。100Mbps和1Gbps汽車以太網(wǎng)標準都已經(jīng)要求采用一對非屏蔽銅纜來實現(xiàn)傳輸。
汽車中互聯(lián)網(wǎng)連接的增加也帶來了潛在的網(wǎng)絡攻擊面和入侵點，因而對于安全性的關注更加重要，但這也為通過分析數(shù)據(jù)流讓以太網(wǎng)交換機提供更多網(wǎng)絡功能提供了可能。對于嵌入式開發(fā)人員來說，憑借有限的計算資源，在不引入任何延遲的情況下，對所有傳入數(shù)據(jù)進行實時線速分析極具挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)必要的保護或其它功能需要使用一組預先確定的規(guī)則來檢測數(shù)據(jù)包，這可以根據(jù)指定的數(shù)據(jù)值或條件來具體執(zhí)行，例如新的音頻/視頻應用以及對時間關鍵或敏感的網(wǎng)絡需求場景。
在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機中，有關數(shù)據(jù)包應轉發(fā)到哪個端口的決定取決于OSI網(wǎng)絡模型的第2層（L2），參見圖1。
圖1：OSI模型和數(shù)據(jù)包轉發(fā)。
在圖1中，如果傳入幀的源地址（SA）以前沒有記錄，則將其與幀的傳入端口號一起添加到地址數(shù)據(jù)庫中。如果目標地址（DA）已經(jīng)存在于網(wǎng)橋的查找表中，則數(shù)據(jù)包會相應地轉發(fā)，否則幀將被泛洪處理。多年來，管理L2所用協(xié)議的IEEE標準（如802.1 MAC橋、VLAN和基于端口的網(wǎng)絡訪問控制標準）都集中在以太網(wǎng)幀的前16個字節(jié)。這些標準也在不斷發(fā)展，最近增加的包括以太網(wǎng)音視頻橋接技術（AVB）和時間敏感網(wǎng)絡標準（如802.1AS）。特別是，在汽車環(huán)境中對確定性網(wǎng)絡的需求正變得越來越急迫，以確保網(wǎng)絡中及時和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。將所有ECU鎖定在單個主時鐘源并保持AV內(nèi)容質(zhì)量只是其中兩個例子，更多增強的功能還在引入以便于檢查OSI 3層信息，例如IPv4 / IPv6數(shù)據(jù)包優(yōu)先級和IPv4 / IPv6偵聽。
雖然上述技術已經(jīng)基本上足夠用于汽車以太網(wǎng)應用，但卻需要更高的靈活性并以實時“線速”方式檢測數(shù)據(jù)包，以便實現(xiàn)高級數(shù)據(jù)包分類、調(diào)試/診斷和安全功能。然而，是否實現(xiàn)深度包檢測（DPI）需要權衡汽車應用的有限空間和敏感預算。過去不可能實現(xiàn)這種線速數(shù)據(jù)包分類，主要是由于需要使用大量計算密集型設備，而這些則需要占用更多電路板空間并增加物料清單（BoM）。然而，Marvell業(yè)界領先的安全千兆以太網(wǎng)交換機能夠以緊湊裝置的形式，采用源自于企業(yè)網(wǎng)的DPI引擎即可提供這種功能。
DPI引擎使用了一種名為三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器（TCAM）的技術。 TCAM接收數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)并使其內(nèi)容與預定義的過濾器進行比較以找到匹配的事件，基于匹配或不匹配的結果，DPI引擎可以確定后續(xù)的處理。這種方法提供了三種用于匹配二進制數(shù)據(jù)的可能性（因此稱為三態(tài)）， 每個數(shù)據(jù)位可以被設置為0，1或“X”不關心。 “不關心”規(guī)則對設置掩碼非常有用，可以輕松檢查多個數(shù)據(jù)段。 通過在橋接流水線內(nèi)放入大量的平行陣列，TCAM支持在多個端口上同時對數(shù)據(jù)線速的分類和修改。根據(jù)具體的配置，TCAM的處理能夠延伸到數(shù)據(jù)包報頭甚至有效載荷區(qū)域內(nèi)的一些字節(jié) 。 DPI可以執(zhí)行下述操作，例如更改數(shù)據(jù)包的目標端口，丟棄幀，將幀鏡像到另一個端口，更改幀或隊列優(yōu)先級等。
我們來看看DPI在汽車中的三個應用案例。第一個用于調(diào)試/診斷。以太網(wǎng)車載診斷（OBD）接口被設計為速度為100Mbps的100BASE-TX端口，雖然這似乎適用于大多數(shù)應用，但實際情況卻是，被完全使用的交換機中的爭用率會產(chǎn)生超過100Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)，因此無法在不影響實際數(shù)據(jù)流性能的情況下鏡像交換機中的所有幀。這導致數(shù)據(jù)包丟失，因而不是所有的包都能夠鏡像。另一種方法是使用DPI來識別和分類僅感興趣的幀，請參見圖2。在此示例中，精確時間協(xié)議（PTP）幀的出現(xiàn)了問題，可以將DPI規(guī)則設置為將所有端口上的PTP消息鏡像到OBD端口，例如可以通過配置EtherType（0x88F7）或MSG ID來達到目的。即使交換機工作在最大負載下，所有PTP相關的幀都會被鏡像到OBD端口。
圖2：使用TCAM進行調(diào)試/診斷應用。
DPI的另一個應用是安全性。 識別合法的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包可能會耗費掉位于數(shù)據(jù)路徑中CPU的大量計算資源。這意味著為了實現(xiàn)實時、低延遲的分類，對處理能力的要求將超出大多數(shù)汽車環(huán)境所能夠提供的空間、BOM和處理能力。 但是，TCAM提供了一種方法來檢查每個進入以太網(wǎng)交換機數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡格式是否正確。
圖3： TCAM丟包超出可接受范圍的Wireshark截圖。
在圖3所示的例子中，TCAM掩碼被設置為僅允許在一系列MAC DA，SA和VLAN ID內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)包，這些是目標地址為00：01：02：XX：XX：XX（匹配所有MAC DA地址范圍為00：01：02：00：00：00至00：01：02：FF：FF：FF），源地址為00：11：22：XX：XX：XX（匹配所有MAC SA地址范圍為00：11：22：00：00：00至00：11：22：FF：FF：FF）和VLAN ID：0x0XX（匹配從0x000至0x0FF的所有VLAN ID）。
本例僅使用來自數(shù)據(jù)包的L2信息，然而，TCAM通過適當?shù)呐渲茫部梢园袻3，L4或更高層面的信息來作為TCAM匹配的一部分。
TCAM提供了唯一一種經(jīng)濟有效、低延遲和占用少量資源的方法來檢查每個進入交換機數(shù)據(jù)包的，未通過上述檢查的數(shù)據(jù)包可以被丟棄或被其它方式處理 。
在最后一個應用案例中，DPI用于執(zhí)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包封包的路由決策。如前所述，此舉是為了將許多不同的傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡協(xié)議（如LIN和CAN）整合到以太網(wǎng)，而長期目標則是降低汽車網(wǎng)絡的復雜度和成本。雖然有網(wǎng)關來實現(xiàn)這類的封包，但是一旦它們完成封包，就必須做出轉發(fā)決定。而使用DPI則提供了一種根據(jù)封包內(nèi)的數(shù)據(jù)來做轉發(fā)決策的方法。數(shù)據(jù)封包的格式已經(jīng)根據(jù)IEEE1722-2016進行了定義，因此TCAM可用于對數(shù)據(jù)封包（例如CAN）進行分類，并使用CAN_BUS_ID和CAN_IDENTIFIER來相應地創(chuàng)建路由操作。
在汽車網(wǎng)絡環(huán)境中使用基于TCAM的DPI技術能夠開啟許多先前不具備商業(yè)可行性的新應用、標準和功能。隨著聯(lián)網(wǎng)汽車成為現(xiàn)實，如何在安全方面融入更多功能，同時又要降低網(wǎng)絡環(huán)境的復雜度，制造商們在這些領域正面臨著巨大挑戰(zhàn)。DPI為實現(xiàn)這兩個目標提供了可能。
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