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2
u Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
3
Anwendungsbereiche
Einführung
1
2
3
4
5
6
7
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
TSN
4
Einführung 3
u Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
6
Komponenten im Steuergerät (ECU)
Physikalische Schichten
Ethernet
PHY
µC
MIIDigital I/O
MII
MDI
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
7
IEEE 100Base-T1 (ehemals OABR)
Physikalische Schichten
Kodierung/Dekodierung:
u 4B/3B, 3B2T, PAM3
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Master-Slave Verfahren
u Konfiguration im PHY
MASTER
IEEE 100Base-T1
PHY
MDI
SLAVE
IEEE 100Base-T1
PHY
MDI
100 Mbit/s
FULL DUPLEX
ECU 1 ECU 2
UTP: Unshielded Twisted Pair
8
IEEE 1000Base-T1
Physikalische Schichten
MASTER
IEEE 1000Base-T1
PHY
MDI
SLAVE
IEEE 1000Base-T1
PHY
MDI
1000 Mbit/s
FULL DUPLEX
ECU 1 ECU 2
UTP: Unshielded Twisted Pair
Kodierung/Dekodierung:
u 80B/81B, 3B2T, PAM3
u FEC (Vorwärtsfehlerkorrektur)
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Master-Slave Verfahren
u Konfiguration im PHY
9
IEEE 100Base-TX
Physikalische Schichten
100Base-TX
PHY
100Base-TX
PHY
MDI
100 Mbit/s
FULL DUPLEX
ECU 1 ECU 2
MDI
Tx Rx Tx Rx
Kodierung/Dekodierung:
u NRZI, 4B5B, MLT-3
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Jeweiliger Pfad wird von Sender aktiv gehalten
u Kontinuierliche Synchronisation
10
IEEE 1000Base-T
Physikalische Schichten
MASTER
1000Base-T
PHY
SLAVE
1000Base-T
PHY
MDI
1000 Mbit/s
FULL DUPLEX
ECU 1 ECU 2
MDI
Kodierung/Dekodierung:
u 4D-PAM5, 8B1Q4
Taktrückgewinnung/Synchronisation:
u Master-Slave Verfahren
u Rollen können konfiguriert oder ausgehandelt werden
11
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
u IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
12
Eigenschaften
IEEE Ethernet MAC + VLAN
1
2
3
4
5
6
7
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, VLAN
u Detaillierte Unterteilung von Schicht 2:
> LLC: Logical Link ControlRegelt mehrere Verbindungen höherer Schichten
> MAC: Medium Access ControlStellt die o.g. Grundfunktionen zur Verfügung
13
Switch
MAC
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 (Teilnehmer) und VLAN (Domäne)
IEEE Ethernet MAC + VLAN
14
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
u Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
15
Einführung
Internet Protocol (IPv4/IPv6)
1
2
3
4
5
6
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC
+ VLAN
IPv4/IPv6
Internet Protocol
v4/v6
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
17
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
u TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
18
Einführung
TCP und UDP
1
2
3
4
5
6
7
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
20
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
u DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
21
DoIP: Diagnostics over IP
DoIP
1
2
3
4
5
6
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC +
VLAN
IPv4/IPv6
TCP/UDP
DoIP
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
22
Diagnose Tester
DoIP
GW Door
Roof Seat
CAN
Tester
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)
23
Diagnose Gateway
DoIP
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
24
Beispiel: Diagnose Request/Response
DoIP
GW Door
Roof Seat
CAN
Tester
Tester
Diagnose
Request
1. Diagnose Request
Tester sendet Request
GW bestätigt mit ACK
- Diagnose Service:
z.B. ReadDataByIdentifer
- Logische Adresse ECU:
z.B. Door = 0x205
GW Door
2. ECU Mapping
GW sendet Request an ECU
ECU antwortet mit Response
- Logische Adresse ECU:z.B. 0x205 = Door
- CAN Botschaften:
z.B. 0x600 = Request
z.B. 0x601 = Response
Diagnose
Response
3. Diagnose Response
GW sendet Response
- Diagnose Service:
z.B. Positive Response
- Logische Adresse ECU:
z.B. Door = 0x205
25
0x0601
Diagnose Gateway für paralleles Re-programmieren
DoIP
Parallel re-programmierte Steuergeräte
0x0550
0x0501
0x0403
0x0402
0x0401
0x0551
0x0302
0x03010x0350
0x03030x0352
0x0351
FlexRay CAN CAN LIN
Diagnostics Gateway0x0200
Tester0x0E00
Ethernet
26
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
u Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
27
1
2
3
4
5
6
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC +
VLAN
IPv4/IPv6
TCP/UDP
Signal/PDU
Signal-oriented
Communication
Signal-orientierte Kommunikation (Signal/PDU)
Signal/PDU
u Anwendungsbereiche:
> 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
28
Datenaustausch über Ethernet Backbone
Signal/PDU
Central Gateway
ECU 10
ECU 9
ECU 8
ECU 7
ECU 6
ECU 11
ECU 4
ECU 3GW E
ECU 5
ECU 2
ECU 1
ECU 12
FlexRay CAN CAN LIN
GW A GW B GW C GW D
Ethernet
1 2 3 4
Datenaustausch über Ethernet Backbone
29
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
PDU
Header
Frame (z. B. UDP packet)
Header Header
30
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
u SOME/IP 31
TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
31
1
2
3
4
5
6
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC +
VLAN
IPv4/IPv6
TCP/UDP
SOME/IP
Service-oriented
Communication
SOME/IP: Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP
SOME/IP
u Anwendungsbereiche:
> 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
32
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
33
Service-orientierte Kommunikation
SOME/IP
Offer service
Call method (Request)
Get return values (Response)
Subscribe Event Group
Notifications
SC
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)
34
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
35
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
u TSN 36
Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
36
1
2
3
4
5
6
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC +
VLAN
TSN
Audio/Video
Time Sync
TSN: Time Sensitive Networking (ehemals AVB)
TSN
u Anwendungsbereiche:
> 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
37
TSN-Domain, Endpunkte, Talker, Listener, Bridge
TSN
ListenerEndpoint
TalkerEndpoint
Bridge/Switch
Ethernet LAN
TSN-Domain
38
Protokoll Stack im Talker, Bridge & Listener
TSN
PTP
AVAppl.
AVTP PTP SRP PTP SRP
AVAppl.
AVTPAVTP
Ethernet EthernetEthernet EthernetEthernet
SRP
Talker Bridge Listener
FQTSSFQTSS
39
Protokoll Stack und Spezifikationen
TSN
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
2
6
5
4
3
7
Ethernet PHY
Ethernet MAC +VLAN
PTP SRP
Audio/VideoApplication
FQTSS
AVTP
40
Einführung 3
Physikalische Schichten 5
IEEE Ethernet MAC + VLAN 12
Internet Protocol (IPv4/IPv6) 15
TCP und UDP 18
DoIP 21
Signal/PDU 27
SOME/IP 31
TSN 36
u Zusammenfassung und Ausblick 41
Agenda
41
Anwendungsbereiche
Zusammenfassung und Ausblick
1
2
3
4
5
6
7
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
TSN
42 © 2017. Vector Informatik GmbH. All rights reserved. Any distribution or copying is subject to prior written approval by Vector. V1.0 | 2017-10-23
Author:Bossert, JanVector Informatik GmbH
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