Mit den im Laufe der Zeit gestiegenen Bandbreitenanforderungen wurden neue Netzwerkstandards und -topologien in Automobilen implementiert. Dies führte zur Entwicklung zahlreicher Technologien und Standards für die Kommunikation zwischen Steuergeräten, darunter CAN, CAN-FD, FlexRay, LIN, MOST und weitere wie USB und LVDS. Der Austausch von Sensordaten erfolgte bisher ad hoc über verschiedene Busnetzwerkmethoden. Gängige Methoden wie CAN und LIN arbeiten als gemeinsam genutzter Bus ohne Weiterleitung auf Geräteebene. In den letzten fünf Jahren hat der Trend zu komplexeren Fahrzeugfunktionen, vorangetrieben durch Fahrerassistenzsysteme (ADAS), höhere Konnektivitätsanforderungen gestellt. Der deutlich höhere Datendurchsatz mit dem Ziel, die Latenz im Netzwerk zu reduzieren, hat eine Überprüfung des zu verwendenden Netzwerkansatzes erforderlich gemacht
Parallel zum Wachstum von Infotainmentsystemen im Fahrzeug, der Leistungsfähigkeit von WLAN-Netzwerken und der zukünftigen Unterstützung von V2X-Systemen ist es wenig überraschend, dass Ethernet sich zum De-facto-Standardprotokoll für die Fahrzeugvernetzung neuer Automobilplattformen entwickelt hat. Da ältere Netzwerkprotokolle voraussichtlich noch einige Zeit im Einsatz bleiben werden, ist es wichtig, deren Unterstützung in das Ethernet-Ökosystem zu integrieren. IEEE 1722 spezifiziert ein Verfahren zur Integration älterer Kommunikationsprotokolle wie CAN und LIN in Ethernet-Pakete mit dem Ziel, Ethernet zum primären Netzwerkprotokoll für Automobilanwendungen zu machen. Mit seiner langen und bewährten Erfolgsgeschichte außerhalb der Automobilbranche verfügt Ethernet über beeindruckende Referenzen und wird dazu beitragen, die Komplexität der Fahrzeugvernetzung zu vereinfachen.
Kabelbäume gehören zu den fünf teuersten und schwersten Komponenten eines Autos. Der Einsatz eines einzigen, bewährten Netzwerks trägt dazu bei, diese beiden Faktoren zu reduzieren. Für die Verwendung mit einem einzelnen Paar ungeschirmter Kupferdrähte wurden Automotive-Ethernet-Standards von 100 Mbit/s und 1 Gbit/s definiert.
Die zunehmende Internetanbindung in Fahrzeugen eröffnet potenzielle Angriffsflächen und Einfallstore, weshalb Wachsamkeit unerlässlich ist. Gleichzeitig bietet sie die Möglichkeit, durch die Analyse des Datenflusses zusätzliche Netzwerkfunktionen innerhalb des Ethernet-Switches bereitzustellen. Für Entwickler eingebetteter Systeme kann die Echtzeitanalyse aller eingehenden Daten in Leitungsgeschwindigkeit ohne Latenz und mit begrenzten Rechenressourcen eine Herausforderung darstellen. Um den erforderlichen Schutz oder zusätzliche Funktionen zu erreichen, ist eine Paketprüfung anhand vordefinierter Regeln notwendig. Diese wird basierend auf bestimmten Datenwerten oder auftretenden Bedingungen ausgeführt. Beispiele hierfür sind eine Vielzahl neuer Audio-/Videoanwendungen sowie zeitkritische oder kritische Netzwerkanforderungen.
In einem herkömmlichen Ethernet-Switch werden Entscheidungen über den Port, an den ein Paket weitergeleitet wird, auf Schicht 2 (L2) des OSI-Netzwerkmodells getroffen. Siehe Abbildung 1.
In Abbildung 1 wird die Quelladresse (SA) des eingehenden Frames, falls sie noch nicht erfasst wurde, zusammen mit der Portnummer des Frames in die Adressdatenbank eingetragen. Befindet sich die Zieladresse (DA) bereits in der Lookup-Tabelle der Bridge, wird das Paket entsprechend weitergeleitet; andernfalls wird der Frame geflutet. Die IEEE-Standards für Protokolle der Schicht 2, wie z. B. 802.1 MAC-Bridging, VLANs und portbasierte Netzwerkzugriffskontrollstandards, konzentrieren sich seit Jahren auf die ersten 16 Bytes eines Ethernet-Frames. Sie wurden stetig weiterentwickelt, zuletzt durch Standards für zeitkritische Audio-/Videoübertragung (AVB) wie 802.1AS. Insbesondere im Automobilbereich wird ein deterministisches Netzwerk immer wichtiger, um eine zeitgerechte und zuverlässige Übertragung zu gewährleisten. Die Synchronisierung aller Steuergeräte mit einer zentralen Taktquelle und die Sicherstellung der AV-Inhaltsqualität sind nur zwei Beispiele. Erweiterte Funktionen wurden eingeführt, die die Untersuchung von OSI-Layer-3-Informationen erleichtern, wie z. B. IPv4/IPv6-Paketpriorisierung und IPv4/IPv6-Abhören.
Während die oben genannten Techniken anfänglich für Ethernet-basierte Automobilanwendungen ausreichend waren, ist eine größere Flexibilität erforderlich, um Pakete in Echtzeit und mit Leitungsgeschwindigkeit zu untersuchen und so erweiterte Paketklassifizierungs-, Debugging-/Diagnose- und Sicherheitsfunktionen zu implementieren. Die Möglichkeit der Deep Packet Inspection (DPI) muss jedoch gegen die Platz- und Budgetbeschränkungen von Automobilanwendungen abgewogen werden. Bisher war eine solche Paketklassifizierung mit Leitungsgeschwindigkeit nur mit einer Reihe rechenintensiver Geräte möglich, die zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte beanspruchten und die Materialkosten erhöhten. Neuere Geräte bieten diese Funktion nun jedoch in einem kompakten Gehäuse mithilfe einer DPI-Engine – ein Ansatz aus der Unternehmensnetzwerktechnik.
Die DPI-Engine im IC-Switch 88Q5050 von Marvell verwendet eine Technik namens TCAM (Ternary Content-Addressable Memory). TCAM analysiert die Paketdaten und vergleicht deren Inhalt mit einem vordefinierten Filter, um Übereinstimmungen zu finden. Basierend auf dem Ergebnis (Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung) bestimmt die DPI-Engine die auszuführende Aktion. Dieser Ansatz bietet drei Möglichkeiten (daher der Begriff „ternär“) für den Abgleich binärer Daten, wobei der Zustand jedes Bits als 0, 1 oder „X“ (unbedeutend) bestimmt werden kann. Die „unbedeutend“-Regel ist äußerst nützlich für die Konfiguration von Masken, die eine einfache Überprüfung von Datenbereichen ermöglichen. TCAM, implementiert mit einer großen Anzahl paralleler Ports im Bridge-Kanal, unterstützt die Klassifizierung in Leitungsgeschwindigkeit und die Datenmodifikation über mehrere Ports hinweg. Je nach Implementierung kann TCAM eine bestimmte Anzahl von Bytes im Paketheader und Nutzdatenbereich bearbeiten. DPI kann Aktionen wie das Ändern des Zielports des Pakets, das Verwerfen eines Frames, das Duplizieren eines Frames an einen anderen Port oder das Ändern der Frame-Priorität oder -Warteschlange durchführen.
Betrachten wir drei Anwendungsfälle für DPI in der Automobilindustrie, wobei der erste die Fehlersuche/Diagnose betrifft. On-Board-Ethernet-Diagnosegeräte (OBD) sind typischerweise mit einem 100BASE-TX-Port mit einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s ausgestattet. Obwohl dies für die meisten Anwendungen ausreichend erscheint, führt die hohe Auslastung von Switches in der Praxis dazu, dass Daten mit Geschwindigkeiten von über 100 Mbit/s übertragen werden. Dadurch ist es unmöglich, alle Frames auf dem Switch zu duplizieren, ohne den tatsächlichen Datenfluss zu beeinträchtigen. Dies führt zu Paketverlusten und somit zu unvollständiger Duplizierung. Alternativ kann DPI (Data Protection Injection) verwendet werden, um nur die relevanten Frames zu identifizieren und zu klassifizieren. Siehe Abbildung 2. In diesem Beispiel kann zur Behebung eines Problems mit PTP-Frames (Precision Time Protocol) eine DPI-Regel konfiguriert werden, die alle Ports, die PTP-Nachrichten senden, an den OBD-Port weiterleitet. Dies kann beispielsweise über den EtherType (0x88F7) oder die MSG-ID erreicht werden. Alle PTP-bezogenen Frames würden dann an den OBD-Port weitergeleitet, selbst wenn der Switch unter Volllast arbeitet.
Eine weitere Anwendung von DPI liegt im Bereich der Sicherheit. Die Identifizierung gültiger Ethernet-Pakete kann erhebliche Rechenressourcen einer im Datenpfad befindlichen CPU beanspruchen. Um eine Echtzeitklassifizierung mit geringer Latenz zu erreichen, wären daher Rechenkapazitäten erforderlich, die die Größe, die Materialkosten und die Leistungsfähigkeit der meisten Automobilumgebungen übersteigen. TCAM bietet jedoch eine Möglichkeit zu überprüfen, ob jedes in einen Ethernet-Switch eingehende Paket das korrekte Format für das Netzwerk aufweist.
Im Beispiel in Abbildung 3 sind die TCAM-Masken so konfiguriert, dass nur eingehende Pakete innerhalb eines bestimmten Bereichs von MAC-Adressen (DAs, SAs) und VLAN-IDs zugelassen werden. Dies sind Zieladressen im Bereich 00:01:02:XX:XX:XX (entspricht allen MAC-DA-Adressen im Bereich von 00:01:02:00:00:00 bis 00:01:02:FF:FF:FF), Quelladressen im Bereich 00:11:22:XX:XX:XX (entspricht allen MAC-SA-Adressen im Bereich von 00:11:22:00:00:00 bis 00:11:22:FF:FF:FF) und die VLAN-ID 0x0XX (entspricht allen VLAN-IDs im Bereich von 0x000 bis 0x0FF).
In diesem Beispiel werden ausschließlich Layer-2-Informationen aus dem Paket verwendet. Je nach TCAM-Implementierung können jedoch auch Layer-3-, Layer-4- oder höhere Layer-Informationen in die TCAM-Abgleichung einbezogen werden.
TCAM bietet die einzige kostengünstige, latenzarme und ressourcenschonende Methode zur Überprüfung jedes in einen Switch eingehenden Pakets. Pakete, die diese Tests nicht bestehen, können verworfen oder weiterverarbeitet werden.
Im letzten Anwendungsbeispiel wird DPI zur Routing-Entscheidung für gekapselte Ethernet-Pakete eingesetzt. Wie bereits erwähnt, besteht das Ziel darin, verschiedene ältere Netzwerkprotokolle für die Automobilindustrie, wie LIN und CAN, in Ethernet zu integrieren, um langfristig die Komplexität und die Kosten des Automobilnetzwerks zu reduzieren. Obwohl Gateways für die Kapselung existieren, müssen Weiterleitungsentscheidungen erst nach der Kapselung getroffen werden. DPI ermöglicht es jedoch, Weiterleitungsentscheidungen auf Basis der gekapselten Daten zu treffen. Da das Paketformat gemäß IEEE 1722-2016 definiert ist, kann TCAM zur Klassifizierung des Pakettyps (z. B. CAN) verwendet werden. Anschließend können CAN_BUS_ID und CAN_IDENTIFIER genutzt werden, um entsprechende Routing-Aktionen zu erstellen.
Die Implementierung von TCAM-basierten DPI-Verfahren in einer automobilen Netzwerkumgebung ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungen, Standards und Funktionen, die zuvor wirtschaftlich nicht realisierbar waren. Mit der zunehmenden Verbreitung vernetzter Fahrzeuge stehen Hersteller vor der Herausforderung, deutlich mehr Sicherheitsfunktionen zu integrieren und gleichzeitig die Komplexität der Netzwerkumgebung zu reduzieren. DPI bietet die Möglichkeit, beides zu erreichen.
Autor: Christopher Mash, Senior Director für Automobilanwendungen und -architektur
