Technical Article 車載 Ethernet 利用における課題～柔軟なインターフェイスとソフトウェアツールでECU開発をシンプルに～ついに今年、Ethernetが車載ネットワークとして初めて量産車に採用されます。次のステップは、Ethernetと、自動車業界ですでに確立されているCAN、FlexRay、LIN、MOSTといった技術との統合ということになります。これらの既存の技術には実用的な開発ツールが存在するため、開発者が異なる複数の通信ネットワークの解析を行うのは簡単です。しかし、Ethernet側にはIT系の標準ツールしか存在せず、自動車分野専用の物理層やプロトコルはサポートされていません。そのため、既存のバスシステムとEthernetネットワークを一緒に解析･テストできる開発/テストツールを確保することが急務となっています。そのようなツールに対する要求は、具体的にどのようなものなのでしょうか。最先端の技術では、安価なUTPケーブル接続を使用して車載カメラの画像を100MBit/sで伝送することがすでに実現されています。これは「BroadR-Reach®」という技術で、OPEN Alliance SIG 車載Ethernet用テストソリューションにおける課題車両でEthernetを使用するにあたり、開発およびテスト担当者コンソーシアムによる標準化が行われています（参考文献 [1]）。は、設計や開発、テスト手法などの見直しが必要となります。最初 2015年までにEthernetをインフォテインメントや運転者支援シスに取り組むべき課題は、ドメインアーキテクチャーの明確な設テムのネットワークに使用するという次なる目標が掲げられてお計です (図2)。このアーキテクチャーでは、バックボーンはもはやり、早ければ2018年には、Ethernetがバックボーン技術になるとバスシステムではなく、複数の全二重接続を持つスイッチング一部の自動車メーカーは予想しています（参考文献 [2]）。複数のネットワークの形で実装されます。クリティカルなリアルタイム文献で報告されているように（参考文献 [3][4]）、車載Ethernet アプリケーションをこのアーキテクチャーで実現するには、物理は特定のインターネットプロトコルを組み合わせた場合に、一層の層 (OSI 層 1) より上位のプロトコル層に、AVB (Audio Video 柔軟性、拡張性、経済性を発揮します (図1、参考文献 [1])。また Br idging、図1) などの同期技術が必要です。この新しいアーそこには、IT分野の開発手法などを利用し、実績ある自動車開発キテクチャーでは解析に対する要ｃ求も増え、仮に開発者がバックプロセスの拡充を図るチャンスも秘められています。ボーン上のすべてのデータトラフィックを同時に解析したい場合は、 April 2013 1 Technical Article 図1： ITの分野で一般的なUDP、TCP、IP などのプロトコルに加え、車載用に特化したプロトコルも使われます。これらはISO CD 17215-1で規定されています。アクセスをすべてのパスの分岐上 (図2、a、b、c、d) で同期しなけ考慮に入れる必要があります。一方、ツールメーカー側では、インればなりません。ターフェイスによる影響を最小限に抑える必要があります。以下次に、膨大な量のデータ処理を行うため、適切なフィルター方法に、解析やテストを目的とした各種の測定構成について、それからを新たに検討しなければなりません。自動車メーカーがすでに構想生じる望ましくない影響やそのような影響を最小限に抑える方法に入れているGB/sレベルの伝送速度が実現すれば、状況はさらにと併せて説明していきます。厳しいものになります。1GB/sの規格として、IEEE 802.3bpRTPGE (Reduced Twisted Pair Gigabit Ethernet) という物理層の規格の従来のソリューションにおける制限策定がすでに進められています。 Ethernetネットワークの解析でまず用いられるのが、システムをインターフェイスがシステムのパフォーマンスに及ぼす影響を最小限に構成するスイッチ上で追加のポート (モニターポート) を使う方法 (ミラーリング) です。このモニターポートにはスイッチの全受信パケットが転送されます。これによって受信されたデータパケットへのバスシステムとは異なり、Ethernetではシステムに対する測定アクセスは可能になりますが、タイムスタンプがセットされておらの影響を避けるための特別な対策が必要となります。開発者側でず、それらのデータパケットと共通の時刻基準とを関連付けることはシステム設計の早い段階 (設計-テスト) からテストの容易性をができません。また、多くの場合は有効なパケットのみがモニター図2：今後考えられる車載ネットワークのドメインアーキテクチャー。すべてのEthernetパケットを解析するには、解析ソフトウェアはすべてのEthernetパスを同期して測定しなければなりません。 April 2013 2 Technical Article ポートに転送されるため、エラー解析も困難です。さらに、コストが必要です。ネットワーク解析の対象となるEthernetパスは１つに上の理由から、量産車のシステム内のスイッチにミラーリング用の限らないことが多く、これらのタイムスタンプには他のインターフェモニターポートが用意されることはありません（参考文献 [4]）。イスとの同期が必要です (図2)。スイッチで利用可能なポートがなければ、既存の接続にスイッチアクティブでないインターフェイスにおいても、動作が透過的でを新たに追加できますが、このように追加したホップは透過的でなあることは大切です。たとえば、インターフェイスを設置した車両く、伝送パス全体の遅れの原因となります。AVBプロトコルで同期でテストトライブを行う場合は、測定アプリケーションが実行中でなされているネットワークの場合、状況によっては、スイッチの追加にくても、インターフェイスは事前構成済みのスタンドアローンモードよる遅れが原因で時刻同期に問題が生じる恐れがあります。に自律的に切り替わらなければなりません。切り替わらなければ、この測定構成では、IT分野で一般に用いられているツールとス運転中にEthernetの特定のパスで中断が発生します。イッチを利用できます。ただし、主に自動車業界で使われている BroadR-Reachネットワークでは、Ethernet (IEEE 802.3) へのメディア変換を行うことが必要です。さらに、これらのツールの多くはEthernetのみに対応しています。そのため、CAN/LIN/FlexRay TAPとスティミュレーション単なるデータ解析のほかに、ネットワークでは特定のパケットをなどのバスシステムが含まれる場合は、他のツールが必要になります。意図的に送信して行うテストがしばしば必要となります。このテスこれは車載ネットワーク開発の観点からいえば、十分なソリューショトでも、単なるモニターの場合と同じく、任意の2ノード間の接続ンではありません。に極力影響が出ないようにしなければなりません。ただし、これらの追加パケットは物理層からは直接送信できません。それは、透過的なEthernet解析ネットワークをモニターするには、従来のスイッチをインターフェイスに使用する方法ではなく、できる限り透過的な方法を用いた方が適切です。ここでの第一の目的は、遅延時間の増加やエラーパフロー制御が新たに必要になるためで、これはデータリンク層で処理すれば対応できます。ここでも動的な遅延時間は発生しますが、それはAVB などのプロトコルをインターフェイスがサポートしていれば、直接補正できます。これを利用した例の1つが、2ノード間の正常な通信中に、テスケットのフィルターによってシステムに影響が出るのを防ぐことでト用の障害データを追加して送信するケースです (図4のパス3)。すが、これはいわゆるTAP (Test Access Point) (図3) を用い、物理このデータはVector CANoe.IPなどのテストアプリケーションから層のデータ (図4のパス1) をパッシブに取得してルーティングすれ直接送出されるか、インターフェイスのパケットジェネレーターがば実現できます。このプロセスの遅延時間は非常に短くかつ一定定義済みのバス負荷になるように直接データを生成し、そこからで、AVBシステムの解析では特に有利です。透過的なモニターを送信送出されます (図4のパス2)。行うための手段として、AVBの時刻同期機能に対応したスイッチを使う方法もあります。これを使用すると、パケットのルーティング残りのバスシミュレーションで発生する遅延時間がAVBプロトコルにより補正されます。どの方法を選ぶにせよ、パケットデータを正確に解析するには、物理層にできるだけ近い部分で取得した高精度なタイムスタンプ残りのバスシミュレーション（参考文献 [6]) は、特にECUの個別開発の際、実際のネットワークへの統合前に多様なシナリオで柔軟図3：解析または残りのバスシミュレーションで考えられるEthernetインターフェイスの配置。一般的な車載バスシステムとの同期も必要です。 April 2013 3 Technical Article 第2に、アプリケーションはこのハードウェアに対し、ログデータや > そのインターフェイスにより、一般的に使われている BroadR-Reach、Fast Ethernet、Gigabit Ethernetや、今後策定されるRTPGEなどのあらゆるメディア間でのコ自己生成データを転送できなければなりません (図4のパス4)。ンバートが可能であること。これによって、従来必要で第3に、このハードウェアとソフトウェアを組み合わせてパケットをあった外部メディアコンバーターが不要になります。にテストを実施するための方法です。第 1に必要となるのは、ネットワークに無制限でアクセスできる高性能ハードウェアです。受信し、そのパケットにエラーを加えて送信できなければなりません。そのような機能によって、プロトコルエラーなどの特定の > インターフェイスはテストドライブの際に車両内に設置でき、使用していない間はネットワークを妨害しないことエラーケースに対するECU の動作テストが可能になります。柔軟なインターフェイス /ソフトウェアの組合せが持つ重要な特性 (スタンドアローンモード)。 > 自動車開発のプロセスでは、解析のほかに管理された状態で実施されるスティミュレーションも必要であるため、ソフトウェア/ハードウェアのいずれのレベルでもパケットジェネレーターは重要になります。これまでの測定構成の説明から、Ethernetネットワークの解析ではハードウェア/ソフトウェアに多様な要件が求められることが分かります。測定構成ごとにインターフェイスを変更する手間を省くため、インターフェイスはTAPやコンバーター、そしてその他の機能を備えたスイッチとして、臨機応変に使用できなければなりません。これには、以下のような特性が求められます。 > ごく単純にインターフェイスをTAPとして使用する場合は、そのTAP自身に起因する遅延時間が非常に小さく、またそれを精密に特定できること。 > ハードウェアインターフェイスとシミュレーションソフトウェアの連携により、1つ、さらには複数の仮想ネットワークノードに実メディアでアクセスできること (残りのバスシミュレーション)。 > 解析/シミュレーションツールを使用し、対象とするOSI ネットワーク層とプロトコルレベルのすべてで、データの解析と操作が実行できること。 > 一般的に使用されているバスシステムとインターフェイスを同期させ、異なる複数の通信ネットワークに対応できること。 IT通信分野で使われる高性能の解析ツールに外部メディアコンバーターを併用する方法は、多くの場合、過度に単純化されています。ここに挙げた要求は、専用のハードウェアを解析/シミュレーションソフトウェアと綿密に連携させて初めて実現できます。現場ですでに使われている組合せの1つが、ベクターが提供するEthernet/CANインターフェイスのVN5610と、開発ツールの CANoe.IPです。このソリューションは、すでに一部の自動車メーカーやサプライヤーに使用されています。展望今後 5 年から10 年の間、車載ネットワークとして異なる複数のネットワークが、引き続き既存のバスシステムの集合体として構成されていくことでしょう。カメラを用いたアプリケーションに続いて、Ethernet はシステムの他の分野に使われるほか、ある程度は他のバスシステムに置き換わっていくことが考えら図4： Ethernet/CANインターフェイスのVN5610はCANoe.IP/ CANalyzer.IPと連携し、パッシブ/アクティブにEthernet ネットワークの通信に加わります。柔軟な構成により、解析およびテストを目的とする多様な測定構成に対応します。れます。Ethernetや IP の技術がバックボーンに採用されれば、以後は自動車の他のアプリケーション分野へとその使用は拡大していくはずです。車載ネットワークの開発者にとって、マルチバス機能、残りのバスシミュレーション、全データパケットに対する高精度なタイムスタンプといった機能は、今後も重要度を増していくことでしょう。 April 2013 4 Technical Article ベクターはEthernetおよびIP分野における次の開発ステップとして、すべてのIPプロトコル層のシグナル表現 (図1) でユーザーを支援すること、そしてAVBやSOME/IPなどを介したサービス指向型のリアルタイム通信を包括的に検証できるようにすることを目指しています。参考文献： [1] OPEN Alliance SIG, http://www.opensig.org/ [2] Das IP-basierte Bordnetz kommt [“The IP-based on-board electrical system is coming”], Elmar Frickenstein, BMW AG, SEIS Status seminar, 2011-20-09, http://www.strategiekreis-elektromobilitaet.de [3] Ethernet und IP im Kraftfahrzeug: Neue Anforderungen an das Entwick lungswerkzeug durch den Ethernet- und IP-Einsatz [“Ethernet and IP in motor vehicles: New development tool requirements for the use of Ethernet and IP”], Hans-Werner.Schaal, Elektronik automotive, April 2012 [4] Herausforderungen von Ethernet-Debugging [“Challenges of Ethernet debugging”], Helge Zinner, www.elektroniknet.de, October 2012 [5] ISO CD 17215-1 (E) of 2012-07-02 [6] Schnelle Wege zur Restbussimulation: Virtuelle Netzwerke ohne Programmier-Know-how erstellen [“Quick paths to remaining bus simu lation: Creating virtual networks without requiring programming know how”], Stefan Albrecht and Peter Decker, Automobil Elektronik, March 2012 執筆者： Hans-Werner Schaal Vector Informatik GmbHの事業開発マネージャーとして、IPとCar2x、さらにJ1939、 ISO11783などのCANベース) のプロトコル分野を担当。提供元：見出し画像/図1 ∼ 4：Vector Informatik GmbH Matthias Schwedt リンク：ベクターのIP/Ethernetソリューション http://vector.com/vj_ip_ethernet_solutions_jp.html Vector Informatik GmbH で Ethernet 、 FlexRay、MOST150のネットワークインターフェイス用FPGAの開発に携わる一方、VN56xx のEthernetネットワークインターフェイスファミリー全体のプロジェクトリーダーも担当。ベクター･ジャパン http://www.vector-japan.co.jp ■ 本件に関するお問い合わせ先ベクター・ジャパン株式会社営業部（東京） TEL：03-5769-6980 FAX：03-5769-6975 （名古屋）TEL：052-238-5020 FAX：052-238-5077 E-Mail：[email protected] April 2013 5