Ethernet im Automobil- Teil 1

Die Entwicklung in der Automobilindustrie

Die Automobilindustrie als spezieller Zweig der Industrie, der sich ausschließlich der Entwicklung und Verbesserung von Automobilen widmet, entstand bereits im Jahr 1885 im Zuge der Erfindung des ersten Automobils durch Carl Benz. Einen Aufschwung erlebte die Automobilindustrie insbesondere durch die Entwicklung der Massenproduktion von Kraftfahrzeugen. Dieser wurde besonders vorangetrieben von Henry Ford und Ransom Eli Olds. Der Aufschwung hält bis heute an und ist gekennzeichnet durch eine stetige Weiterentwicklung in den Bereichen Leistung, Effizienz, Technik und Intelligenz. Ein wichtiger neuer Bereich ist die Umweltfreundlichkeit von Fahrzeugen. Jeder Fahrer eines modernen Fahrzeugs kann dadurch heute auf eine Vielzahl von unterstützenden Systemen zurückgreifen. Dazu gehören zum Beispiel Komponenten wie die Antriebsschlupfregelung (ASR), das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) und die sogenannte X-by-Wire-Technologie. Die X-by-wire-Technologie erlaubt die Übertragung von Steuerungs- und Regelungsbefehlen seitens des Fahrers über Datenleitungen, statt die herkömmliche Übertragung über mechanische Komponenten zu nutzen. Eine weitere Entwicklung in Bezug auf das Automobil ist auch im Bereich der Kommunikations- und Unterhaltungstechnologie zu erkennen: noch Ende der 1970er Jahre war für die Inhaber eines Automobils der Luxus eines Radios der Höhepunkt der Technik. Heutzutage werden in einem einzigen Fahrzeug bis zu 70 Steuerungselemente verbaut, die Radio, Telekommunikation, Navigationssysteme und andere Anwendungen ermöglichen. Jedes Fahrzeug stellt somit ein komplexes Echtzeitsystem dar, an dem eine oft fast unüberschaubare Vielzahl an Steuerungselementen und Sensoren beteiligt ist.

Für verschiedene Anwendungsbereiche im Automobil werden dabei unterschiedliche Bussysteme verwendet. Diese werden wiederum über sogenannte Gateways miteinander verbunden, die die Nachrichten einzelner Bussysteme übersetzen können und so die notwendige Kommunikation der Bussysteme untereinander gewährleisten. Hier liegt das Ziel der Forschung im Moment darin, eine Bustechnologie zu entwickeln, die für alle Anwendungsbereiche im Fahrzeug einsetzbar ist. Das würde sowohl Kosten als auch verfahrenstechnischen Aufwand sparen. Es wird zudem zwischen solchen Bussystemen unterschieden, die nur der fahrzeuginternen Kommunikation dienen und solchen Bussystemen, die dazu genutzt werden, dass das Fahrzeug mit seiner Umwelt intelligent interagieren kann. Zu den typischen Bussystemen der ersten Kategorie gehören zum Beispiel CAN-Busse und Flexray-Busse, die beide der Kommunikation zwischen einzelnen Steuerungselementen dienen, LIN-Busse, die Aktoren (das sind ausführende Elemente) und Sensoren (das sind Elemente, die eine Veränderung registrieren und an eine zentrale Schaltstelle oder an die zuständigen Aktoren Rückmeldung über diese geben) miteinander verbinden oder MOST-Bussysteme, die vorwiegend für Audio-, Video, Sprach- und Radioanwendungen genutzt werden.

Ethernet

Ethernet ist eine inzwischen überall verbreitete Technologie, die Software- und Hardwarekomponenten für kabelgebundene Datennetze definiert. Ethernet war ursprünglich nur entwickelt worden für lokale Datennetze und wird deshalb auch heute noch als LAN-Technik bezeichnet. Das traditionelle Ethernet erstreckt sich daher auch nur über maximal ein Gebäude. Es ermöglicht den koordinierten Datenaustausch in Form von sogenannten Datenpaketen zwischen den Komponenten, die in ein lokales Netzwerk integriert sind. Die Ethernet-Protokolle definieren dabei einerseits die spezifischen Hardwarekomponenten, wie zum Beispiel Stecker, Leitungen, Verteiler und Netzwerkkarten und andererseits auch die benötigten Softwarekomponenten. Dazu gehören zum Beispiel die Übertragungsformen wie das Format der Datenpakete und die Bitübertragung.

Vorteile von Ethernet als Systembus

Da Ethernet seit 1990 zur am weitesten verbreiteten LAN-Technik wurde und sogar Systeme wie den Token Ring fast vollständig verdrängt hat, sind die Kosten für Ethernet erheblich gesunken. Ein weiterer Vorteil des Ethernets liegt darin, dass die Kommunikation vom Übertragungsmedium entkoppelt wurde. Das bedeutet, dass bei Ethernet sowohl die Datenübertragung über Kupferkabel - d.h. elektrische Kabel- als auch über Lichtwellenleiter – oder optische Kabel- möglich ist. Beide Kabelarten sind jeweils für spezifische Anforderungen optimal. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Ethernet liegt darin begründet, dass bereits eine große Anzahl von Standard-Ethernet-Protokollen definiert ist und diese in vielen verschiedenen Bereichen einsetzbar sind. Sie ermöglichen einerseits eine Reduzierung der Kosten andererseits aber auch die Einbindung von herstellerfremden Systemen in ein schon bestehendes System. Durch die weite Verbreitung des Ethernets stehen zudem eine Vielzahl von qualifizierten, speziell ausgebildeten Fachkräften zur Verfügung sowie eine Auswahl an verschiedenen Diagnose- und Entwicklungswerkzeugen, sogenannten Ethernet-Tools. Die technische Unterstützung bei der Verwendung von Ethernet als Systembus übersteigt als die bei der Verwendung von spezifischen Bussystemen wie dem MOST-Bus oder dem LIN-Bus beträchtlich. Wie viele Hersteller und Zulieferer derzeit an der Ethernet-Entwicklung beteiligt sind, ist nicht bekannt. Die große Mehrheit dieser Gruppen ist an einer Entwicklung beteiligt, die die bis jetzt noch übliche Trennung zwischen sicherheitskritischen und sicherheitsunkritischen Übertragungen überwinden soll.

Probleme von Ethernet als Systembus

Das größte Problem, dass sich den Anwendern von Ethernet in der Automobilbranche bietet, ist die Tatsache, dass das klassische Ethernet nicht echtzeitfähig ist. Echtzeitfähigkeit bedeutet, dass eine nahezu verzögerungsfreie Übertragung von Daten zwischen einzelnen Komponenten möglich ist. Systeme, die die Echtzeitübertragung gewährleisten, müssen laut Definition über Zykluszeiten von weniger als zehn Millisekunden verfügen. Beim klassischen Ethernet werden die Teilnehmer des Netzwerks nicht synchronisiert. Daher kommt es zu Kollisionen von Datenpaketen in den jeweiligen Knoten. Das wiederum bedingt Verzögerungen im Übertragungsprozess, da die Datenübertragung in einem solchen Fall zunächst komplett abgebrochen wird und erst nach Verstreichen einer teilnehmerspezifischen Latenzzeit erneut versucht wird.[Derzeitige Forschung ist also auf die Entwicklung eines speziell an die Automobilindustrie angepassten Systems, das echtzeitfähige Übertragung auf der Basis des Ethernets ermöglicht, ausgerichtet.