网络的艺术（第四系列）CAN XL和10BASE-T1S--网络领域中两个新角色的Dataline性能--[搬运一篇Renesas的文章]

目录

1. 更高、更快、更远、更慢

2. 10MBit汽车协议

2.1 CAN XL - 更高的速度、更多的有效载荷和附加功能

2.2 10BASE-T1

3. CAN XL和10BASE-T1S的比较 - 赢家是...

3.1 数据报效率

3.2 总线周期效率

4. 结论和展望

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我之前对CAN完全没接触过，只搞以太网的，最近在看BASE-T1相关的测试和TSN的内容，关注到这篇文章，觉得蛮有意思就搬运了下。

1. 更高、更快、更远、更慢

在我们的日常生活、体育、技术发展中，一切都是为了让事情变得更好、更快或者让事情变得更远。我们很难记得，发明比以前慢的东西被当作创新来庆祝，但这正是汽车以太网的情况。

以太网和CAN规范路线图
图1：以太网和CAN规范路线图
第一个100MBit/s和1000MBit/s的版本被开发出来，并成功引入市场，其物理层允许自动协商，以简化系统集成。在上个十年末，开发了一个仅支持10MBit/s的汽车以太网版本，其物理层与100MBit/s和1GBit/s版本不兼容；性能明显下降。

 

回到旧的拓扑结构风格和较低的速度是由OEM要求的，以缩小低速级应用在每个以太网端口成本方面的性能差距。当时的CAN FD支持2MBit/s，并随着时间的推移改进到5MBit/s。围绕着CAN的社区也看到了对更高带宽和更长有效载荷的需求，并开始开发一个改进的CAN标准，称为CAN XL。

在这第一部分中，我们将对CAN XL和10MBit/s以太网做一个简单的概述，它们之间有什么区别。在第二部分中，我们将描述潜在的用例以及对硬件和软件的影响。

2. 10MBit汽车协议

即使CAN XL和10BASE-T1S是在不同的标准化机构中开发的，在业界的广泛支持下，其过程也是基本相同的。

标准开发方案
图2：标准开发方案
CAN XL的技术工作的基础是在CAN in Automation（CiA）中完成的。在稳定了该文件后，它被移交给ISO，以创建一个国际标准。这个过程仍在进行中，预计在2023年完成，届时将有一个被批准的国际标准。CiA将继续作为技术委员会和用户联盟推动CAN标准。

 

以太网规格由IEEE拥有和维护。所有的标准化工作都是在一个工作组内完成的，该工作组创建了2019年的草案，以纳入IEEE 802.3的主要标准中。因为IEEE是一个独立的行业组织，所以OPEN联盟负责为汽车需求扩展规范。为了长期维护开放联盟的规范，ISO也参与其中。

2.1 CAN XL - 更高的速度、更多的有效载荷和附加功能

尽管CAN XL提供了对CAN FD的完全后向兼容性，但其帧格式已被广泛更新。在这篇文章中，我只是要介绍主要的区别，并概述新字段的意图。在后面的文章中，我们将介绍更多的细节，包括比特时间的变化、比特填充和错误信号化规则的更新。

CAN XL遵循CAN FD的概念，有一个低速的仲裁阶段（高达1MBit/s）和一个高速的数据阶段。CAN XL数据阶段的比特时间被规定为高达10MBit/s。CAN XL的另一个主要特点是有效载荷的长度可以达到2048字节。此外，CAN XL与CAN FD完全向后兼容。

CAN XL的帧格式
图3：CAN XL的帧格式
图3显示了CAN XL的帧格式，命名了不同的字段区域，并指出了哪里使用了标称比特时间，哪里开始了高速比特时间。以下是对关键变化的简要解释--正如你所看到的，几乎所有东西都被更新了。

优先级ID - 这个11比特长的字段就是以前所说的 "基本标识符"。CAN XL在这个第一个仲裁字段中只支持11位。
IDE--仅仅是因为不支持标识符扩展，这个位总是作为主导位传输。
XLF, resXL - 这两个位（XLF为隐性位，resXL为显性位）表示下面的帧是一个CAN XL数据帧。
ADS - "仲裁到数据序列 "是发生从标称数据位到XL数据位时间切换的点。与CAN-FD的单比特转换相比，CAN XL的转换需要更长的时间，以增加这一敏感过程的稳健性，允许收发器改变为FAST模式，其中TX节点可以在推/拉模式下运行。
SDT - "服务数据单元类型 "是描述有效载荷类型的上层信息。这个字段与以太网协议中的EtherType相当。SDT由CiA 611-1定义。
SEC--该位表示帧在有效载荷中是否持有简单或扩展内容，由上层提供。
DLC - 数据长度代码字段的含义与以前的版本相同。通过这个11位长的字段，表示从1字节到2048字节的数据字段。

SBC - 塞位计数字段给出了仲裁字段中动态塞位的数量信息。在后面的文章中，我们将详细介绍塞位规则。这个值将由协议控制器计算。
PCRC--前言CRC字段是对迄今为止解释的仲裁字段和控制字段的大部分位计算的CRC。其目的是为了获得对报头信息的额外保护。
VCID - "虚拟CAN网络ID "是为了支持CAN总线上的虚拟化，就像以太网中的VLAN概念。
AF - 接受字段，也是由上层提供的，是用于帧分类的额外的32位，可以被看作是对减少的优先级标识符字段的补偿。
数据字段 - 在这个字段中，实际的有效载荷是由上层提供的，其中的字节从0到DLC编号。
FCRC - 帧CRC是通过目前看到的所有动态比特计算的。
FCP - 格式检查模式允许接收者确认他在比特流上仍然与发射器同步，并宣布CAN XL数据阶段的结束。这是对这个字段的一个非常简单的解释。
DAS - 在数据到仲裁序列中，比特率从XL数据比特时间切换到标称比特时间。
ACK/ EOF - 帧以已知的确认槽和EOF序列结束，其格式没有改变。

在媒体访问方案方面，与以前的CAN版本相比没有变化，CAN XL仍然遵循CSMA/CR原则。

2.2 10BASE-T1

在花了很多文字介绍CAN XL之后，我们来看看10MBit汽车以太网，准确地说，是IEEE 802.3cg中定义的10MBit/s单对以太网（SPE）。10MBit SPE的MAC层协议与其他任何以太网协议没有区别，不需要进一步解释。

IEEE 802.3cg的范围
图4：IEEE 802.3cg的范围[4] 。
相反，IEEE定义了一个物理层，以满足汽车工业在稳健性、实施成本和布线方面的需求。其结果是两个不同的物理层，具有不同的应用目标。

 

10BASE-T1L - 这是10MBit/s SPE的 "远距离 "变体，允许电缆长度达到1000米。这种点对点的变体不属于汽车应用的范围，但可用于卡车、火车和其他车辆技术。

10BASE-T1S - 这是 "短距离 "变体，电缆长度可达25米，允许使用10厘米的存根的总线拓扑结构。为了避免共享总线拓扑上的碰撞，该标准定义了一个可选的调和子层，称为PLCA（物理层避免碰撞）。

PLCA - PLCA的目标是在吞吐量、延迟和公平性方面改进以太网中现有的碰撞检测机制（CSMA/CD）在多分叉（总线）拓扑结构上的作用。重要的是要知道，这种 "仲裁 "纯粹是在PHY层面上进行的，MAC在以下描述的过程中不承担任何作用。

PLCA周期示例 
图5：PLCA周期实例[2]
在PLCA系统中，每个PHY都被分配了一个唯一的PHY ID，范围从0到255。ID为0的PHY是PLCA的协调者。总线上的每个PHY都知道PHY的数量。PLCA使用一个循环方案，每一轮都由PLCA协调器发送一个BEACON来触发。PLCA方案中的每个参与者，包括协调者，在BEACON之后，按照PHY ID的顺序有一次发送机会。

一个传输机会只是一个机会。如果一个节点没有什么要传输的，系统中的下一个PHY在超时后会得到他的机会。如果一个节点有一个传输等待，它被允许在其传输机会内开始传输一个帧。如果系统配置允许，一个节点也可以传输一个以上的帧，即所谓的突发。每个信息的有效载荷长度可以是不同的。

这种调度方案避免了总线碰撞和重传，降低了可用带宽，保证了系统内传输机会的公平性。在这个PLCA机制的基础上，可以在MAC层启用其他整形功能，如信用基础整形或时间意识整形。

3. CAN XL和10BASE-T1S的比较 - 赢家是...

赢家是用户。这两个协议都提供了一个数据速率，允许应用程序传输更长的有效载荷，并在总线上实现接近10Mbit/s的传输速度。即使是媒体访问方案也是不同的，让我们采取两种方式来进行比较。

3.1 数据报效率

两种协议在数据报中都有头和拖车形式的开销（如寻址、协议字段、CRC）。在CAN XL中，效率进一步受到在仲裁阶段和数据阶段的东西位和不同总线速度的影响。

 

数据报效率比较
图6：数据报的效率比较
图6显示了数据报在有效载荷上的效率，即把花费在开销上的时间与花费在有效载荷位上的时间相比较。

CAN XL受到了较慢的仲裁阶段和较大的头以及更多的开销位的影响。以1MBit/s而不是500kBit/s的速度运行仲裁阶段，对于较短的帧来说，可以显著提高数据报的效率。有人可能完全认为，在CAN XL中，协议类型和接受字段是用户的日期，而不是开销。这将使CAN XL更接近于10BASE-T1S的曲线。

3.2 总线周期效率

如果我们观察一个PLCA周期而不是一个单一的数据报，情况就会发生变化。

PLCA周期的例子
图7：PLCA周期的例子
让我们假设系统配置如图7所示，并假设只有PHY 9有一个待传输。在这种情况下，总线保持未使用的时间是超时时间的9倍，在这种情况下我们假设为24比特。加上BEACON需要的额外时间，效率会发生变化，如图8所示。

 

总线周期效率实例
图8：总线周期效率实例
在CAN XL中，总线效率不会因为等待任何传输机会而降低，但是仍然需要考虑空闲时间和EOF序列。然而，在具有512bytes有效载荷的典型操作条件下，两种协议显示出相同的效率。

 

4. 结论和展望

这两个协议都是为了处理新的E/E结构的要求而开发的，并提供10MBit/s区域的预期性能。除了这里简单解释的协议领域外，在更高层次的协议上，还有其他一些可用性方面的增强，例如，对安全或电力输送的考虑。

协议的效率取决于使用情况、系统配置和扩展功能的使用。哪种变体是首选，这更是一个哲学或战略问题。从我们的角度来看，这两种协议都有可能被用于同一个车载网络（IVN）的不同应用中。

在下一篇文章中，我们将深入探讨如何在一个系统中使用这两种协议，将CAN XL和10BASE-T1S连接到IVN主干网的必要条件是什么，以及这方面的软件任务。

参考：

[1]: CAN XL introduction by Bosch 
[2]: Presentations from 17th international CAN conference June 2021
[3]: PLCA overview presented IEEE 802.3 Plenary Meeting, San Diego (CA) 2018.
[4]: IEEE802.3cg-2019 IEEE Standard for Ethernet