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車載以太網(wǎng)-第06章

 yeshuheng 2020-10-18
車載以太網(wǎng)-第06章
車載以太網(wǎng)相關標準組織和協(xié)會

簡介
汽車行業(yè)的經(jīng)營范圍覆及全球,,任何現(xiàn)代化的汽車都包含由跨國公司設計和制造的零部件。要確保來自不同供應商的元件能夠相互兼容并準確地相互操作,,唯一的辦法就是采取統(tǒng)一的標準,,因此“標準化”數(shù)十年來一直都是汽車行業(yè)的一個重要元素?!皹藴省?,顧名思義,,其首要目標就是讓可能迥然不同的設備能夠相互連接,,因此它的重要性在通信網(wǎng)絡中尤為突出。

了解標準組織和協(xié)會
許多標準實際上都是由多個組織共同定義的,,因此可能有多個名稱,。就行業(yè)協(xié)會來說,這些標準之間可能關系復雜,,時有交匯甚至目標相互沖突,。一般來說,沒有硬性規(guī)定哪個組織要負責哪類技術,,但有一些基本經(jīng)驗法則值得借鑒:
  1. 幾乎所有與以太網(wǎng)技術有關的標準,,包括常規(guī)以太網(wǎng)和車載以太網(wǎng)方面的標準,都是由電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)定義和管理的,。

  2. 自動化及測量系統(tǒng)標準協(xié)會(ASAM)一般負責與測量和儀器儀表相關的規(guī)范,。ASAM也規(guī)定了許多用于描述車載網(wǎng)絡信息的行業(yè)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)文件格式(如標定用的A2L)。

  3. 大多數(shù)用于診斷量產汽車(特別是乘用車)的協(xié)議都是通過國際標準化組織(ISO)進行標準化的,。

  4. 國際汽車工程師學會(SAE)歷史悠久,,定義了許多汽車電氣網(wǎng)絡標準,。如車載OBD診斷;SAE標準還規(guī)定了用于公路重型卡車,、工程車輛,、農用車輛以及采礦設備的主要協(xié)議,如J1939協(xié)議,。


國際標準化組織(ISO)
作為全球最大的標準開發(fā)和發(fā)行組織,,ISO共制定過大約20000份標準文件,涵蓋領域極廣,,當前業(yè)界采用的車載網(wǎng)絡和協(xié)議大多經(jīng)過ISO的標準化處理,,其中包括現(xiàn)任車載網(wǎng)絡標桿——控制器局域網(wǎng)(CAN,ISO 111891),,以及統(tǒng)一診斷服務(UDS,,ISO 14229)標準。ISO在采用開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型的網(wǎng)絡世界中也聲名赫赫,。OSI模型不僅是許多網(wǎng)絡技術的理論基礎,,而且對以太網(wǎng)和TCP/IP等基本網(wǎng)絡協(xié)議簇也產生了很大影響。后續(xù)將對此作詳細說明,。

相關的ISO標準
以下是專為車載網(wǎng)絡制定的一些比較重要的ISO標準,。
  • ISO 11898(CAN):控制器局域網(wǎng)

    CAN是汽車行業(yè)中目前最常用的網(wǎng)絡,它通過非破壞性仲裁實現(xiàn)媒體訪問控制的雙絞線總線組成,。另外一些補充標準包括ISO11898-5(低功率模式的高速媒體訪問單元)和ISO11898-6(帶選擇性喚醒功能的高速媒體訪問單元),。

  • ISO 15765:控制器局域網(wǎng)(CAN)診斷

    定義了CAN網(wǎng)絡診斷方法。ISO15765-2定義了如何在一個CAN幀僅能傳輸一個8字節(jié)載荷的情況下傳輸多達4095字節(jié)的數(shù)據(jù)的標準方法,。了解這種發(fā)送更多數(shù)據(jù)的能力,,可以幫助您全面分析CAN和以太網(wǎng)的優(yōu)劣勢。

  • ISO 14229(UDS):統(tǒng)一診斷服務

    定義了一套通信命令和響應標準,,用于讀取和設置與汽車電子控制設備(ECU)相關的診斷信息,。

  • ISO 13400:基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的診斷(DoIP)

    作為第一家將DoIP以太網(wǎng)應用到J1962(OBD)連接器上的公司,寶馬推動了DoIP標準的出臺,。詳細了解可見“六便士”專欄下的“DoIP協(xié)議”專輯,。

  • ISO/IEC 7498-1:信息技術-開放系統(tǒng)互聯(lián)-基本參考模型

    該標準定義了前文述及的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型。


國際電工委員會(IEC)
IEC成立于1906年,,國際電工委員會專門處理電氣與電子產品相關事宜,,IEC總部和ISO一樣設在瑞士日內瓦,并且這兩大組織之間也有著緊密合作,。許多涉及電子和網(wǎng)絡領域的標準都由這兩大組織共同發(fā)布并冠以'ISO/IEC'前綴,,比如我們剛剛提到的ISO/IEC7498-1標準。
為保證電氣元件能夠在各種嚴酷的電氣、機械和環(huán)境下正常工作,,IEC定義了許多電氣元件測試和認證標準,,因此在汽車行業(yè)家喻戶曉。此外,,IEC61883(用戶音視頻設備-數(shù)字接口)在音視頻橋接(AVB)多媒體數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮著重要作用,。

電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)
電氣與電子工程師協(xié)會(簡稱IEEE)是包括各種形式的計算機和網(wǎng)絡在內的電氣與電子領域最為重要的專業(yè)組織。汽車行業(yè)采用了許多IEEE標準,,本章僅列出幾個最值得關注的車載網(wǎng)絡相關標準,。
IEEE 802協(xié)議
與車載網(wǎng)絡相關的最重要的IEEE標準實際上并非一個標準,而是一個統(tǒng)稱為“IEEE802協(xié)議”的標準家族,。
  • IEEE802.1BA(音視頻橋接(AVB)系統(tǒng))

  • IEEE802.1Q(媒體接入控制(MAC)橋和虛擬橋接局域網(wǎng))

  • IEEE802.1AS(橋接局域網(wǎng)中時間敏感應用的定時和同步)

  • IEEE802.1Qat(流預留協(xié)議(SRP))

  • IEEE802.1Qav(時間敏感流轉發(fā)和排隊(FQTSS))

  • etc.


互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)
IETF是負責制定互聯(lián)網(wǎng)和TCP/IP標準的主要組織,。相關的RFC由于車載以太網(wǎng)涵蓋TCP/IP和AVB等各種協(xié)議棧以及在其上運行的應用,以下僅簡要概括其中一些最為重要的RFC,。
  • RFC791:互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

    定義了最廣泛使用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本,,即第4版(IPv4),IPV4是負責跨任意互聯(lián)網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的主要網(wǎng)絡層(OSI第3層)協(xié)議,,并且被普遍認為是因特網(wǎng)的基礎,。

  • RFC2460:互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版(IPv6)

    IP新版本的基本規(guī)范。IPV6克服了IPv4隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而出現(xiàn)的不足,,特別是在尋址和路由方面的不足,。

  • RFC793:傳輸控制協(xié)議(TCP)

    TCP描述了更加復雜且重要的TCP/IP傳輸層(OSI第4層)兩大協(xié)議的運行。TCP為因特網(wǎng)應用提供了基本功能,,包括在單個連接上運行多個程序,,建立和管理連接,跟蹤傳輸和重傳丟失的數(shù)據(jù),。

  • RFC768:用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)

    UDP被視作TCP的簡化版,,屬于輕量級傳輸層協(xié)議,用于速度和簡單性優(yōu)先于功能性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性的場景,。

  • RFC826:地址解析協(xié)議(ARP)

    ARP是一種傳統(tǒng)的用于將第三層的IPv4地址與第二層的硬件地址(例如以太網(wǎng)MAC地址)相關聯(lián)的方法,。


國際汽車工程師學會(SAE)
國際汽車工程師學會(SAE International)的前身是汽車工程師協(xié)會,歷史上,,美國的許多電氣網(wǎng)絡系統(tǒng)都由SAE定義或通過SAE進行標準化。J1850便是一個重要的早期網(wǎng)絡標準,,也是福特CAN的前身,。
  • SAE J1939

    一套規(guī)定ECU間的診斷和數(shù)據(jù)通信的標準,適用于公路重型卡車,、工程車輛和農用車輛,,是大型車輛行業(yè)使用最廣泛的標準。

  • SAEJ 1962

    該規(guī)范規(guī)定了在美國出售的所有汽車的OBD所需專用OBD連接器的尺寸、形狀和引腳,。規(guī)范內容還包括預留引腳,,其中四個可以用于支持基于IP的診斷(DoIP)的10/100 UTP以太網(wǎng)連接。


行業(yè)聯(lián)盟和協(xié)會
One-Pair Ether-Net Alliance SIG(單對以太網(wǎng)聯(lián)盟)
OPEN聯(lián)盟是One-Pair Ether-Net Alliance SIG的縮寫,,即單對以太網(wǎng)聯(lián)盟,。是由汽車和電子行業(yè)的制造商與供應商組成的非營利組織。隨著車載以太網(wǎng)愈來愈受重視,,SIG發(fā)展迅速,。據(jù)該聯(lián)盟稱,其目標主要有四:
  1. 促進Broadcom公司的BroadR-Reach100Mb/s以太網(wǎng)物理層規(guī)范作為非官方車載網(wǎng)絡標準,。

  2. 努力促使BroadR-Reach或類似的高速單對以太網(wǎng)物理層解決方案得到IEEE802等標準組織的標準化,。

  3. 確定互操作元件的互操作需求,選擇獨立的第三方來執(zhí)行測試以確保設備之間的兼容性,。

  4. 別和處理在正式標準化過程中出現(xiàn)的與車載以太網(wǎng)相關的問題,。

我們熟知的TC8就是由該聯(lián)盟指定的,OPEN TC8規(guī)范全名《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification》,,該規(guī)范旨在確定車載以太網(wǎng)ECU是否符合需求規(guī)范中的定義或相關要求,。
圖源 OPEN TC8
圖源 東信創(chuàng)智

  • TC1和TC2關注100BASE-T1物理層;

  • TC3,、TC9和TC12關注1000BASE-T1物理層,;

  • TC7關注1000BASE-RH物理層;

  • TC8關注汽車以太網(wǎng)ECU測試規(guī)范

  • TC10關注汽車以太網(wǎng)睡眠/喚醒

  • TC14關注10BASE-T1S物理層,;

  • TC15關注的則是大于1G傳輸速率的車載以太網(wǎng)物理層


AVnu聯(lián)盟
AVnu聯(lián)盟這一行業(yè)組織致力于推動——特別是在IEEE802.1音視頻橋接(AVB)標準的支持下來推動——專業(yè)質量的音視頻(AV)數(shù)據(jù)通信,。為了促進AVB互操作性,AVnu聯(lián)盟專門為汽車,、消費者和專業(yè)領域創(chuàng)建了符合市場要求的合規(guī)性和互操作性(C&I)測試集,。設備制造商從而有機會在定期舉辦的互通性檢測中進一步驗證其與同行業(yè)其他制造商的設備兼容性。

自動化及測量系統(tǒng)標準協(xié)會(ASAM)
ASAM的主要目標是建立實現(xiàn)汽車開發(fā)和檢修工具的互換和互聯(lián)的標準,。ASAM定義了許多關于數(shù)據(jù)文件格式,、網(wǎng)絡描述格式和行業(yè)用工具通用接口的最重要規(guī)范。以下是較為重要的ASAM標準,。
  • ODX:開放式診斷數(shù)據(jù)交換

    該規(guī)范定義了一種基于XML的文件格式,,用于描述受ECU或整車支持的診斷。ODX文件中包括可能的診斷故障代碼(DTC)和診斷標識符(DID)有效值,。DID中包含諸如車輛識別號碼,、軟件和硬件部件號以及序列號等信息。

  • ASAP2(A2L)

  • ASAP2(或稱A2L)規(guī)范本質上是一個ECU軟件描述文件,,規(guī)定了指定版本的ECU軟硬件的存儲區(qū)域,、變量地址、定標和參數(shù)。校準開發(fā)時,,這些可以由外部工具通過XCP,、CCP或存儲模擬器(通常稱為ETK)等協(xié)議進行測量和修改。

  • FIBEX:現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)交換格式

  • FIBEX是一種基于XML的描述格式,,適用于廣泛的車載網(wǎng)絡類型,,包括以太網(wǎng)、CAN,、LIN和FlexRay,。FIBEX文件中的信息描述的是網(wǎng)絡上或汽車內的ECU和節(jié)點以及消息定義和信號。

  • MDF:測量數(shù)據(jù)格式

  • MDF是一種二進制數(shù)據(jù)文件格式,,用于存儲原始網(wǎng)絡數(shù)據(jù)以及作為對準的時間序列數(shù)據(jù)存儲的工程單位轉換后的數(shù)據(jù),,例如發(fā)動機速度和溫度。這些值通常被編碼成基于IEEE754標準的浮點數(shù),。

上述幾種文件格式在工作中均有涉及,,后續(xù)如果有機會,將會對每種數(shù)據(jù)文件格式做較為詳細的介紹,。

AUTOSAR
AUTOSAR(“汽車開放系統(tǒng)架構”)聯(lián)盟成立的宗旨是創(chuàng)建一套實現(xiàn)ECU軟硬件的互操作性和兼容性的標準,。AUTOSAR的目的是實現(xiàn)不同軟件供應商的編碼在同一個ECU內的兼容性,以及規(guī)定符合AUTOSAR要求的元件采用模塊化結構且可在各ECU上使用,。

AUTOSAR與傳統(tǒng)的計算機操作系統(tǒng)(如Linux,、Android或Windows)之間有著相似之處。這些操作系統(tǒng)定義了標準的應用程序接口(API),,使多個程序通過使用一套通用規(guī)則接入標準硬件功能從而實現(xiàn)程序之間的協(xié)同工作,。同樣地,AUTOSAR中也有專門為常見ECU的各種功能而規(guī)定的接口,。AUTOSAR不僅規(guī)定了應用程序訪問的API,,還將規(guī)范推向一個更深的層次:它規(guī)定了如何使用標準化API來為不同的網(wǎng)絡類型——包括以太網(wǎng)、I2C,、CAN,、LIN和FlexRay——創(chuàng)建驅動器。與大多數(shù)標準組織不同,,AUTOSAR選擇專注一個由眾多文件構成的龐大規(guī)范,。本書中最令我們感興趣的是TCP/IP協(xié)議棧的規(guī)范、UDP上的AUTOSAR網(wǎng)絡管理以及AUTOSAR描述文件格式,。這種名為ARXML的文件格式規(guī)定了車載網(wǎng)絡的許多方面,,并且已經(jīng)與ASAM的FIBEX相兼容。

參考文獻:
[1]Colt Correa.Automotive Ethernet-The Definitive Guide[M];
[2]謝希仁.計算機網(wǎng)絡(第7版)[M].電子工業(yè)出版社,2017.1,;
[3]東信創(chuàng)智:https://zhuanlan.zhihu.com/p/139005645

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