По мере роста требований к пропускной способности сети в автомобилях внедрялись новые сетевые стандарты и топологии. Это привело к появлению множества технологий и стандартов связи между электронными блоками управления (ЭБУ), включая CAN, CAN-FD, FlexRay, LIN, MOST и даже другие, такие как USB и LVDS. Обмен данными с датчиков осуществлялся с помощью различных методов шинных сетей в произвольном порядке. Популярные методы, такие как CAN и LIN, работают как общая шина без какой-либо коммутации (пересылки) на уровне устройства. За последние пять лет переход к более сложным функциям в автомобиле, обусловленный передовыми системами помощи водителю (ADAS), потребовал более высокого уровня связности. Значительно более высокая пропускная способность передачи данных с целью снижения задержки в сети привела к пересмотру подхода к сети, который следует использовать
В связи с ростом популярности автомобильных информационно-развлекательных систем, увеличением пропускной способности сетей Wi-Fi и обеспечением будущей поддержки систем V2X, неудивительно, что Ethernet стал де-факто протоколом автомобильных сетей для новых автомобильных платформ. Устаревшие сетевые протоколы, вероятно, будут использоваться еще некоторое время, поэтому важно включить поддержку этих устаревших протоколов в экосистему Ethernet. Стандарт IEEE 1722 определил метод интеграции устаревших коммуникационных протоколов, таких как CAN и LIN, в пакеты Ethernet с целью сделать Ethernet основным методом передачи данных в автомобильных приложениях. Обладая долгой и проверенной историей применения за пределами автомобильной отрасли, Ethernet имеет впечатляющие возможности и поможет упростить сложные аспекты автомобильных сетей.
Жгуты проводов входят в пятерку самых дорогих и тяжелых компонентов автомобиля, поэтому использование единой, хорошо протестированной сети поможет снизить оба этих фактора. Автомобильные стандарты Ethernet 100 Мбит/с и 1 Гбит/с были определены для использования с одной парой неэкранированных медных проводов.
Расширение возможностей подключения к интернету в автомобилях открывает потенциальные поверхности атаки и точки входа, что делает бдительность первостепенной задачей, но это также открывает возможность предоставления большей функциональности сети в коммутаторе Ethernet путем анализа потока данных. Для разработчика встроенных систем необходимость выполнения анализа всех входящих данных в реальном времени на скорости провода без внесения каких-либо задержек, при использовании ограниченного объема вычислительных ресурсов, может быть сложной задачей. Достижение необходимой защиты или дополнительной функциональности требует проверки пакетов с использованием набора предопределенных правил. Это выполняется на основе определенных значений данных или условий. Примерами являются широкий спектр новых аудио/визуальных приложений и критически важные по времени требования к сети.
В устаревших коммутаторах Ethernet решения о том, на какой порт перенаправлять пакет, принимаются на уровне 2 (L2) сетевой модели OSI. См. рисунок 1.
На рисунке 1 показано, что если исходный адрес (SA) входящего кадра ранее не встречался, он добавляется в базу данных адресов вместе с номером входящего порта кадра. Если адрес назначения (DA) уже есть в таблице поиска моста, пакет пересылается соответствующим образом; в противном случае кадр рассылается широковещательно. На протяжении многих лет стандарты IEEE, регулирующие протоколы, используемые на уровне 2, такие как мостовое соединение MAC 802.1, VLAN и стандарты управления доступом к сети на основе портов, были сосредоточены на первых 16 байтах кадра Ethernet. Они постоянно развивались, и в последнее время были добавлены стандарты передачи аудио/видеосигнала с учетом временных ограничений (AVB), такие как 802.1AS. В частности, потребность в детерминированной сети в автомобильной среде становится все более актуальной для обеспечения своевременной и гарантированной доставки по сети. Привязка всех ЭБУ к одному главному источнику тактового сигнала и поддержание качества AV-контента — это лишь два примера. Также были внедрены расширенные возможности, облегчающие проверку информации уровня 3 модели OSI, такие как приоритезация пакетов IPv4/IPv6 и перехват IPv4/IPv6.
Хотя вышеупомянутые методы изначально были достаточны для автомобильных приложений на базе Ethernet, необходима большая гибкость для проверки пакетов в режиме реального времени на «скорости провода», чтобы можно было реализовать расширенную классификацию пакетов, отладку/диагностику и функции безопасности. Однако возможность достижения глубокой проверки пакетов (DPI) должна быть сбалансирована с учетом ограниченности пространства и бюджетных ограничений автомобильных приложений. Исторически сложилось так, что достижение такой классификации пакетов на скорости провода было невозможно без использования ряда ресурсоемких устройств, которые занимали дополнительное место на плате и влияли на спецификацию материалов (BoM). Однако новые устройства теперь могут предложить эту возможность в компактном корпусе с использованием механизма DPI, подход, заимствованный из мира корпоративных сетей.
В коммутаторе Marvell 88Q5050 используется технология DPI (Ternary Content-Addressable Memory), называемая TCAM (тройная адресуемая память). TCAM принимает данные пакета и сопоставляет их содержимое с предопределенным фильтром для поиска совпадений. В зависимости от результата совпадения или несовпадения, DPI определяет необходимое действие. Такой подход предоставляет три возможности (отсюда и термин «тройная») для сопоставления двоичных данных, где состояние каждого бита может быть определено как 0, 1 или «X» (не имеет значения). Правило «не имеет значения» может быть чрезвычайно полезно для настройки масок, позволяющих легко проверять диапазоны данных. Реализованная с большим количеством параллельных портов, расположенных внутри мостового канала, технология TCAM поддерживает классификацию на скорости передачи данных и модификацию данных на нескольких портах. В зависимости от реализации, TCAM может работать с определенным количеством байтов в заголовке пакета и области полезной нагрузки. DPI может выполнять такие действия, как изменение порта назначения пакета, отбрасывание кадра, дублирование кадра на другой порт или изменение приоритета кадра или очереди.
Рассмотрим три варианта использования DPI в автомобильной промышленности, первый из которых — отладка/диагностика. Бортовые диагностические устройства Ethernet (OBD) обычно проектируются с портом 100BASE-TX со скоростью 100 Мбит/с. Хотя это кажется достаточным для большинства приложений, на практике коэффициенты конкуренции в полностью загруженных конфигурациях коммутаторов передают данные со скоростью, превышающей 100 Мбит/с, что делает невозможным дублирование всех кадров на коммутаторе без влияния на фактический поток данных. Это приводит к потере пакетов и, как следствие, к неполному дублированию. Альтернативой является использование DPI для идентификации и классификации только интересующих кадров. См. рисунок 2. В этом примере, чтобы решить проблему с кадрами протокола точного времени (PTP), можно настроить правило DPI, отражающее все порты, передающие сообщения PTP на порт OBD. Этого можно добиться, используя, например, либо EtherType (0x88F7), либо MSG ID. Все кадры, связанные с PTP, будут передаваться на порт OBD, даже если коммутатор работает на полную мощность.
Еще одно применение DPI — это безопасность. Идентификация корректных пакетов Ethernet может потреблять значительное количество вычислительных ресурсов для ЦП, расположенного в тракте передачи данных, а это означает, что для достижения классификации в реальном времени с низкой задержкой потребуются вычислительные мощности, превышающие размеры, спецификации и возможности большинства автомобильных систем. Однако TCAM предоставляет средство проверки того, что каждый пакет, поступающий в коммутатор Ethernet, имеет правильный формат для сети.
В примере, показанном на рисунке 3, маски TCAM настроены таким образом, чтобы разрешать только входящие пакеты в диапазоне MAC-адресов назначения (DA), адресов слияния (SA) и идентификаторов VLAN, а именно: адреса назначения 00:01:02:XX:XX:XX (соответствующие всем MAC-адресам DA в диапазоне от 00:01:02:00:00:00 до 00:01:02:FF:FF:FF), адреса отправителя 00:11:22:XX:XX:XX (соответствующие всем MAC-адресам SA в диапазоне от 00:11:22:00:00:00 до 00:11:22:FF:FF:FF) и идентификатор VLAN: 0x0XX (соответствующие всем идентификаторам VLAN в диапазоне от 0x000 до 0x0FF).
В этом примере используется только информация уровня 2 из пакета; Однако, в зависимости от реализации TCAM, в процессе сопоставления TCAM может использоваться информация уровня 3, уровня 4 или более высоких уровней.
TCAM представляет собой единственный экономически эффективный, низкозадержечный и ресурсоемкий метод проверки каждого пакета, поступающего в коммутатор. Пакеты, не прошедшие указанные выше тесты, могут быть отброшены или подвергнуты дальнейшим действиям.
В последнем примере использования DPI применяется для принятия решений о маршрутизации инкапсулированных пакетов Ethernet. Как упоминалось ранее, цель состоит в том, чтобы интегрировать множество различных устаревших автомобильных сетевых протоколов, таких как LIN и CAN, в Ethernet с долгосрочной целью снижения сложности и стоимости автомобильных сетей. Хотя существуют шлюзы для выполнения такой инкапсуляции, решения о пересылке должны приниматься после инкапсуляции. Однако использование DPI предоставляет метод для принятия решений о пересылке на основе инкапсулированных данных. Формат пакета уже определен в соответствии со стандартом IEEE 1722-2016, поэтому TCAM можно использовать для классификации типа пакета (например, CAN) и использования CAN_BUS_ID и CAN_IDENTIFIER для создания соответствующих маршрутных действий.
Внедрение методов DPI на основе TCAM в автомобильную сетевую среду открывает поддержку множества новых приложений, стандартов и функций, которые ранее не были коммерчески жизнеспособны. По мере того, как подключенный автомобиль становится реальностью, производители сталкиваются с проблемой внедрения множества дополнительных функций безопасности, одновременно пытаясь упростить сложные сетевые среды. DPI предоставляет возможность достичь обеих целей.
Автор: Кристофер Маш, старший директор по автомобильным приложениям и архитектуре
