出行洞察：车载以太网未来已来
01
核心观点
数据传输需求快速增长催化 E/E 架构变革。
由于车内 ADAS 及大量的传感器的数量提升，智能汽车迎来了从分布式向域集中式过渡阶段，从全车 100 余 ECU 到 5 个 DCU，控制功能迅速集中。在域集中式汽车架构设计中，域控制器处于需要强大的计算能力、超高的实时性能以及大量的通信外设。因此，大量的高速传输需求，带来了车载网络通讯的变革，我们认为以太网将成为域间控制器网络的网络骨干介质，并用于代替现有串行网络（如 MOST 和 FlexRay），未来高速总线将以以太网为主。
当前产业链以海外供应商为主，国产化替代空间较大。
车载以太网上游产业链主要包括芯片和处理器部分，大多为海外厂商供应。随着国产化需求的逐步提升，以及华为、百度等巨头对汽车行业的加码，国内厂商未来有望占据一席之地。例如，裕太车通和景略半导体均已在 2019 年成功研发出车载以太网 PHY 芯片，并已进入量产阶段，打破了海外芯片巨头公司在芯片领域的垄断。
以太网以新型网络的姿态介入汽车网络当然无法一蹴而就，在短期内是无法取代现有的车载网络，因此以太网在进入汽车网络时考虑分阶段、从子系统开始逐步深入，并最终整合汽车网络的演进过程。
第一阶段：子系统级别，单独在某个子系统使用以太网，这一阶段的衍生产品目前已经在整车上实施，如基于DoIP标准的OBD诊断设备；或已有示例应用，如使用 IP摄像头的驾驶辅助系统；
第二阶段：架构级别，将几个子系统功能整合，形成一个拥有功能集合的小系统；
第三阶段：域级别，以太网为车载网络骨干，集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶，真正形成一个域级别的汽车网络。
02
市场分析
// 全球及中国车载以太网市场规模预测
车载以太网网络架构主要包括网关、交换机、域控制器、连接器、双绞线缆等，各个域控制器均通过车载以太网总线连接网关的交换机，车载以太网交换机用于实现各个域控制器之间的信息交互，网关将通讯协议转换后的执行请求通过交换机转发给域控制器，实现各个域控制器之间信号的高效交互。
根据测算 2020 年单车车载以太网节点约为 6 个，随着域控制器需求的增加预计 2025 年提升至 13 个，2030 年提升至 17-20 个，节点数对应交换机需求数量，另外单车配备一个中央网关。从车载以太网的渗透率来看，我们预计2020 年渗透率约为10%，考虑到自动驾驶对车载以太网的需求方面，我们认为到 2030 年 L3 级别以上的自动驾驶车辆将以车载以太网技术为主，渗透率有望达到 50%。依照以上假设测算，我们预计 2030 年全球车载以太网上游网关和交换机市场规模约为 426 亿元，较 2020 年的 10 亿元增长超过 40 倍。
// 市场的驱动因素及趋势
▎应用驱动：
以太网的通用技术
就目前采用的车载网络技术，都是难以与外部设备及网络服务连接的封闭标准。究其原因，目前占主流的车载网络标准CAN、LIN及FlexRay，以及面向媒体的系统传输标准MOST等都具有浓重的“汽车行业”色彩，导致其应用的局限性，反之以太网是一种简单、成熟的开放标准，基于以太网的应用都极大地降低了应用成本。
高层应用对带宽的迫切需求
从功能性的角度，车载子系统增加，不同的子系统之间对共享数据的需求越来越多；另外随着摄像头分辨率的提升，显示需求大量增加，传统车载网络在带宽上面临巨大挑战，目前主导车载网络标准的CAN和FlexRay无疑将遭遇发展的瓶颈，在这方面最有竞争力的是MOST。MOST总线目前最大带宽为150 Mb/s，但MOST常用架构为多个设备共享带宽。与 MOST相比，以太网可以采用更为灵活的星形连接架构，使得每一条链路都可以专享 100 Mb/s 甚至更高的带宽。
以太网的开放性和互联扩展优势
伴随不断增长的ADAS的复杂性，行业内需求一种简化和标准化的方法。对于车载网络，以太网提供的先决条件就是这种整体性的办法，是适合作为主干网络连接各个应用领域，特别是需求更高带宽的应用。由于以太网的灵活性及可扩展的带宽，远程信息处理和多媒体娱乐系统、基于IP的WEB应用程序与车载网络的接口过渡变得平滑，车辆与外部世界的交互将会更加频繁。
// 产业链图谱
当前车载以太网产业链以海外供应商为主，国产化替代空间较大。上游产业链主要包括芯片和处理器部分，大多为海外厂商供应。随着国产化需求的逐步提升，以及华为、百度等巨头对汽车行业的加码，国内厂商未来有望占据一席之地。例如，裕太车通和景略半导体均已在 2019 年成功研发出车载以太网 PHY 芯片，并已进入量产阶段，打破了海外芯片巨头公司在芯片领域的垄断。
中国企业和startups主要参与车载以太网中下游产业链，中游主体为软件协议栈供应商，下游为系统供应商、整车厂及测试提供商。从全产业链分析，行业由国际企业占据领先优势，国内企业在芯片、处理器、软件等多个领域均处于落后地位，仍处于追赶阶段。
// 细分领域市场潜力分析
车载以太网具有大带宽、低时延等优势，是满足自动驾驶算力和数据传输需求的核心技术。车载以太网起源于汽车新四化快速发展，即汽车电动化、网联化、智能化、共享化需求提升，使得带有网络接口的 ECU 大幅提升，传统 CAN、LIN、以及 FlexRay 等车载网络技术在数据传输时延和传输带宽限制等问题凸显。
从2021年当前时间点来看，自动驾驶是驱动车载以太网渗透率提升的核心要素。主要原因是 ADAS、激光雷达、智能视觉安全应用、V2X 等应用带来算力和数据吞吐速率大幅提升。根据 LeadLeo 2020 年 7 月发布的数据来看，自动驾驶每提升一级，算力将呈现指数级增长，且高清摄像头和雷达传感器等对于数据吞吐速率的要求亦进一步提升。车载以太网可利用不同的方式传输车辆数据，既可以是网络接口，也可以是在 1Gbps 下运行的高速低延迟传感器或无线连接，满足了自动驾驶技术演进对于数据带宽和传输时延的高要求。
// 细分领域的分类
车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术，与传统以太网使用4对非屏蔽双绞线电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s，甚至1Gbit/s的传输速率，同时还满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。
车载以太网是车载以太网的协议分层：车载以太网协议是一组多个不同层次上的协议簇，但是通常是被认为是一个四层协议系统。
最基本的协议：TCP/IP,简称网络通信协议，是车载以太网的最基本的协议，是由一系列的交互方式工作的协议所组成，是当前广泛应用于技术按及的通信协议。网络层和传输层被认为是TCP/IP的核心协议：用户数据报协议(UDP)、传输数据协议（TCP）和互联网协议（IP）。
应用层（Layer5-7）：是用户与网络的交互界面，负责处理网络特定细节，覆盖OSI的参考模型的第五层到第七层，应用层可为用户提供多种应用协议，如HTTP、SMTP和FTP等。
传输层（Layer4）:主要任务是促进互联网络终端的通信，为多台主机上的应用程序提供端到端的通信。涉及到的协议是：用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）。
网络层（Layer3）：包括IP协议、ICMP协议以及PGMP协议。
数据链路层（Layer2）：MAC 层采用IEEE 802.3 的接口标准，无需做任何适配即可支持广泛使用的高层网络协议（如TCP/IP）。
物理层（Layer1）：采用了博通公司的BroadRReach 技术，BroadR-Reach 的物理层（PHY）技术已经由单线对以太网联盟（One- pair Ethernet Alliance，OPEN）标准化，因此有时也称车载以太网为Broad RReach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。
03
技术分析
// 技术迭代分析—数据链路层MAC
数据链路层中主要发展的技术为TSN时间敏感网络，以太网是一种非确定性的网络系统，本身没有应对实时关键数据传输问题的解决方案，为解决在车内音视频数据的传输路径上存在多个交换器节点时面临的多流并发困。
TSN消除了传统以太网由于多流并发导致的不确定性，对于具有关键时间约束的应用尤为重要，目前TSN的发展已经可满足汽车对可预测延迟和带宽持续增长的需求。
TSN交换实现机制可前向兼容目前标准的以太网，在现有民用以太网交换芯片多数逻辑保持不变的情况下，只需增加时间同步和输出接口整型逻辑即可实现TSN交换，技术发展前景更佳。
目前能够解决汽车领域以太网对实时关键数据传输问题的主要有两种方法，一是TSN技术（时间出发以太网首次由Kopetz等人提出的、由TTTech公司开发的一种基于802.3以太网之上的汽车或工业领域的实时通信候选网络，已经通过美国汽车工程师学会（SAE）的标准化（SAEAS6802）；二是TTEthernet技术（TTEthernet允许实时的时间触发通信与低优先级的事件触发通信共存，使以太网具备满足高安全等级的系统要求的同时，依然可承担对实时性要求不过分严格但仍然有高带宽传输需求的场景。
TTEthernet技术建立在以透明时钟+步固化函数+压缩函数的底层技术基础上，通过IEEE以太网802.3再到上层的协议控制架构。可将其以公式形式表达：TTEthernet=Ethernet+时钟同步+时间触发通信+速率受约传输+保证传输。
// 技术迭代分析—PHY物理层
车载以太网的物理层应用了博通公司的BroadR-Reach技术（由OPEN联盟推动）。BroadR-Reach提供标准以太网的MAC层接口，因而能使用与其他以太网类型相同的数据链路层逻辑及帧格式，并能通过与其他以太网类型相同的方式运行高层协议与软件，在技术上具有以下三点优势。
共享媒介：物理双全功接口支持一条链路上的两个车载以太网节点在同一对双绞线上同时传输和接受数据，使得100BASE-T1可降低车辆的整体线缆重量，从而降低材料成本、提高燃料效率。
回声消除：100BASE-T1物理系统集成了混合系统，使用回声消除来去除自身的发射信号，并从链路伙伴处提取接收到的信息，使各以太网节点能够区分发送和接受的数据。
低成本高速率：BroadR-Reach利用两组编码和信令方法将MAC层100Mb/s的数据转换成66Mbaud/s的三元信号，可使100Mb/s的数据速率能够在较低的范围内实现，从而使得BroadR-Reach以较低的布线成本实现高数据速率。
物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。PHY（Physical Layer，物理层）是IEEE802.3中定义的一个标准模块，STA（station management entity，管理实体，通常为MAC或CPU）经过SMI（Serial Manage Interface）对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动做是经过读写PHY内部的寄存器实现的。
// 技术迭代分析—车载以太网组织
OPEN Alliance（One-Pair EtherNet，OPEN联盟）于2011年由NXP、博通和宝马携手创建，目前已超340位成员。OPEN Alliance是一个非盈利性开放行业联盟，主要由知名汽车主机厂和相关技术供应商组成，目标是将基于以太网的通信广泛应用于汽车网络。OPEN Alliance成立了14个技术委员会（Technical Committees），分别致力于制定和统一IEEE 100BASE-T1、1000BASE-T1 及1000BASE-RH等通信方式的物理层、协议一致性和互操作性等规范；同时，通过制定线束、交换机、ECU和其他功能需求及测试规范，帮助Tier1和汽车制造商完善汽车以太网生态系统。
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会），成立于1980年的IEEE 802.3工作组主要负责定义以太网物理层和数据链路层的介质访问控制（MAC）部分。随着汽车以太网技术的发展，汽车行业已经成为IEEE 802.3的一个新的应用领域，并成立了多个与汽车以太网相关的任务组，负责汽车以太网物理层相关技术的标准化工作。此外，IEEE（802.1工作组）还制定了发展迅速的AVB/TSN技术规范，用于实现数据高可靠、低延迟及同步传输。
AVnu AIIiance成立于2009年，它的使命是推动AVB/TSN相关标准的应用，创建一个开放、安全、低延迟和高度可靠的网络生态系统。AVnu专注于A/V、工业、消费电子和汽车行业，为了保证AVB/TSN互操作性，AVnu联盟专门为相关领域创建了符合市场要求的合规性和互操作性（C&I)测试集。由此可见，IEEE和AVnu的区别很明显：IEEE负责制定AVB/TSN标准，AVnu负责制定系列测试标准来解决AVB/TSN技术在某个领域的应用。
AUTOSAR（AUTomotive Open System Architecture，汽车开放系统架构）联盟致力于为汽车工业制定标准化的软件架构，通过使用统一的软硬件接口实现不同开发商软件模块的兼容性。Classic AUTOSAR从4.0版本开始支持以太网通信，主要包括Ethernet驱动、Ethernet接口、TCP/IP、Socket Adaptor、DoIP、UDPNM、SOME/IP等软件模块。AUTOSAR的以太网相关文档详细定义了以太网通信软件模块的需求、函数接口、配置参数等内容。（注意：这些内容相应的协议本身，还是由IEEE、IETF等标准组织定义。）
04
Startup Mapping
上游：PHY芯片+传输电缆，主要玩家：裕太车通、恩智浦NXP、博通Broadcom、德州仪器。
中游：软件协议+测试，主要玩家：经纬恒润、博世、电装、APTIV、赫千科技。
下游：OEM，主要玩家：奥迪、宝马、奔驰，蔚来、小鹏。
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