Araç ağ mimarisi: Fonksiyon alanı hatlarından bölgesel Ethernet'e

01Tek bir hat neden hiçbir zaman yetmedi

CAN, Bosch tarafından 1986'da tanıtıldı ve 1991'de bir binek otomobilde seri üretime girdi. İlk vaat basitti: kilometrelerce noktadan noktaya kabloyu, her ECU'nun yayın yapabildiği tek bir ortak bükümlü çift ile değiştirmek. Aradan geçen otuz yılı aşkın sürede tek hatla çalışan bir seri üretim aracı kalmadı. Kompakt bir otomobilde birkaç CAN segmenti bulunur; premium bir platformda ise ondan fazla CAN ve CAN FD segmenti, onlarca LIN kümesi ve giderek büyüyen bir Ethernet omurgası, birkaç düzineden yüzün çok üzerine kadar ECU'yu birbirine bağlar.

Bu bölümleme bilinçli bir tercihtir. Mühendisler ağı; sorumluluğu, zamanlamayı ve riski hangi çizgilerden ayırıyorlarsa aynı çizgilerden böler. Aşağıdaki gerekçelerin her biri, tek bir ortak hattın aynı anda karşılayamayacağı bir kısıttır:

• Bant genişliği. 500 kbit/s hızındaki klasik bir CAN hattı, %100 yükte saniyede kabaca 3.700 ile 4.500 arasında sekiz baytlık çerçeve taşır. Güç aktarma, şasi, gövde ve bilgi-eğlence sistemleri birlikte bunun çok üzerinde trafik üretir.
• Zamanlama. Motor ve fren kontrol döngüleri kısa ve öngörülebilir gecikme ister; bir kapı modülü ya da koltuk motoru istemez. İkisini aynı hatta karıştırmak, yavaş trafiğin hızlı trafikle arbitrasyonda yarışması demektir.
• Arızanın sınırlanması. Kısa devre olmuş bir hat çifti, sürekli konuşan bir düğüm ya da bozulmuş bir alıcı-verici tüm aracı değil, yalnızca tek bir segmenti etkilemelidir.
• Enerji yönetimi. Gövde ve konfor ECU'ları araç kilitlendikten dakikalar sonra uykuya geçmek zorundadır; bazı güç aktarma kontrolcüleri ise yalnızca kontakla uyanır. Ayrı segmentler birbirinden bağımsız uyuyabilir.
• Siber güvenlik. 2010'ların sonundan bu yana, dışarıdan erişilebilen sistemleri (bağlantı, bilgi-eğlence, diyagnostik) güvenlik açısından kritik kontrolden ayırmak yalnızca iyi bir uygulama değil, mevzuatın beklentisidir.

02Klasik fonksiyon alanı haritası

Yaklaşık yirmi yıldır araç elektrik/elektronik (E/E) mimarisi fonksiyon alanlarına (domain) göre kurgulanıyor. Her alan bir veya daha fazla hatta sahiptir ve her hat yalnızca üyelerinin ihtiyacı olan trafiği taşır. Bölümlemenin ayrıntısı üreticiye ve platform kuşağına göre değişse de aşağıdaki tablo, 2026 itibarıyla yoldaki araçların büyük çoğunluğunu tarif eder.

Gövde ağları neden farklı davranır

Gövde ağları en çok düğüme, en uzun kablo hatlarına ve en sıkı uyku gereksinimlerine sahiptir. 2000'li yılların pek çok Avrupa aracı, ISO 11898-3'e göre hataya dayanıklı düşük hızlı CAN kullanıyordu: hız 125 kbit/s ile sınırlıydı, ancak hatlardan birinde kısa devre ya da kopukluk olduğunda tek tel üzerinden haberleşmeyi sürdürebiliyordu. Güncel platformlar gövde trafiğini büyük ölçüde ISO 11898-2'ye göre 500 kbit/s yüksek hızlı CAN'e taşıdı ve uyku akımı değerini düşük tutmak için ağ yönetimi ile kısmi ağ (partial networking) tekniklerini kullanıyor. Sonradan eklenen ekipmanın kablolamaya fiziksel olarak en çok yaklaştığı yer de çoğunlukla gövde segmentidir; bu yüzden bu segmentin uyku davranışı, üreticinin kendi tasarımının çok ötesinde önem taşır.

03Bir araçtaki hat aileleri

CAN ağın beygiridir, ama yalnız değildir. Tek bir araç genellikle dört-beş farklı ağ teknolojisini bir arada kullanır; her biri maliyet, bant genişliği ve determinizm arasındaki bir dengeye göre seçilmiştir.

LIN: CAN'in altındaki hat

LIN (Local Interconnect Network), bir yönetici (commander) ve en fazla on beş yanıtlayıcı (responder) düğümden oluşan, 20 kbit/s'ye kadar hızla ve yaklaşık 40 metreye kadar mesafede çalışan tek telli, 12 V'luk bir hattır. Yönetici sabit bir çizelge tablosuna sahiptir ve yanıtlayıcıları sırayla sorgular; bu nedenle LIN'de arbitrasyona da, yanıtlayıcı tarafında kristale de gerek yoktur. Cam düğmeleri, ayna motorları, yağmur ve ışık sensörleri, koltuk ayar motorları ve klima klapeleri LIN ile sürülür. Mimari açıdan her LIN kümesi, yönetici rolündeki bir CAN ECU'suna bağlıdır. LIN tarafında olan her şey aracın geri kalanına yalnızca o ECU'nun CAN mesajları üzerinden ulaşır; LIN telinin kendisi hiçbir CAN segmentinden görünmez.

FlexRay: deterministik bir miras

FlexRay, 2000'li yıllarda x-by-wire ve aktif şasi sistemleri için tasarlandı: kanal başına 10 Mbit/s, iki yedekli kanal ve önceden ayrılmış zaman dilimleri için statik, olay trafiği için dinamik segmentten oluşan zaman tetiklemeli bir çizelge. 2006'da seri üretime girdi ve 2013'te ISO 17458 olarak standartlaştı. Premium Avrupa platformlarında üretilmiş pek çok araç bugün hâlâ FlexRay şasi ağları taşıdığı için servis işlerinde güncelliğini koruyor. Yeni platform tasarımlarında ise yerini büyük ölçüde kontrol için CAN FD'ye, yüksek bant genişlikli deterministik trafik için de Zamana Duyarlı Ağ (TSN) destekli Ethernet'e bıraktı.

04Merkezi gateway

Bir araçta birden fazla hat olduğu anda, bunları birbirine bağlayan bir şeye ihtiyaç duyulur. Fonksiyon alanı mimarisinde bu görevi merkezi gateway (ağ geçidi) üstlenir: her segmentte bir alıcı-vericisi bulunan ve hangi bilginin bir ağdan diğerine geçeceğine karar veren yazılıma sahip, kendine özgü bir ECU. Görevleri her platform kuşağında biraz daha genişledi:

• Yönlendirme. Seçili çerçeveleri ya da tek tek sinyalleri bir segmentten diğerine aktarmak; bunu yaparken çoğunlukla hedef hatta farklı çerçevelere yeniden paketlemek.
• Protokol ve bit hızı dönüşümü. Her biri kendi zamanlamasına ve yük boyutuna sahip klasik CAN, CAN FD, LIN, FlexRay ve Ethernet arasında köprü kurmak.
• Diyagnostik yönlendirme. Diyagnostik soketini sonlandırmak ve servis isteklerini (CAN üzerinde ISO 15765-4, Ethernet üzerinde ISO 13400 DoIP) adreslenen ECU'ya iletmek.
• Ağ yönetimi koordinasyonu. Uyanma ve uyku kararlarını segmentler arasında taşıyarak aracın tek bir sistem olarak uyanmasını ve uyumasını sağlamak.
• Güvenlik duvarı ve siber güvenlik. Neyin karşıya geçebileceğini filtrelemek, diyagnostik erişimi sınırlamak ve yeni araçlarda herhangi bir yazma ya da aktif fonksiyondan önce kimlik doğrulamayı zorunlu kılmak.
• Arıza izolasyonu. Bir segmentteki kısa devrenin, baskın seviyede takılı kalmış bir hattın ya da sürekli konuşan bir düğümün diğer segmentleri bozmasını engellemek.

Pratikteki sonucu kolayca gözden kaçar: hiçbir segment aracın tamamını göstermez. Her hat yalnızca üyelerinin ihtiyacı olan trafiği taşır; neyin karşıya geçeceğine gateway karar verir. Modern bir otomobilde diyagnostik soketinin, arkasındaki hatlardan bambaşka bir görüntü sunmasının nedeni de budur; konuyu OBD-II ve güvenli gateway'ler yazısında ayrıntılı olarak ele alıyoruz.

Yönlendirmenin bir bedeli var

Bir CAN gateway'i "al, sakla, ilet" mantığıyla çalışır. Bir çerçevenin önce eksiksiz alınması, doğrulanması, filtrelenmesi, gerekirse yeniden paketlenmesi ve ardından hedef hatta arbitrasyon için kuyruğa alınması gerekir; orada da o hattın kendi trafiğiyle yarışır. Dolayısıyla her atlama gecikme ve zamanlama sapması (jitter) ekler. Mimarlar sıkı kontrol döngülerini tek bir alanın içinde tutar ve yalnızca ek gecikmeyi tolere edebilen bilgiyi yönlendirir. Araç üzerinde çalışan herkes için bunun anlamı şudur: aynı bilgi, kopyalanmak yerine yeniden yayımlandığı için birden fazla segmentte farklı zamanlamayla, farklı çerçeve düzeniyle ve farklı güncelleme hızıyla karşınıza çıkabilir.

05Bant genişliği hesabı: CAN FD neden geldi

Klasik CAN üzerindeki baskı en iyi rakamlarla görülür. 11 bit tanımlayıcılı ve sekiz veri baytlı klasik bir veri çerçevesi 108 bit uzunluğundadır; 3 bitlik çerçeveler arası boşlukla birlikte bit doldurma öncesinde 111 bit eder. En kötü durumda doldurma kuralı 24 bit daha ekler ve toplam 135 bite ulaşır. Her bitin nereden geldiğini CAN çerçevesi ve arbitrasyon yazısında anlatıyoruz.

1. 01
   Trafiği sayın

   Her 10 ms'de gönderilen 20 mesaj (saniyede 2.000 çerçeve) ve her 100 ms'de gönderilen 30 mesaj (saniyede 300 çerçeve) bulunan bir güç aktarma segmenti varsayalım: tamamı sekiz veri baytlı, toplam saniyede 2.300 çerçeve.

2. 02
   Saniyedeki bit sayısına çevirin

   Doldurma olmadan 2.300 × 111 bit = 255.300 bit/s; en kötü durum doldurmayla 2.300 × 135 bit = 310.500 bit/s.

3. 03
   Bit hızına bölün

   255.300 ÷ 500.000 = %51 ve 310.500 ÷ 500.000 = %62 hat yükü; üstelik henüz tek bir diyagnostik oturumu ya da hata çerçevesi eklenmeden.

4. 04
   Sonucu yorumlayın

   CAN arbitrasyonu önceliğe dayalıdır; yüksek öncelikli çerçeveler bundan neredeyse etkilenmez, ancak yük arttıkça en düşük öncelikli mesajların bekleme süresi uzar. Bu yük seviyelerinde yeni fonksiyonlara, diyagnostik trafiğe ya da mesaj kimlik doğrulamasının gerektirdiği ek baytlara pek yer kalmaz.

CAN FD denklemi iki yoldan değiştirir: çerçeve başına 64 bayta kadar veri ve BRS bitinden sonra daha hızlı bir veri fazı. 64 baytı sekiz klasik çerçeveyle taşımak, 500 kbit/s hattın yaklaşık 1,78 ile 2,16 ms'sini kaplar. 500 kbit/s nominal bit hızı ve 2 Mbit/s veri fazına sahip tek bir CAN FD çerçevesi aynı 64 baytı kabaca 0,33 ile 0,41 ms'de, yani hat süresinin yaklaşık beşte birinde taşır. Ayrıntılı karşılaştırma Klasik CAN ve CAN FD yazısında.

06Fonksiyon alanlarından bölgelere

Fonksiyon alanı mimarisi, her yeni fonksiyon için bir ECU eklenerek büyüdü; her ECU, araçta nerede olursa olsun kendi sensör ve aktüatörlerine ayrı ayrı kablolandı. Sonuç; birkaç kilometre uzunluğunda ve onlarca kilogram ağırlığında, otomobilin en ağır ve en çok işçilik isteyen parçalarından biri olan bir kablo demetidir. Bölgesel (zonal) mimari aynı fonksiyonları fiziksel konuma göre yeniden düzenler: az sayıda bölge kontrolcüsü (örneğin ön sol, ön sağ ve arka) kendi bölgesindeki tüm sensörleri, aktüatörleri, LIN kümelerini ve yerel CAN segmentlerini toplar; bir Ethernet omurgası üzerinden de fonksiyon yazılımının çalıştığı bir veya daha fazla merkezi araç bilgisayarına bağlanır.

CAN neden ortadan kalkmıyor

Bölgesel mimari CAN'i emekliye ayırmaz; onu ağın kenarına taşır. Bir cam motoru, bir koltuk modülü ya da bir akü sensörü, birkaç on milisaniyede bir birkaç bayta, geniş sıcaklık aralığında sağlam çalışmaya ve düğüm başına mümkün olan en düşük maliyete ihtiyaç duyar. Klasik CAN ve CAN FD bu ihtiyacı herhangi bir Ethernet PHY'sinden daha iyi karşılar. ISO 11898-1:2024 ile standartlaşan CAN XL, aileyi Ethernet'e yakın yük boyutlarına taşırken 10BASE-T1S çok noktalı Ethernet de aynı kenar rolü için yarışıyor. Pratikte 2026'da fabrikadan çıkan araçlar bunların hepsini bir arada kullanıyor; fonksiyon alanı, hibrit ve bölgesel tasarımlardan oluşan karma filolar ise onlarca yıl daha yollarda olacak.

Bölgeler gücün anahtarlanma biçimini de değiştiriyor

Bölge kontrolcüleri gücü giderek röle ve bıçak sigortalar yerine elektronik olarak, üstelik aracın güç moduna göre anahtarlıyor. Bunun sonucunda geleneksel 15 numaralı kontak hattı, anahtarı takip eden bir kablo olmaktan çıkıp ağ üzerinden dağıtılan bir yazılım durumuna dönüşüyor. Bu en çok, OFF, ON ve READY'nin birbirinden ayrı durumlar olduğu elektrikli araçlarda önem kazanır; ayrıntılar için Elektrikli ve hibrit araçlarda CAN yazısına bakabilirsiniz.

07Siber güvenlik artık bir mimari gereklilik

BM/AEK 155 sayılı Regülasyon (UNECE R155), her üreticinin denetlenen bir siber güvenlik yönetim sistemi işletmesini ve bunun her araç tipindeki etkisini kanıtlamasını şart koşuyor. Düzenleme, AB'de ve diğer akit taraflarda yeni araç tipleri için Temmuz 2022'de, yeni tescil edilen tüm araçlar için Temmuz 2024'te zorunlu hale geldi. Tamamlayıcısı olan UNECE R156 ise yazılım güncelleme yönetimini düzenliyor. Bu iki düzenleme, ağ bölümlemesini bir tasarım tercihinden yükümlülüğe dönüştürdü ve şu önlemleri seri üretime taşıdı:

• Dışarıdan erişilebilen ECU'ların güvenlik açısından kritik kontrolü doğrudan adresleyememesi için gateway'lerde bölümleme ve filtreleme.
• Diyagnostik yazma, kodlama ya da programlama fonksiyonlarına izin vermeden önce kimliği doğrulanmış bir test cihazı isteyen güvenli gateway'ler.
• Seçili çerçevelere bir tazelik değeri ve kısaltılmış bir mesaj doğrulama kodu ekleyen mesaj kimlik doğrulaması (AUTOSAR SecOC). Bu ek baytlar, CAN FD'nin 64 baytlık yükünün önemli olmasının bir başka nedenidir.
• Gateway'lerde ve merkezi bilgisayarlarda trafiğin zamanlamasını ve içeriğini anormalliklere karşı izleyen saldırı tespit sistemleri.
• ISO 14229-1:2020 ile gelen UDS Authentication servisi üzerinden sertifika tabanlı erişim dahil kimliği doğrulanmış diyagnostik.

08Mimarinin sahadaki karşılığı

Montaj teknisyenleri, servis mühendisleri ve filo entegratörleri için mimari soyut bir konu değildir. Bir bağlantının nerede güvenli olduğunu, bir ölçüm değerinin ne anlama geldiğini ve aynı model yılının makyajdan sonra neden farklı davrandığını mimari belirler. Aşağıdaki kurallar doğrudan yukarıda anlatılan yapıdan çıkar:

1. 01Hangi segmentte olduğunuzu bilin. Kablo renkleri ve konnektör konumları üreticiye özgüdür. Herhangi bir bağlantı yapmadan önce, bükümlü bir çiftin hangi segmente ait olduğunu üreticinin kablo şeması belgeleriyle doğrulayın.
2. 02Sonlandırmaya saygı gösterin. Akü bağlantısı ayrılmışken her yüksek hızlı segmentte CAN-H ile CAN-L arasında 60 Ω'a yakın bir değer ölçülmelidir. Asla üçüncü bir sonlandırma direnci eklemeyin; nedenini CAN fiziksel katmanı yazısında açıklıyoruz.
3. 03Seçeneğiniz varsa güvenlik alanlarından uzak durun. Şasi, hava yastığı ve fren segmentleri bozulmaya en az tahammül eden ve en sıkı izlenen segmentlerdir.
4. 04Uykuya saygı gösterin. Kilitlendikten sonra hat uykusuna geçemeyen bir segment aküyü boşaltır. Her montajdan sonra uyku davranışını doğrulayın.
5. 05Gateway'i hesaba katın. Diyagnostik soketi gateway'in servis kapısıdır, aracın iç hatlarına açılan bir pencere değildir.
6. 06Değişimi hesaba katın. Makyajlar, platform güncellemeleri ve bölgesel yeniden tasarımlar segmentlerin, kontrolcülerin ve konnektörlerin yerini değiştirir. Belgeleri her model yılı için yeniden kontrol edin.