automotive ethernet training_jp

(株) 日本イントリピッド・コントロール・システムズ

TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp

車載Ethernet入門

株式会社

日本イントリピッド・コントロール・システムズ

1

Ver. 20140905

http://intrepidcs.jp/



目次

序章：クルマはEthernetへ

第一章：第１層～物理層～

第二章：第２層～データリンク層～

第三章：第３層～ネットワーク層～

第四章：第４層～トランスポート層～

第五章：Audio Visual Bridging概観

2




目次


1.1. 車載ネットワーク概観

1.2. 車載Ethernetとは

1.3. BroadR-Reachとは






3





その他一般のネットワークと同様、

単にデータをやりとりするコンピュータの集まり。

しかし・・・

4

Data




車載製品に求められる条件


車載機器家電

製品特性品質・信頼性が最重要。15年もし

くはそれ以上の寿命を期待

消費者にとって最新かつリッチな機

能を、最速で提供

保守購入後に壊れた場合、修理・交換

が可能であることが必須

購入数年で壊れた場合、そのまま捨

てられることも多い

開発白紙からの開発は殆どなく、実績

のある既存製品から積み上げる形

で開始

白紙状態から新製品を開始すること

もある

寿命 11.4年(乗用車の平均年齢＠米国) ～5年

5





冬＠デトロイト夏＠デトロイト

過酷な環境下での稼働

雪、塵、油、泥、水、、、＠ - 40～125ºC





2014/08＠ICS本社周辺

7





パワーマネジメント＆スリープ機能

電力浪費＝燃費、バッテリー上がりに直結






車載ネットワークの開発背景

9

• 電子機器を通じた機能充実要求(80’～)

• 搭載ECU数の増大

• ECU間通信の増大(当初はPoint-to-Point)

• 配線＆コネクタの複雑化・巨大化

燃費＆加速性能＆コストに悪影響

製造&組立＆保守に難

車内空間圧迫

ECU

BCM

TCU

インパネ





~90’：各社固有の規格を利用

10

ゼネラル・モーターズ - Class 2

クライスラー - CCD(Chrysler Collision Detection)

フォード - SCP(Standard Corporate Protocol)

トヨタ - BEAN(Body Electronic Area Network)

90’～：Boschの開発したCANが業界標準へ 1983 Bosch内部にて開発開始

1986 公式発表＠米国SAE

1987 初のCANコントローラ出荷

1992 メルセデスベンツに採用

1993 ISO11898として国際標準化

1998 ダイムラー＆クライスラーの合併等により米国にも普及




1.1.1. CAN概観

11

ECU

BCM

TCU

インパネ

ECU

BCM

TCU

インパネ

CAN

適用

それまでの通信方式に比べて・・・

ローコスト 2線、国際標準化に伴う大量生産効果

高速最大1Mbps

高ノイズ耐性＆高信頼性エラー検出機能等

取り扱い容易ノードの追加/削除を、他のノードに影響を与える

ことなく実現




1.1.2. CAN-FD概観

12

CAN CAN-FD

最高通信速度 1Mbps 8Mbps

最大ペイロード 8バイト 64バイト

CANでは不足となりつつある近年の

通信量増大に対応すべく、2012年にBoschが発表

CAN-FDのメリット≒CANのメリットローコスト 2線のみ、国際標準化に伴う大量生産効果

高速最大8Mbps

高ノイズ耐性＆高信頼性エラー検出機能等

取り扱い容易ノードの追加/削除を、他のノードに影響を与える

ことなく実現

※CAN-FDはCANに対する後方互換性なし。即ち従来のCANノードはCAN-FDネットワーク上では使用不可




1.1.3. LIN概観

13

メリットデメリット

・CANより廉価：１線のみ、UART利用

・データエラー検出、ノード障害検出

・遅延保証

・低速：19.2Kbps@40m

・最大１６ノードまで

出典：CVEL




1.1.4. FlexRay概観

14


・最大10Mbpsの高速通信

・高信頼性(2つの冗長なデータチャネル確保)

・高精度のメッセージ遅延制御

・複数のトポロジ対応

(バス型/スター型/ハイブリッド型)

・ネットワーク全体をあらかじめ

設計・固定しておく必要あり

・高コスト




1.1.5. MOST概観

15


・最大150Mbpsの高速通信

・プラグ＆プレイ：デバイスの自己認識

及び自動初期化機能

・光ファイバ利用による軽量化＆被ノイ

ズ耐性＆ゼロノイズ放射

・1箇所の故障で全体がダウン

(開発・評価ツールもリングの一部な

ので、ツールの誤動作でもダウン)

・光ファイバは高価＆曲げにくい





16

車載Ethernetへの関心の高まり…





17

IEEE 802.3 100BASE-TX

Ethernet

BroadR-Reach

Ethernet

Reduced Pair Gigabit

Ethernet

～2014 2014~ 2020～

100Mbps 100Mbps 1Gbps

・診断

・ECUフラッシュ

・ドライバアシスト

・インフォテイメント

・ネットワークバックボーン

2014 BMW X5 SUV

駐車補助システムに採用

(EE Timesより)

“車載Ethernet”の種類と動向





18

利用例1：DoIP(Ethernet経由での診断)





19

利用例2：XCP on Ethernet

ETHERNET



TEL:045-263-9294 / http://intrepidcs.jp 20


利用例3：ドライバアシスト

(Broadcom社資料より)





利用例4：インフォテイメント

(1394 Trade Association発表資料より)





利用例5：車載ネットワークバックボーン

(NXP社資料より)





23

802.1 ネットワークブリッジ

802.3 Ethernet

802.11 WiFi

802.15 Bluetooth

主な802ファミリ 802.3がクルマ用に

改良され、

車載Ethernet規格

BroadR-Reachへ

802.3 BroadR-Reach

(Broadcom社発表資料)

IEEE 802とBroadR-Reachの関係





24

コスト＆重量・4組から1組のツイストペアへ(8線⇨2線)

・シールドなし

パワーマネジメント・低消費電力&スリープモード対応

過酷な環境下での動作・車載向け認証取得(AEC-Q100等)

EMC(電磁両立性) ・カーラジオ周波数帯におけるノイズ放射を軽減

・インジェクタ等からのノイズ耐性

802.3と比較したBroadR-Reachの主な改善点

FMラジオ70～100MHｚ帯

における電磁放射低減

(Broadcom社資料より)




802.3 EthernetとBroadR-Reachの層構造比較

25

802.3 MAC

(データリンク層)

802.3

PHY

BroadR

PHY

MII MII

ネットワーク層

共通

部分

固有

部分

*MII:Media Independent Interface

すなわち

物理層より上層のあらゆる既存の

Ethernet HW/SW

を再利用可能！

・あらゆるTCP/IP関連規格

・あらゆるMACコントローラ

・IP技術に携わるあらゆる人間

を車載へ！





BroadR-Reachは、CAN等の代替として

車載ネットワークの決定版になりうるか?

26





答えはNO (Ethernet Tech Dayより)

27





LIN

CAN

FlexRay

MOST

1 2 5 10

１ノードあたりの相対コスト

データレート

[bps]

20K

1M

10M

25M

100M

150M

CAN-FD

BroadR-Reach

BroadR-Reachの位置付け





BroadR-Reach MOST

オープン性プロプライエタリ(Broadcom)

※上位プロトコルは一般標準

(TCP/IP, AVB, …)

プロプライエタリ

(SMSC)

速度 100Mbps/ポート

※将来的には1Gbpsも

150Mbps/ネットワーク

累積チップ出荷数 120M個(～2020年予想) 数M個

サプライヤ複数(Broadcom, NXP, Renesas…) SMSC

実装・運用コスト低：

・普遍的なプロトコル利用

・オープンソース活用

・豊富な人的資源

・複数チップサプライヤ

高：

・限られたツール

・限られた技術者

Ethernet(BroadR-Reach)とMOST比較





車載Ethernet規格BroadR-Reachの策定・普及に特化した団体。

電気電子全般を扱う米国の標準化団体。ネットワーク分野では

Ethernetやブリッジ等、物理層周りの規格が有名

IEEEでは扱わない、物理層よりも上のプロトコルを策定。

例：RFC 791(IP), 768(UDP), 793(TCP)

幅広い分野を扱う国際標準化団体。品質管理・診断規格が特に有

名。自動車向けではISO13400として、Ethernet経由での診断手法

を策定(※)

ECU評価に用いるデータフォーマット等の標準化を推進。XCP on

Ethernetとして、Ethernet経由でのECU評価手法を策定(※)

ECU用ソフトウェアの標準化を推進。

車載に特化したEthernetプロトコルスタック等を策定

※標準のIEEE 802.3 Ethernet利用(BroadR-Reachではない)

関連団体




目次







31




第１層～物理層～

階層主な役割例

７：アプリケーション層

６：プレゼンテーション層

５：セッション層

・ユーザインタフェース

・データエンコード/デコード

・ユーザ認証

HTTP

FTP

SMTP

４：トランスポート層・プログラム間通信

・データ転送保証

TCP

UDP

３：ネットワーク層・異なるネットワーク間通信

(ルーティング)

IPv4

IPv6

２：データリンク層・同一ネットワーク内通信

・エラー検出

Ethernet

CAN

１：物理層・隣接ノード間ビット転送

・機械的 / 電気的仕様策定

Ethernet

CAN




OSI参照モデル

参考：ネットワークの”層”とは？

33

ヘッダ

ユーザデータ

物理層

データリンク層

ネットワーク層

トランスポート層

アプリケーション層プレゼンテーション層セッション層

隣接ノード間通信

同一ネットワーク内ノード通信

・MACアドレス

・スイッチ

異なるネットワーク間ノード通信

・IPアドレス

・ルータ

アプリケーション間通信

・ポート番号

WAN

WAN




参考：ネットワークの”層”とは？

Q. OSI参照モデルの目的は？なぜ“層”に区切る？

A. 通信プロトコルの開発・改良の簡単化。本モデルに則って開発すれば、他の

層の既存のプロトコルの改変等を行う必要がない。またユーザにとっては使

用プロトコルの差替も容易

Q. OSI参照モデルの実際は？

A. モデルが複雑すぎることもあり、HTTPやTCP/IP等既存のプロトコルの多くは

、本モデルには基づかない。但し、モデルの概念自体は有用なのでよく引用され

る(例：「このプロトコルはレイヤ２相当」、「レイヤ３で障害が発生」、レイ

ヤ1/2/3デバイス(ハブ/スイッチ/ルータ)等)

Q. 各層の実体は？

A. 殆どの場合パケット中のヘッダ情報。これを駆使することで各層の機能を実現

Q. 車載ネットワークプロトコルをOSI参照モデルに当てはめると？

A. 例えばCAN/LINは、通信の機械的・電気的仕様及び同一ネットワーク内のノ

ード間通信を定め、かつ異なるネットワーク間での通信には関知しないので

、物理層かつデータリンク層に対応すると考えられる

34




Ethernet物理層概観

35

同心10BASE2 (現在ほぼ未使用)

10Mbs、1線、半二重通信

100BASE-TX Ethernet

100Mbs、ツイストペアx2組(4線)、全二重通信

ギガビットEthernet

1Gbs、ツイストペアx4組(8線)、全二重通信

BroadR-Reach

100Mbps、ツイストペアx1組(2線)、全二重通信

従来型

Ethernet

車載

Ethernet


http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&docid=NDuuvkqnMmnjSM&tbnid=ZsPfIrWdyEnFNM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.thefoa.org/tech/ref/premises/coax.html&ei=Q9sQU5zJIqiMyQGdhoHACg&bvm=bv.62286460,d.aWc&psig=AFQjCNFkBbOlIUaNpOB50SH6yO5Pk1JBvw&ust=1393700027413292



ギガビットEthernetのバス状態

36

-0.5

0

0.5

-1

1

V

t

8ナノ秒＝バス周波数62.5MHz ＝125Mシンボル /秒

PAM5

1シンボルで5通りの情報伝達

4通り分 :２ビットのデータ伝達 1通り分 :エラー訂正用

(125Mシンボル /秒 ) ＊ (2ビット /シンボル ) * 4組 = 1ギガビット /秒




BroadR-Reachのバス状態

37

0

-1

1

V

t

15ナノ秒＝バス周波数33.3MHz ＝66.7Mシンボル /秒

PAM3

1シンボルで3通りの情報伝達

2シンボルで9通り 8通り分 :3ビットのデータ伝達 1通り分 :データ転送終了記号

(66.7Mシンボル /秒 ) ＊ (3ビット /2シンボル ) * 1組 = 100Mビット /秒




Ethernetケーブル上には何が見える？

Q. CAN/LINと同じ様に、ケーブルにオシロをあてれ

ばEthernetフレームが見える？？

A. 見えることは見えるが、その理解/デコードは極

めて困難。なぜなら・・・

38

BroadR-Reachは同一線上での全二重通信を実現。即ち２ノードが互いに同時に送信し、信号が重なっていることがある各ノードのPHYのみが、両者を切り分けることが可能

(自分が何を送信したのか知っているので)

スクランブル処理により、最終的にケーブル上に見えるシンボル(電圧)

の並びはランダムにみえるさらにActive Idle方式のため、フレーム皆無の状態でも常に、一見ランダムなシンボルが流れ続けている




Power Over Ethernet機能

39

BroadR-Reach

でも利用可!

出典:Panasonic社資料

電源用配線を簡単化コスト＆重量削減に貢献

対応チップBCM59105 4ポート、最大電力5W/ポート、最長500m

家電におけるPoE利用例




ネットワークトポロジ

40

スイッチポート1個：ノード1個対応各ペアが、それぞれ独立して100Mbpsを実現

CAN等とは異なり、フレーム間の衝突は発生しない

スター型

出典:Continental社資料




目次







41




第２層～データリンク層～







・ユーザ認証

HTTP

FTP

SMTP



TCP

UDP



IPv4

IPv6


・エラー検出

Ethernet

CAN



Ethernet

CAN




Ethernetフレーム

Ethernetネットワーク上におけるデータ輸送の基本単位

• MACアドレス：世界中の各ノードが持つ一意なアドレス(６バイト

≒280兆個)

• ブロードキャスト：送信先がFF:FF:FF:FF:FF:FFなら全ノードに同時送信

• マルチキャスト：先頭バイトのLSBが1なら特定のノードグループに同時送信

• ユニキャスト：先頭バイトのLSBが0なら特定のノード単体に送信

• EtherType：上位層プロトコルを指定(IPv4なら0x0800)

• CRC：フレーム全体に対するエラー検出。エラーならフレーム廃棄(

エラー回復はTCP等の上位プロトコルで行う)

43

送信先アドレス 06:05:04:03:02:01

送信元アドレス

01:02:03:04:05:06

EtherType 0x0800 データ 46-1500バイト

CRC ４バイト

ヘッダ




Ethernetフレーム(802.1Qオプション付き)

44

送信先アドレス 06:05:04:03:02:01


01:02:03:04:05:06


CRC ４バイト

802.1Qタグ 4バイト

802.1Qタグ(VLANタグ)

スイッチ内部にて利用。

単一Ethernetネットワークの仮想的な分割、

またフレーム転送の優先順位制御を行う。

AVB等のプロトコルが使用




スイッチとは

45

ヘッドユニット

360°カメラ後部座席

ディスプレイ

スピーカー

スイッチ

LAN内ノード間の中継機器

各ノードの直接の接続先

所属する層：レイヤ２

Ethernetフレームヘッダのみを

モニタ、その上のIP等には関知

しない(ルーティングはレイヤ３

機器即ちルータの仕事)

スイッチ vs ハブ

ハブは受け取ったフレームを単

純に全ポートに送信するのみだ

が、スイッチは必要なノードの

みに伝達(スイッチング)

ポート0

1 2 3




スイッチの動作

46



ディスプレイ

スピーカー

スイッチ

ポート0

1 2 3

１．カメラがディスプレイ宛にフレーム送信

２．スイッチはポート１にてフレーム受信

３．スイッチはフレーム内部の送信先MAC確認

４．スイッチはそのMACがポート２に対応することを、

MACアドレステーブルから確認

５．スイッチはフレームをポート２へと送信

６．ディスプレイがフレーム受信

１．任意のフレーム受信時、その送信元MAC及び受信ポ

ートを逐次記録

２．適当な時間が経てば自動的にテーブルが完成

(自分から全く送信しないノードは、通常存在しない)

※送信先MACがテーブルに未だ登録されていない場合は、

とりあえずブロードキャストしてフレーム伝達

カメラ→ディスプレイへとフレーム送信する場合

MACアドレステーブルの構築方法




スイッチの動作

47



ディスプレイ

スピーカー

スイッチ

ポート0

1 2 3

バッファリング

受信したフレームを一時的に溜め

込むことで、バンド幅の異なるポ

ート間の通信実現(100M/1G/…)

複数ポートから同時にフレーム送

受信可能ネットワークの事実上の帯域幅が増大

(右図では200Mbps)

VLANタグによるフレーム優先度制御

IP電話やAVB等リアルタイム性の

高いアプリケーションで利用

エラーフレームの廃棄(CRCエラー)

100Mbps 100Mbps




スイッチの動作：デバッグツールとしての利用

２ノード間の通信をモニタしたい・・・

スイッチの空きポートが利用できそう。しかしスイッチ

は通常、目的のノードにしかフレームを流さない

スイッチのポートミラーリング機能を利用

あるポート上の通信内容を、別のポート上へコピーして出力

48

しかし・・・

もしスイッチがミラーリング未対応だったら？

スイッチに自動的に廃棄されるエラーフレームも観たい場合は？

そもそも空きポートが無ければ？




ソリューション：ネットワークタップ

49

タップ

モニタPC

任意の２点間にタップを挟むことで、エラーフレームも含

めたトラフィックの解析が可能に

ビットレベルでトラフィックをコピーするだけなので、レ

イヤ１機器といえる




当社製BroadR-Reach対応タップ：RAD-STAR

50

マイクロ秒以下の遅延で、BroadR-Reach通信を標準

Ethernetへとコピー

２ノード間の、各方向の通信をそれぞれ分離して観測可能

PCからの任意のフレーム送信も可能

ノードA→B

トラフィック

ノードB→A

トラフィック

ノードA ノードB

BroadR-Reach

10/100 Ethernet

RAD-STAR




デモ：Vehicle SpyによるEthernetフレームモニタ

51




目次







52




第３層～ネットワーク層～







・ユーザ認証

HTTP

FTP

SMTP



TCP

UDP



IPv4

IPv6


・エラー検出

Ethernet

CAN



Ethernet

CAN


Internet Protocol (1/4)

• RFC 791にて定義(IPv4) • IPパケットフォーマット＆IPアドレス

• ゲートウェイ(ルータ)の動作

• IPアドレス：ノード識別用の一意な番号

（株）日本イントリピッド・コントロール・システムズ

231-0015 横浜市中区尾上町5-80 神奈川産業振興センター７階3号室

TEL:045-263-9294 FAX:045-263-9296 URL:http://intrepidcs.jp/

MACアドレス IPアドレス

利用範囲第２層、同一ネットワーク内通信第３層、異なるネットワーク間

通信

一意性世界で一意、ノードに刻印され不変世界で一意、だがノードへの

割当は動的に変更可能

割振方法ランダム

(ネットワーク機器ベンダ依存)

ノードの所在特定を容易にする

階層的割当

比喩住民票コード電話番号

MACアドレスとIPアドレスはどちらも一意、何が違うのか？




MACアドレス

00 FC 70 01 02 03

ベンダID ランダム数値

IPアドレス

202 232 86 11

アジア太平洋

(APNIC)

日本

(JPNIC)

IIJ

(ISP)

首相

官邸

電話番号

81 045 263 9294

日本横浜市通信事業者

番号

当社

オフィス

住民票コード

01234567890

ランダム数値

身近な例に基づくMACアドレスとIPアドレスの構造比較

位置情報を一切含まないので、MACアドレスのみで

世界のどこかにあるノードを特定・通信することは極めて困難 (LAN内であればOK)

世界のあらゆるネットワーク上のノードを特定する上で有用な階層構造を形成




送信先アドレス 06:05:04:03:02:01


01:02:03:04:05:06


CRC ４バイト


IPパケット構造


IPパケット

ヘッダ部

データ部





IPヘッダ構造

管理情報

(特にIP特有

ではない)

バージョン IPv4なら4で固定

ヘッダ長/全長 IPヘッダ長/IPパケット全体の長さ

プロトコル次の上位層プロトコルを指定(TCP等)

チェックサム IPヘッダの誤り検出用

拡張情報通常は未使用

ルーティング

情報(IP固有)

サービス種別パケットの転送優先順位

識別子/フラグ/断片位置パケットの分割・復元制御

生存時間パケットの生存時間(最大許容ホップ数)

送信元/宛先アドレス送信元、送信先のIPアドレス




デモ：Vehicle SpyによるIPパケットモニタ

58




議論：IPルーティング技術(ルータ)は

車両内のノード間通信で必要？

現状ではNo

しかしIPパケットは必要！

XCP/診断/動画転送で用いるTCP/UDP等の

上位プロトコルが、IPを前提とするため

59

なぜなら車載では・・・

ごく限られたノード数(将来的にも多くて～100)

限られた物理的距離(LANケーブルで全て届く)

もし特定のノード群を別ネットワークに隔離したいときは、スイッチ

付属のVLAN機能が使える

極力余計なデバイスを増やしたくない(コスト増、伝達遅延増)




補足：IP on 非Ethernet

“層”の理解を深める上で、ある層のプロトコルを

別のプロトコルに置き換えて考えてみると有用

60

IP

TCP/UDP

トークンリング SONET RFC1149規格!

？




目次







62




第４層～トランスポート層～







・ユーザ認証

HTTP

FTP

SMTP



TCP

UDP



IPv4

IPv6


・エラー検出

Ethernet

CAN



Ethernet

CAN




UDP / TCP概観

• ポート導入によりプログラム間通信を実現 • 有名なポート：FTP = 20, HTTP = 80

• 車載では、単一ECU上で、診断用/XCP用/ECU間通信プロ

グラム用にそれぞれポートを割り振るなど

UDP TCP

特徴コネクションレス型通信

・相手先応答確認なし

・データ到着確認なし

・データ到着順保証なし

コネクション型通信

・相手先応答確認

・データ到着確認

・データ到着順保証

・フロー/輻輳制御

メリット単純、高速高信頼性

デメリット低信頼性複雑、低速

例 VoIP、ビデオ会議ファイル転送、ウェブ閲覧

UDPとTCPの比較




User Datagram Protocol

UDPヘッダ構造

送信元ポート番号宛先からの応答を受け付けるため、適当な番号を指定。

応答不要の場合はゼロ

宛先ポート番号宛先のポート番号。ウェブサーバプログラム宛なら80、

FTPサーバプログラムなら20など

データ長ヘッダ＋データの長さ

チェックサムヘッダ＋データの誤り検出

IPパケットのデータ先頭部に以下を付加

送信元ポート番号

データ長

宛先ポート番号

チェックサム




信頼性よりもリアルタイム性重視

• 車載カメラ

• 衝突回避、駐車補助、レーン逸脱回避、ドラレコ

• XCP on Ethernet

• エンジン制御など、高速で変化するデータの観測

• UDP/TCP双方サポート

66

車載におけるUDP利用例




デモ：Vehicle SpyによるUDPモニタ

67




Transmission Control Protocol

送信元/送信先ポート送信元/送信先のポート番号(UDPと同様)

シーケンス番号/確認応答番号送受信セグメントの抜け漏れ防止及び順序管理

フラグ SYN/ACK＆FIN/RST：通信確立＆終了時に利用

PSH/URG：直ちに送受信処理したいデータ用

NS/CWR/ECE：輻輳制御用

ウィンドウサイズ ACKを待たずに、連続して送信可能なデータ量

ヘッダ長/チェックサム TCPヘッダの長さ / ヘッダ＋データ誤り検出用

TCPヘッダ構造

送信元ポート送信先ポート

シーケンス番号

確認応答番号

ヘッダ

長

ウィンドウサイズ

チェックサム緊急ポインタ

オプション




Transmission Control Protocol

SYN=1

ACK=1, SYN=1

ACK=1

1. 通信確立


100バイト

ACK=1

2. データ転送

500バイト

ACK=1

300バイト

ACK=1

FIN=1

3. 通信終了

ACK=1

FIN=1

ACK=1

TCP通信フロー




リアルタイム性よりも信頼性重視

• XCP on Ethernet

• ECUフラッシュ

• DoIP

• ディーラーや工場における車両診断

• ECUフラッシュ

• UDP/TCP双方サポート

70

車載におけるTCP利用例




デモ：Vehicle SpyによるTCPモニタ

71




vs

よくあるご質問：Vehicle SpyでTCP/IPトラフィックを観ら

れるのはわかったが、Wiresharkとどう違うのか？

72

Vehicle Spy(＋当社製HW) Wireshark

Ethernetエラーフレーム

(CRCエラー)

検出及び保存可検出不可(スイッチ等

に捨てられてしまう)

車載プロトコル(CAN/LIN/…)

との同時解析・キャプチャ

可不可

データベース作成・保存機能有無

フレームのタイムスタンプ高精度(物理層からフレーム

取得直後にスタンプ)

低精度(OSを経由し

てからスタンプ)

フレーム作成・送信可不可

トラフィック表示モードスタティック/スクロールスクロールのみ




目次







背景

AVnuとは

AVB規格紹介

AVBの今後

73




背景

A/Vストリーム再生における要件

1. 複数ストリームの正確な同期・再生

左右のスピーカから音がずれて聞こえる(音声ストリー

ムx2の同期失敗)、歌手の口と歌が合っていない(音声

ストリーム＆動画ストリームの同期失敗)などは論外

2. ストリーム転送の遅延が少なくかつ決定論的

再生ボタンを押してからの反応が遅い、反応時間にブ

レがある、時々動画が止まる等(特に車載カメラでは問

題)

74




背景

75

従来型A/V転送形式

１．Point-to-Point、接続機器が増えれば配線量も膨大に

２．プロプライエタリ、高価

３．家庭/プロ/車載用など分野ごとにバラバラの規格

HD-SDI(動画)

S/PDIF(音声)

Ethernetを使えば万事解決？

LVDS(動画)




背景

76

しかし標準のEthernetでは・・・

１．いつフレームが相手に届くか不明(スイッチ由来の遅延等)

２．プログラム(ストリーム)の使えるバンド幅不定、パケット損失も有

３．各ノードを時間同期する仕組みの欠如

１．タイミング保証：802.1Qav

２．ストリーム予約：802.1Qat

３．クロック同期：802.1AS

４．AVBシステム全体：802.1BA

規格追加

まとめて “AVB”




AVB規格の属する層は？

77

Ethernet MAC(Ethernetフレーム)

Ethernet PHY

802.1AS

(gPTP)

802.1Qat

(SRP)

802.1Qav

(FQTSS)

IEEE 1722

IEEE 1722.1

アプリケーション

第２層即ち・・・

LAN内限定

物理層は標準Ethernet

でもBroadR-Reach

でもOK

出典：Harman International(一部改変)

gPTP: generalized Precision Time Protocol, SRP: Stream Reservation Protocol

FQTSS: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams




AVBシステム全体像

78

出典：Avnu資料改変

A/Vストリーム経路

上に１つでもAVB非

対応のノードがある

とNG




AVB利用例

79

出典：Avnu

車載カメラ (ドラレコ/死角/駐車補助)

インフォテイメント (動画＆音声/携帯との連携)




AVB用語集

80

Talker A/Vストリームの送信元ノード

・DVDプレーヤ、マイク

Listener A/Vストリームの送信先ノード

・スピーカ、LCDディスプレイ

Endpoint TalkerまたはListenerとなるノード

Bridge 一般的なスイッチと同義 “Either a MAC Bridge, as specified in Clause 5 of IEEE Std 802.1D-2004, or a VLAN-

aware Bridge, as specified in Clause 5 of IEEE Std 802.1Q-2005.”(802.1AS-2011より)

A/Vストリーム１つのTalkerから、１つまたは複数のListenerに対す

るA/Vデータの流れ

・車載カメラ⇨LCDディスプレイx1

・CDプレーヤ⇨スピーカx2




目次







背景

AVnuとは

AVB規格紹介

AVBの今後

81




AVnu Alliance (アヴニュー)

IEEE AVB規格と市場の橋渡し役

AVBデバイスの試験・認証、各種技術情報提供

82




AVnu認証済み製品

83

Summit 440 / Extreme Networks

世界初のAVBブリッジ

2013/12認証

DCi 8|600ND / Harman

世界初のAVBエンドポイント

(プロ向けオーディオアンプ)

2014/06認証

車載向け製品は未だなし

(2014/09現在)




目次







背景

AVnuとは

AVB規格紹介

AVBの今後

84




802.1AS: generalized Precision Time Protocol

85

エンドポイント

(グランドマスタ)

ブリッジブリッジ


(スレーブ)


(スレーブ)


(スレーブ)

ネットワーク経由での

A/V再生には各ノードの

正確な時刻同期が必須

gPTP

誤差1us以下の高精度同期実現

背景





86





(スレーブ)


(スレーブ)


(スレーブ)

gPTP動作フロー

０．ネットワーク接続確立

１．各ノードが802.1AS対応であ

ることを確認

２．ノード間伝播遅延時間算出

３．グランドマスタ選出

４．グランドマスタが全ノードに

マスタクロック情報送信、各ス

レーブは伝達遅延を考慮して自

クロック補正





隣接ノード間伝播遅延算出の基本原理

t1

t4

t2

t3

Pdelay_Req

Pdelay_Resp

(t2,t3伝達)

１．ノードAは伝播遅延時間の算出

を要求するメッセージPdelay_Reqを

送信

２．ノードBはPdelay_Respメッセー

ジを返信(返信時刻t3及びPdelay_Req

の受信時刻t2を同梱)

３．ノードAは取得した(t1,t2,t3,t4)に

基づき片道の遅延時間Dを算出

D

D


片道遅延D = ((t4 – t1) – (t3 – t2)) / 2





より正確な”t3”取得のために・・・

t1

t4

t2

t3

Pdelay_Req

Pdelay_Resp

(t2伝達) t3はひとまず記録しておき、

別のメッセージに載せて改めて送信

(Follow Upメッセージ)

D

D


Pdelay_Resp_Follow_Up

(t3伝達)

送信フレームの中に、そのフレーム

自身の正確な送信時間t3を入れるこ

とは困難

(フレーム送信開始と同時に定まるt3

を、どうフレーム内に入れる？？)





ノード間伝播遅延算出トラフィック例

t1

t4

t2

t3

Pdelay_Req

Pdelay_Resp

(t2伝達)

Pdelay_Resp_Follow_Up

(t3伝達)

片道遅延D =

((4.225169-4.225168) –

(13874.651720–13874.651689))/2

≒ 15us





グランドマスタによるクロック同期機構

90





(スレーブ) エンドポイント

(スレーブ)


(スレーブ)

Sync

Sync

Sync Sync

グランドマスタの時刻を載せた

Syncメッセージを、全ノードに

周期的に送信(デフォルト125ms)。

各スレーブはマスタ時刻＆伝達遅延時間

に基づき自分の時刻を補正。

Sync





グランドマスタのSyncメッセージトラフィック例

91

Sync(とFollow Up)メッセージが125msごと

にグランドマスタよりマルチキャスト

ここでも実際には、Follow Upメッセージが

Syncの正確な送信時間を伝達





92

パケット構造

Ethernetフレームのデータ部に格納

gPTPヘッダ

gPTPデータ

(Follow Upメッセージの場合(messageType=2))




802.1Qat: Stream Reservation Protocol

安定したA/V再生のため、各ストリームが

その経路上(Talker→Listener)において一定のバンド幅を確保

93

出展：AVnu

Talker

Listener

ブリッジ





①Talkerが、確保したいバンド幅を含むAdvertise(告知)メッセージを

Listenerに向けて送信

②経路上のブリッジは、自ポートの利用可能

バンド幅を確認。OKなら次のブリッジに

そのままメッセージを転送

(NGならTalker failedメッセージ転送)

③ListenerはAdvertise受信後、Listener

ReadyメッセージをTalkerへと送り返す

④TalkerはReadyメッセージ受信後、

ストリーム送信開始

※その後Talker/ListenerはAdvertise/Readyを

を周期的に送信し合い、通信状態を維持

94

SRPの動作フロー

①

② ②

②

②

③





95

送信先 MACアドレス

送信元 MACアドレス

EtherType 0x22EA データ 46-1500バイト

CRC ４バイト


802.1Qatパケット

ProtocolVersion Message EndMark Message ・・・・・・・・

AttibuteType (Advertise等) AttributeLength AttributeListLength

AttributeList (Stream ID等)

パケット構造





802.1Qav: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams

もし各Talkerのフレーム送信間隔に重大なムラがある場合、タイミング次

第ではブリッジにて輻輳が発生しうる (例えば複数Talkerが”10Mbps”を確保

しておいて、0.9秒間待機、次の0.1秒にて10Mビットを１つのブリッジへと

一気に放出)

フレーム損失、不安定なフレーム遅延によるA/V品質の劣化

FQTSS Talker及びブリッジの送信フレーム間隔を125us単位で平滑化(Class Aの場合)

フレームがListenerに届くまで、７ホップで最悪2msの遅延を保証

125usのうちA/Vストリームは93.75us(75%)、制御信号等の非A/Vデータ

は31.25us(25%)確保

SRPによってバンド幅を確保したとはいっても・・・





TalkerがA/Vストリームx1を送信する場合のTalker内部動作例

※Avnu.org資料を改変

125us

非A/Vフレーム

あるA/V

ストリーム

のキュー

送信中

フレーム

このキューの

クレジット値

時間

ルール概要

✔クレジット初期値０

✔クレジット≧0ならA/Vフレーム送信

✔ A/Vフレーム送信中はクレジット減少

、待機中は上昇

(それぞれ傾きsendSlope, idleSlope)

Credit-based Faire Queuing：クレジット値に基づくキューイング

A/Vフレームが

キュー入り A/Vフレームが

キュー入り

クレジット≧0なので

A/Vフレーム送信クレジット≧0なので

A/Vフレーム送信クレジット≧0なので

A/Vフレーム送信

非A/Vフレーム送信完了

後、クレジット≧0なの

で直ちにA/Vフレーム送

信開始





FQTSSパケット定義：なし

・なぜならFQTSSは、与えられたパケットをいかにムラなく送信

するか、というデバイス内部の動作を定めるプロトコル。送り出

すパケット内容自体の定義は行わない。

Ethernetトラフィック解析の観点からすると・・・

・各A/Vストリームのパケットが約125us周期となっていれば、

FQTSSが”みえている”といえる(Class Bなら250us)




AVBの上位プロトコル

これまでのプロトコルの組み合わせで、A/V用の安定したデータ転送が可能に

では実際のA/Vデータをどうフレームに詰める？

どうAVB対応デバイスを発見・制御する？

99

Ethernet MAC(Ethernetフレーム)

Ethernet PHY

802.1AS

(gPTP)

802.1Qat

(SRP)

802.1Qav

(FQTSS)

IEEE 1722.1

IEEE 1722





IEEE 1722: AVB Transport Protocol

• 各種A/V形式のEthernetフレームへのカプセル化

• MPEG2-TS(動画+音声) / AM824(音声) / MIDI等

• A/Vストリーム同期機構

100

Talker ブリッジ

1

Listener

(左スピーカ)

Listener

(右スピーカ)

プレゼンテーション時刻の利用により、

例えばパケット到達時刻の異なる

左スピーカ/右スピーカの同期再生を実現

ブリッジ

2

ブリッジ

3

ブリッジ

5

ブリッジ

6

ブリッジ

4





プレゼンテーション時刻

＝各Listenerが、Talkerから受け取ったA/Vパケットを

再生する共通時刻

＝Talkerからのパケット送信時における共通時刻＋2ms ※共通時刻＝gPTPにより確立されたグランドマスタ時刻

※SRP+FQTSSにより７ホップで最悪2msの遅延保証

Talker (音楽プレーヤ)

ブリッジ

1

Listener

(左スピーカ)

Listener

(右スピーカ)

ブリッジ

2

ブリッジ

3

ブリッジ

5

ブリッジ

6

ブリッジ

4

①今の時刻の遅くとも2ms後にはこの

パケットが行き渡ってるだろう・・

(パケット送信)

②パケットが着いたけど、

まだプレゼン時刻までは

だいぶ間があるので待機

③ぎりぎりでパケット

到着、すぐに再生！





102

出典：Harman International

標準のEthernetヘッダ

AVTPパケット

パケット構造






パケットヘッダ及びデータ部分

103

A/Vストリーム

共通データ構造

AVTP共通ヘッダ

avtp_timestamp (プレゼンテーション時刻)




IEEE 1722.1 : Audio Video Discovery, Enumeration,

Connection management, and Control for AVTP devices

1722対応A/Vデバイスの管理用プロトコル

• Talker/Listener、両者を管理する”Controller”の３者を定義

• Controllerは物理的に別のノードでも良いし、Talkerまたは

Listenerが二役をこなしてもよい

104

1. デバイス検出

AVDECC Discovery Protocol

2. デバイス接続状態管理

AVDECC Connection Management Protocol

3. デバイス機能検出＆制御

AVDECC Enumeration and Control Protocol

AVDECCを構成するプロトコル






１．AVDECC Discovery Protocol

ネットワーク上の1722対応ノードを検出

• 各ノードは、ENTITY_AVAILABLEメッセージを

周期的(デフォルト約15秒)に送信し自身を告知

• ENTITY_DISCOVERメッセージを、ネットワーク上の

全ノードまたは特定ノードに送信することで

ENTITY_AVAILABLEメッセージを直ちに送信させる

ことも可能

105






106

IEEE 1722 AVTPパケット

のデータ部にパケット格納

１．AVDECC Discovery Protocol

ADPパケット






２．AVDECC Connection Management Protocol

Talker⇔Listener間の接続・切断を管理

• ノード間でのコマンド送信→応答による制御

• ListenerがTalkerにCONNECT_TX_CONNECT送信、

Talkerから無事RESPONSEを受け取れば接続完了 (Fast Connectモード。Controllerを介した接続方法もある)

107







ACMPコマンド一覧

108







ACMPパケット

109 109








３．AVDECC Enumeration and Control Protocol

1722対応ノードの各種機能やA/Vフォーマットの検出・設定

• Controllerからのコマンド送信→ノードからの応答

• 動画フォーマットの取得/設定

(アスペクト比、フレームサイズ等)

• サンプリングレートの取得/設定

• ミキサー情報の取得/設定

• ストリーミングの開始/停止

110







AECPコマンド一覧

111

ファームウェア書換等に利用

AECPの主要コマンド





AEM_COMMANDコード抜粋(計74個)

112









AECPパケット

113






まとめ

Ethernet MAC

Ethernet PHY

802.1Qav:パケット転送間隔制御

IEEE 1722.1:A/Vデバイス制御

IEEE 1722:A/Vパケット転送




Ethernet MAC

Ethernet PHY

802.1Qav:パケット転送間隔制御

IEEE 1722.1:A/Vデバイス制御

IEEE 1722:A/Vパケット転送





IEEE P1722A

IEEE 1722の機能を拡張

115

2014/09現在、

標準化進行中！

車載プロトコルサポート：CAN, LIN, FlexRay

新たなA/V形式サポート：H.264, MJPEG, …

ネットワーク障害検出、データ暗号化、…




補足：AVBにおけるオーディオ

ストリームのバンド幅計算ウェブアプリ

abc.statusbar.com

116

条件を入力

して計算




目次







背景

AVnuとは

AVB規格紹介

AVBの今後

117




AVBの今後

これまで観てきたAVBは実は”初代AVB”(AVB Gen 1)

用途はA/Vにほぼ限定

118

AVB Gen 2

自動車制御”も”実現すべく、

更なる超低遅延・高信頼性を追求

P802.1ASbt：802.1ASの強化

P802.1Qbv：802.1Qavの強化

P802.1Qbu：パケットの割込(新機能)

→100us@５ホップ等を目標(2015年仕様完成？)




AVBの今後：Ethernetの採用拡大予想

119

MOST置換

FlexRay置換

現在

中期

長期出典：Avnu




デモ：当社BroadR-Reach製品による

Ethernetネットワーク構成＆解析

120


automotive ethernet training_jp

Automotive