Ethernetとは

昨今、｢Ethernet｣というワードをよく耳にしますが、Ethernetとはパソコンなどの機器を有線で接続し、データの送受信を行うための通信規格です。一般的には、オフィスや家庭で使用され、LANを構築し、機器間でインターネットなどのデータ通信を行うために用いられています。このEthernetが、車に搭載されるネットワーク技術の1つとして注目を浴びています。車載ネットワークとして、Ethernetが導入された背景や、規格の概要など幅広くご紹介していきます。

車載Ethernet導入背景

車載ネットワークとしてEthernetが導入された背景には、AD/ADAS、電動化、コネクテッド化といった技術の進化があります。今後、自動車は外部ネットワークと接続されながら、自動運転や電動化がさらに進むと考えられており、それに伴ってECUやセンサー、アクチュエーターなどを接続する車載システムのアーキテクチャーも大きく変わろうとしています。
 
アーキテクチャーの変化により、以下のようなトレンドが進んでいます。
・分散処理から集中処理
・通信データ量の増加
・動的なシステムアップデート  
 
これにより、大量の情報をより速く、それを必要としている相手に届ける手段の必要が出てきたということです。今後、カメラやセンサーから送り出される情報量は、数ギガbpsまで増えるといわれており、現在の車載ネットワークプロトコルの主流であるCANの通信速度では、対応しきれなくなります。   このような背景から、高速かつ大容量の通信が可能な車載Ethernetへの注目が高まっています。

車載ネットワークの位置づけイメージ

車載ネットワークにおいて、Ethernetの利用シーンについて、イメージ図がこちらになります。

図1. Ethernetの位置づけ

Ethernetの位置づけですが、AD/ADASやコネクテッドなどの進化から通信速度が速く、大容量なデータの受け渡しの実現を目指して導入が期待されています。また、従来の通信との比較ですが、車載通信でよく聞くのはCANやLINといったプロトコルだと思います。
 
CANは、信頼性や確実性が高いため、車においてはエンジン、ブレーキといった制御領域を中心に幅広く使われています。車業界以外でも様々な分野で導入されていますが、通信速度は最大1Mbpsであり、映像処理といった大容量データの通信には向きません。
 
LINは、通信速度が最大20kbpsと低速ですが、CANより低いコストで導入ができます。このため、ミラー、ドアロック、パワーウィンドウなどのボディ系の制御によく使われています。
 
このように、CANが最大1Mbps、CAN FDでも最大8Mbpsであることを考えると、Ethernetの通信速度は非常に魅力的といえます。

従来ネットワークとの比較

従来のネットワークとの比較として、CAN、LINと、Ethernetについて比較した内容を表にまとめました。
Ethernetと、CAN、LINを比較した場合、通信速度のほかにも、トポロジー、通信距離、通信方式、ケーブル、特長など、さまざまな点に違いがあり、他の通信と比べて利点が多いことがわかります。

※民生用とも含めたEthernetとして記載
図2. ネットワーク構成の比較

車載Ethernetとは

ここでは、車載で使われているEthernet規格について見ていきましょう。
  
車載Ethernetは、家庭やオフィスで使用している民生用途のEthernetを車載向けに最適化したものになります。民生用途のEthernetの規格として、100BASE-TXがありますが、100BASE-TXを車載にそのまま使用するにはいくつか課題がありました。代表的な課題を以下に記載いたします。
 ・通信ワイヤーのコストが高いこと
・動作温度補償範囲が狭いこと
・ノイズが発生しやすく外部からの干渉を受けやすいこと
・Sleep時の待機電流が大きいこと

これらの課題を解決するために策定された規格が、車載Ethernet規格(100BASE-T1)になります。

民生向けと車載向けのEthernetの違い

車載向けに策定された100BASE-T1と、民生用途の100BASE-TXを比較した際の差分を表に示します。
特長的なところを、いくつかピックアップしてご紹介していきたいと思います。

※1:OPEN Alliance TC10に対応している場合
図3. 民生Ethernetと車載Ethernetの比較

 
まず、通信速度ですが民生用の100BASE-TXと同じ100Mbpsとなっています。次に符号化方式ですが、符号化方式として、民生用途ではMLT3を採用しておりますが、車載用途ではMLT3ではなく、立ち上がり時間やEMIを低減できるPAM3を採用しています。PAM3とは、3値によるパルス振幅変調方式のことです。
 
動作保証範囲については、車載用途の100BASE-T1は車載グレードの-40℃から125℃が規定されています。ケーブル長は、民生用Ethernetと比較して短くなっております。
 
オフィス環境を想定した民生用Ethernetのケーブル長が、100mであるのに対し、車載において過酷な環境下で使用されるため、自動車内の配線スペースやノイズの影響を考慮し、より短い15mでの通信が規定されています。中継コネクターの数も規定されており、最大4個までと定義されています。
 
最後にケーブルについてですが、ケーブルは、民生用Ethernetでは、二本のツイストペアケーブルを規定していますが、車載用途の100BASE-T1は、一本のツイストペアケーブルを規定しています。これにより、ケーブルにかかるコストおよび、ケーブルの重量を大きく削減できます。車載用途として策定された100BASE-T1規格の最大の特長は、1本のツイストペアケーブルで通信できる点にあります。

OSI参照モデルにおけるEthernetの位置づけ

ここまで｢Ethernet｣という言葉を当然のように使用してきましたが、｢Ethernet｣とは何なのでしょうか。
OSI参照モデルを活用して、Ethernet規格の位置づけについて紹介します。

図4. OSI参照モデル

 
OSI参照モデルは、ネットワーク通信を階層的に分けて理解・設計するための枠組みであり、各層がそれぞれ異なる役割を担っています。Ethernetと聞くと一般的にTCP/IPも含まれていると認識している方が多いと思います。しかし、実際はOSI参照レイヤーにおける、第1層の物理層、第2層のデータリンク層この2層がIEEE 802.3で定義されている｢Ethernet｣に該当します。
 
第1層の物理層の役割は、データリンク層から受け取ったデジタルデータを物理的な信号に変換して、伝送媒体（物理媒体･銅線･光ファイバー等）を介して送信を行います。また、その逆の役割を担います。第2層のデータリンク層は、物理層とネットワーク層間に位置し、橋渡し役として正確にデータを伝送するための役割を担っています。

物理層

Ethernetにおける物理層を、Ethernet PHYと呼んでいます。Ethernet PHYは、伝送媒体や伝送速度等の違いで、規格化がされています。100BASE-T1、100BASE-TXがこれにあたります。車載Ethernetでは、100BASE-T1に加え1 Gbpsの1000BASE-T1や、センサー／アクチュエーター領域への適用を想定した10BASE-T1Sなども標準化されています。

図5.Ethernet規格の特長

データリンク層

データリンク層の役割は、物理層とネットワーク層の橋渡し役として、正確にデータを伝送するための役割を担っています。データが目的のデバイスに正確に届くように、データをフレーム化してヘッダー情報（宛先と送信元のMACアドレス等の情報）を付与することで正確なデータ伝送を行います。また、エラー検出を行うことで通信の信頼性を高めます。

図6.Ethernetフレーム

Ethernetフレームのサイズは64バイト~1518バイトであり、Ethernetでは8bitをbyteと呼ばず、オクテットと呼んでいます。　Ethernetフレームフォーマットには「EthernetⅡ規格」と「IEEE802.3規格」があります。上記のフォーマットは「EthernetⅡ規格」であり、プリアンブル、宛先/送信元MACアドレス、タイプ、データ、FCSの5フィードによって構成されています。これらを合わせて「Ethernetヘッダー」といいます。
 
プリアンブルとは、「これからEthernetフレームを送りますよ！」という合図を意味する8バイトの特別なビットパターンです。具体的には「10101010」を7回繰り返した後、「10101011」を付加し、受信端末はEthernetの先頭に付与されている、特別なビットパターンを見てEthernetフレームが届くことをと判断します。
 
次に宛先/送信元MACアドレスです。送信側の端末は、Ethernetフレームを送り届けたい端末のMACアドレスを宛先MACアドレスに、自分のMACアドレスを送信元MACアドレスにセットして、Ethernetフレームを送出します。タイプは、ネットワーク層でどんなプロトコルを使用しているかを表す2バイトのIDです。IPv4であれば「0x0800」、IPv6であれば「0x86DD」と、使用するプロトコルやバージョンなどによって値が決められます。Ethernetペイロードには、IPv4、IPv6、ARPなどの上位プロトコルのデータが格納されます。IP通信の場合は、IPパケットがEthernetペイロードになります。パケット交換方式では、データをそのままの状態で送信するのではなく、送りやすいようにパケットに分割して送信します。
 
最後にFCSです。FCSは、Ethernetフレームが壊れていないかを確認するための4バイトのフィールドです。宛先／送信元MACアドレス、タイプ、データに対しチェックを行い、その結果をFCSとしてフレームの最後に付加し、正しいかを判断します。異なっている場合はEthernetフレームが破損していると判断し、破棄します。

Renesas製品のラインアップについて

Renesas製品にはEthernetが搭載されている製品がございます。車載に使用できるデバイスを用意しておりますので是非弊社へご連絡お願いいたします。

Renesas Electronics 車載 SoC R-Car Family - Renesas - マクニカ

Renesas Electronics 車載用 MCU RH850 ファミリー - Renesas - マクニカ

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