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V1.08 | 2017-09-21

Einführung in Automotive Ethernet

Ethernet@Automotive Webinarreihe

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

Moderator

Informationen

Dipl. Ing. (FH), M.Sc. Jan Bossert

Technical Trainer

u Schulungsgebiete

u CAN, FlexRay, Ethernet und IP

u CANoe und CANalyzer

Email: academy@vector.com

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

Informationen 3

u Einführung 6

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

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

Anwendungsbereiche

Einführung

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

Informationen 3

Einführung 6

u Physikalische Schichten 9

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

Ethernet Topologie im Kfz

Physikalische Schichten

Komponenten im Steuergerät (ECU)

Ethernet

MIIDigital I/O

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

IEEE 100Base-T1 (ehemals OABR)

Kodierung/Dekodierung:

u 4B/3B, 3B2T, PAM3

Taktrückgewinnung/Synchronisation:

u Master-Slave Verfahren

u Konfiguration im PHY

MASTER

IEEE 100Base-T1

100 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

UTP: Unshielded Twisted Pair

IEEE 1000Base-T1

MASTER

IEEE 1000Base-T1

1000 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

UTP: Unshielded Twisted Pair

u 80B/81B, 3B2T, PAM3

u FEC (Vorwärtsfehlerkorrektur)

u Konfiguration im PHY

IEEE 100Base-TX

100Base-TX

100 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

Tx Rx Tx Rx

u NRZI, 4B5B, MLT-3

u Jeweiliger Pfad wird von Sender aktiv gehalten

u Kontinuierliche Synchronisation

IEEE 1000Base-T

MASTER

1000Base-T

1000 Mbit/s

FULL DUPLEX

ECU 1 ECU 2

u 4D-PAM5, 8B1Q4

u Rollen können konfiguriert oder ausgehandelt werden

Informationen 3

Einführung 6

u IEEE Ethernet MAC + VLAN 16

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

Eigenschaften

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

Switch

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

Informationen 3

Einführung 6

u Internet Protocol (IPv4/IPv6) 19

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

Einführung

Internet Protocol (IPv4/IPv6)

Ethernet PHY

Ethernet MAC

+ VLAN

IPv4/IPv6

Internet Protocol

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

IP-Adressen (Beispiel IPv4)

Internet Protocol (IPv4/IPv6)

Informationen 3

Einführung 6

u TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

Einführung

TCP und UDP

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

TCP/UDP-Ports

TCP und UDP

Informationen 3

Einführung 6

TCP und UDP 22

u DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

DoIP: Diagnostics over IP

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

IPv4/IPv6

TCP/UDP

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

Diagnose Tester

GW Door

Roof Seat

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)

Diagnose Gateway

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

0x0601

Diagnose Gateway für paralleles Re-programmieren

Parallel re-programmierte Steuergeräte

0x0550

0x0501

0x0403

0x0402

0x0401

0x0551

0x0302

0x03010x0350

0x03030x0352

0x0351

FlexRay CAN CAN LIN

Diagnostics Gateway0x0200

Tester0x0E00

Ethernet

Sequenz für CAN Diagnose

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

Informationen 3

Einführung 6

TCP und UDP 22

DoIP 25

u Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

IPv4/IPv6

TCP/UDP

Signal/PDU

Signal-oriented

Communication

Signal-orientierte Kommunikation (Signal/PDU)

Signal/PDU

> 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

Datenaustausch über Ethernet Backbone

Signal/PDU

Central Gateway

ECU 10

ECU 11

ECU 3GW E

ECU 12

FlexRay CAN CAN LIN

GW A GW B GW C GW D

Ethernet

1 2 3 4

Datenaustausch über Ethernet Backbone

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

Header

Frame (z. B. UDP packet)

Header Header

Informationen 3

Einführung 6

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

u SOME/IP 35

TSN 40

Agenda

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

IPv4/IPv6

TCP/UDP

SOME/IP

Service-oriented

Communication

SOME/IP: Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP

SOME/IP

> 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

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

Service-orientierte Kommunikation

SOME/IP

Offer service

Call method (Request)

Get return values (Response)

Subscribe Event Group

Notifications

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)

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

Informationen 3

Einführung 6

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

u TSN 40

Agenda

Ethernet PHY

Ethernet MAC +

Audio/Video

Time Sync

TSN: Time Sensitive Networking (ehemals AVB)

> 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

TSN-Domain, Endpunkte, Talker, Listener, Bridge

ListenerEndpoint

TalkerEndpoint

Bridge/Switch

Ethernet LAN

TSN-Domain

Protokoll Stack im Talker, Bridge & Listener

AVAppl.

AVTP PTP SRP PTP SRP

AVAppl.

AVTPAVTP

Ethernet EthernetEthernet EthernetEthernet

Talker Bridge Listener

FQTSSFQTSS

Protokoll Stack und Spezifikationen

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

Ethernet PHY

Ethernet MAC +VLAN

PTP SRP

Audio/VideoApplication

Informationen 3

Einführung 6

TCP und UDP 22

DoIP 25

Signal/PDU 31

SOME/IP 35

TSN 40

u Zusammenfassung und Ausblick 45

Agenda

Anwendungsbereiche

Zusammenfassung und Ausblick

Ethernet PHY

(IEEE 100Base-T1, IEEE 1000Base-T1, IEEE 100Base-TX, IEEE 1000Base-T)

IPv4/IPv6

TCP/UDP

DoIP SOME/IP Signal/PDU

Diagnostics and

Flash Update

Service-oriented

Communication

Signal-oriented

Communication

Audio/Video

Time Sync

CANoe/CANalyzer.Ethernet

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

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

Author:Bossert, JanVector Informatik GmbH

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Vector PowerPoint Template V4€¦ · u Master-Slave Verfahren u Konfiguration im PHY. 13 IEEE...

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