车载以太网可靠性排行榜：AI汽车时代关键挑战

汽车产业正经历从软件定义汽车（SDV）向AI定义汽车（AIDV）的深刻转型。这一跨越并非单纯的技术迭代，而是对车载网络可靠性与安全性提出了本质性升级。传感器数据能否在毫秒级精准送达目标节点，成为决定系统成败的核心。

多模态传感器融合离不开车载以太网对时间敏感网络（TSN）与媒体访问控制安全协议（MACsec）的深度整合。摄像头、激光雷达、毫米波雷达、4D成像、超声波、热成像等多元感知数据，最终需汇入AI模型、AI智能体或大语言模型，再结合基于语音的人机交互界面（HMI）协同执行决策。

Arm汽车业务高级副总裁兼总经理Dipti Vachani这样阐述变革本质：“AI定义汽车是一种复杂的AI汽车形态，模型同时部署在云端和车端，AI能力渗透到自动驾驶、车载信息娱乐、车辆控制等每一层。它在保留软件定义汽车全部要求的基础上，叠加了更高阶的AI与计算需求，随之而来的软件规模增长将是前所未有的。”

AI深度融入车辆带来的关键优势是情境感知能力。Vachani举例说明：“车辆不仅对摄像头捕捉的前方路况做出反应，还能识别当前驾驶环境——是高速公路还是市区？在市区行驶时是否需调整策略？这就是情境感知。我们已经看到ADAS系统和车载娱乐系统中落地这一能力。当车辆逐步具备自动驾驶能力后，用户对车内空间与信息娱乐体验的期待也随之升级。我们已有客户将大语言模型部署到车内，你可以对车说‘上班路上想买杯星巴克’，系统就会自动下单完成。”

目前并非所有整车厂都会立即布局AIDV，但趋势已经明朗：语音交互正快速成为主流界面，成熟度持续提升，远超过去仅能播放音乐或打开地图的语音助手。

Synaptics物联网与边缘处理器业务副总裁兼总经理John Weil指出：“部分高端车型已搭载相当可观的计算能力，语音体验通过OTA软件升级不断优化。在支持更新的车型上，语音功能已可与Google Voice、Apple CarPlay等对接，但相比最新边缘AI MCU的嵌入式物联网能力，仍显笨拙。”

当机械性能不再是整车厂的唯一差异化竞争点，AI与语音能力的战略地位愈发突出。Imagination Technologies产品管理高级总监Rob Fisher认为：“差异化竞争正向电池续航和车内体验聚焦。整车厂希望掌控这一领域，强化用户连接，并将品牌印记融入车内环境。但这并不容易实现，这也正是Apple CarPlay和Google Android如此受欢迎的原因。但对整车厂来说，这是一个隐患——他们实际上正在失去与用户的直接接触。”

Fisher补充说：“打造无缝的车内体验——像使用手机一样流畅——需要巨大的投入，也离不开深度思考与资源投入。”

时间敏感网络的关键作用

TSN使车载以太网能够满足传统汽车实时子系统所需的低延迟，同时为AIDV所需的传感器融合与AI处理器同步提供底层支撑。

Imagination的Fisher强调：“真正让车载以太网脱颖而出的正是TSN。它源于早期的AVB（音视频桥接）规范，最初用于大型装置中的音频同步，现已被引入汽车领域，提供服务质量保障与数据必须在指定时间窗口内到达端点的机制。这对于填补CAN总线擅长功能之外的空白至关重要，也是车载以太网得以更广泛普及的关键。”

Rambus硅IP业务开发总监Adiel Bahrouch表示：“TSN已在实现汽车子系统低延迟、同步通信方面充分验证了自身价值。IEEE 802.1AS等标准已在量产车型中部署，行业正推动增强版本以支持区域化架构和集中式计算，快速启动、动态带宽分配和冗余是当前重点攻关方向。”

Keysight EDA汽车与能源事业部SDV解决方案经理Seung-Taek Chang认为：“TSN对车载以太网极为关键，它为刹车、转向等安全关键系统提供了确定性、低时延的通信保障。流量整形与管控有助于合理分配带宽、防止拥塞，公平队列机制确保ADAS等高优先级流量按时送达，同时不影响低优先级服务。这些能力共同构成了以太网可靠替代传统实时协议的基础。”

Synopsys以太网IP产品组合主要产品经理Jon Ames说得更直白：“归根结底，这是关于如何管理芯片内部流量队列的问题。如果你想发送一个数据包，但线路繁忙，就必须等待。TSN就是负责统筹调度这一切的。”

Ames进一步说明TSN对汽车设计人员的实际意义：“你可能希望同时将车门开关或后视摄像头连接到某个节点，也可能将激光雷达系统连接到另一个节点。这些都必须随时正常工作，不能有任何延迟，无论是按下开车门按钮，还是在黑暗中探测行人。”

若缺少TSN，车载以太网将面临数据包丢失的风险。Ames解释道：“当你通过连接到交换机的线路按下开关时，你希望它立即响应。TSN确保信号不会丢失或延迟，这至关重要。如果多个设备同时向交换机发送数据包，再由交换机转发到ECU或计算机，以太网就有可能丢包。一旦丢包，就需要软件层感知并重新发送，这是不可接受的。”

在车辆中，TSN的应用远不止于安全关键系统。Ames表示：“如果要通过线缆传输音频，必须保证音频稳定传输，不能出现断音，视频同理。TSN的核心是流量整形，确保所有数据公平访问传输介质，同时还具备管控功能，可以判断是否应该接收某个数据包。”

在较低速率的车载以太网中，确定性更为关键。Ames指出：“10BASE-T1S在物理层非常轻量，采用单根非屏蔽双绞线，逻辑实现也更简洁。当带宽受限时，TSN对保障可靠连接尤为重要。如果带宽充裕，对TSN功能的依赖就没那么强——数据包一发就到。但在10Mbps速率下，就必须确保数据包能够准时到达。”

Siemens EDA汽车与军航混合物理虚拟系统副总裁David Fritz也认同TSN价值随以太网速率不同而有所差异。他表示：“如果速率达到10Gbps，实际传输流量占总带宽比例很小，仲裁几乎不成问题。只有带宽利用率接近80%时，确定性才会成为瓶颈。如果是太比特以太网，确定性问题根本不需要考虑。”

尽管汽车越来越像移动数据中心，两个行业之间也在相互借鉴，但重要差异依然存在。Cadence设计IP产品营销集团总监William Chen指出：“数据中心SerDes支持100G、200G、400G乃至800G、1.6T等超高速以太网，但车规级SerDes通常不会被数据中心交换机或网卡采用。两者设计约束存在本质差异——车规采用轻量单对双绞线、非对称链路，与数据中心偏好的光纤或传统铜缆在性能覆盖范围、密度和性能上并不兼容。”

容错与冗余

容错能力是车载以太网可靠性方程中的重要一项。

Infineon Technologies高级应用工程师Benjamin Tan介绍：“我们看到许多整车厂正在采用区域化或环形架构，两者有时可以互换使用。典型方案是在车辆前部和后部各部署两个交换机，中部再设一个中央交换机。如果其中一条路径中断，数据可以从另一条路径绕行。这种容错设计确保即使某根线缆断开，摄像头和传感器的数据仍能正常传输到中央处理单元。”

Tan进一步解释说：“基于IEEE 802.1CB标准的帧复制与消除可靠性机制（FRER）实现了双重冗余容错，确保车辆在启动异常或线缆松动时，数据路径仍能正常到达可能位于车辆前部的中央处理单元。”

车规与数据中心在可靠性要求上也存在差异。Cadence的Chen指出：“数据中心追求极低误码率、高可用性和冗余系统；而汽车零部件必须在恶劣环境下可靠运行，具有不同的故障模式，并需符合ASIL、ISO等车规认证标准。”

Synopsys的Ames还谈到功能安全测试对IP开发的影响：“需要严格遍历IP在各种工作模式下的所有场景，确保不存在任何可能失效的情况。还需要附加IP来提升功能安全性，例如增加寄存器保护机制，确保写入数据不被篡改，并设置冗余寄存器。”

这些严格测试要求带来了更高开发成本。Ames坦言：“冗余功能会增加硅片成本，这在成本敏感的应用场景中是个两难问题。但规模量产将摊薄成本。而且，以太网的优势在于无需从头开发，不管是CAN还是以太网，在IP层面都必须具备同等级别的可靠性和功能安全性。”

Imagination Technologies产品管理总监Matthew Bubis补充道：“现代汽车配备了种类繁多的传感器——各种摄像头、麦克风、激光雷达等，输入源数量庞大，还要叠加大量计算和AI处理。这一切最终要可靠地驱动转向、速度、制动等控制系统，必须在满足所有安全标准的前提下运行，因为一旦出错，将对驾驶员和公众造成严重的安全后果。机器人领域面临的挑战与此高度类似。”

MACsec：守护连接安全与商业利益

车载以太网领域的增量功能主要集中在可靠性方面，但安全性同样不可忽视。

Rambus的Bahrouch指出：“设计人员必须满足安全关键应用的严格安全要求，而这些要求随着威胁形势的变化而持续演进。完整性、真实性、机密性和入侵检测都会带来处理开销，可能增加延迟，并抵消超高速以太网所带来的速度优势。在安全性与确定性性能之间取得平衡，是最棘手的挑战之一。”

Bahrouch还强调，生态系统层面的互操作性和API标准化至关重要：“这确保了安全机制在不同供应商之间得到一致应用，同时不牺牲可扩展性、成本或延迟。IEEE 802.3ch和MACsec（IEEE 802.1AE）等标准正在持续演进以应对上述挑战，但互操作性、硅片集成和成本仍是显著障碍。”

车辆面临的主要攻击入口之一是网络连接。Synopsys产品管理高级总监Dana Neustadter表示：“汽车现在是一个移动网络节点，具备接入互联网或蜂窝网络的网关。攻击者可以从网关切入，进而尝试渗透车辆系统。随着车载以太网的普及，MACsec的部署也随之增加——只有通过身份验证的设备才被允许接入车载网络。”

MACsec能有效降低某类物理攻击的风险。Neustadter进一步解释道：“最脆弱的环节往往是信息娱乐系统或其他车载子系统中防护薄弱的设备，攻击者可能借此植入恶意软件并横向探测网络。这与早年的Jeep入侵事件如出一辙。如今安全性已大幅提升，整车厂、OEM和一级供应商都意识到，提供安全系统是他们的责任和现实需求，因为没有安全，就谈不上功能安全。”

MACsec的另一重要用途是保障OTA软件更新的安全性。Synopsys的Ames表示：“无论是在4S店还是其他场所进行车辆更新，MACsec都可以在连接链路上提供保障。”

此外，MACsec还可防止未经授权的第三方设备接入。Ames补充道：“整车厂最近从另一个角度谈到了MACsec的价值——他们希望通过MACsec管控第三方售后市场，防止任意设备插入车辆网络。非官方的售后配件不仅存在安全隐患，更重要的是会蚕食整车厂的收入来源。”

总结

车载以太网及TSN、MACsec等标准，正在赋能车辆网络设计人员将最新高速协议应用于安全关键系统，这些场景过去一直由CAN总线和其他传统协议所占据。

无论车载以太网最终是否会全面取代其他车载网络协议，它已毫无争议地成为下一代软件定义汽车和AI定义汽车的核心骨干网络。

Arm的Vachani最后总结道：“我们正在软件定义汽车的基础上，向AI定义汽车的下一阶段演进，越来越多的AI工作负载将被部署到车内。整个行业都在思考如何在车内部署更多AI工作负载。没有人在质疑车内AI会不会增加——这是必然发生的，不是‘会不会’的问题，而是‘何时’和‘以何种方式’的问题。讨论的重心已经转向：它将呈现什么面貌、我的品牌代表什么，以及我希望用户在车内如何体验AI。”

Q&A

Q1：AI定义汽车（AIDV）和软件定义汽车（SDV）有什么区别？

软件定义汽车以软件为核心驱动车辆功能，而AI定义汽车在此基础上进一步引入大规模AI工作负载，包括部署在云端和车端的AI模型、AI智能体和大语言模型。AIDV具备更强的情境感知能力，能感知驾驶环境、理解用户意图，并通过语音等自然方式与驾驶员交互，代表了汽车智能化的更高阶段。

Q2：车载以太网中TSN的作用是什么？没有TSN会怎样？

TSN（时间敏感网络）负责对车载以太网中的数据流量进行调度和优先级管理，确保刹车、转向、ADAS等安全关键数据能够在规定时间内准确送达。若缺少TSN，在带宽紧张时极易出现数据包丢失或延迟，需要软件层重新发送，不仅影响实时性，更可能危及行车安全。TSN在低速率网络（如10BASE-T1S）中尤为重要，在高速率网络中重要性相对降低。

Q3：MACsec在汽车网络安全中具体能防御哪些威胁？

MACsec（媒体访问控制安全协议）在以太网链路层提供线速加密、数据完整性验证和身份认证，能有效阻止未经授权的设备接入车载网络。它可防御通过网关入侵车辆系统的外部攻击，保障OTA软件更新的安全性，同时还能阻止非官方售后配件接入车辆网络，帮助整车厂保护商业收益。