前言

近些年來，隨著為了讓汽車更加安全,、智能,、環(huán)保等，一系列的高級輔助駕駛功能噴涌而出,。未來滿足這些需求,，就對傳統(tǒng)的電子電器架構(gòu)帶來了嚴(yán)峻的考驗，需要越來越多的電子部件參與信息交互,，導(dǎo)致對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率,，穩(wěn)定性，負(fù)載率等方面都提出了更為嚴(yán)格的挑戰(zhàn),。

除此以外,，隨著人們對汽車多媒體以及影音系統(tǒng)的需求越來越高，當(dāng)前雖已有各式各樣的音視頻系統(tǒng),，可隨著汽車電動化進(jìn)程的加速推進(jìn),，手機(jī)控制車輛以及彼此交互的場景不斷擴(kuò)大，可以想象未來聯(lián)網(wǎng)需求只會不斷拓展,，無論是車內(nèi)還是車外的聯(lián)網(wǎng)需求都不約而同的提出了更多網(wǎng)絡(luò)帶寬的重要性,。

為此，車載以太網(wǎng)應(yīng)運而生,。首先以太網(wǎng)的首要優(yōu)勢之一在于支持多種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì),，因此可以在汽車領(lǐng)域進(jìn)行使用；同時由于物理介質(zhì)與協(xié)議無關(guān),，因此可以在汽車領(lǐng)域可以做相應(yīng)的調(diào)整與拓展,，形成一整套車載以太網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議將會在未來不斷發(fā)展并長期使用,。

今天,，我們來一起探索車載以太網(wǎng)協(xié)議的基本面貌。為了便于大家理解,，以下是本文的主題大綱：

正文

車載以太網(wǎng)發(fā)展歷史

自1980年至今,，IEEE組織、OPEN Aliance SIG組織,、寶馬,、博通公司等為傳統(tǒng)以太網(wǎng)到汽車領(lǐng)域的應(yīng)用拓展發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，重要里程碑事件記錄如下：

• 1980年,，Ethernet 1.0成功發(fā)布,；

• 1985年，IEEE 802小組公布802.3協(xié)議,，推出了基于CSMA/CD的10M以太網(wǎng)技術(shù),；

• 2004年，BMW公司考慮采用博通公司的以太網(wǎng)技術(shù)并于2008年在寶馬7系上成功量產(chǎn)以太網(wǎng)刷寫技術(shù),，其中關(guān)鍵點在于博通公司的單對非屏蔽以太網(wǎng)全雙工技術(shù),，并保證EMC測試全部PASS；

• 2013年,，BroadR-reach技術(shù)成功在寶馬5系的環(huán)視系統(tǒng)中成功量產(chǎn),；

• 近年來由著名汽車整車廠與供應(yīng)商組成的OPEN Aliance SIG相繼發(fā)布了TC8（車載以太網(wǎng)ECU測試規(guī)范）以及TC10（車載以太網(wǎng)休眠喚醒規(guī)范），同時攜手IEEE將車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為通用標(biāo)準(zhǔn),。

車載以太網(wǎng)總體架構(gòu)

正由于上述IEEE組織,，OPEN Aliance SIG組織, AVNU組織，AUTOSAR組織的共同發(fā)展與合作,，進(jìn)而規(guī)范了車載以太網(wǎng)符合OSI模型的整體架構(gòu),，如下圖1所示：

首先針對圖1中AVNU，IEEE,，AUTOSAR以及OPEN Aliance SIG組織做簡要介紹,，以便能夠較為清晰地了解各組織在車載以太網(wǎng)總體架構(gòu)的主要貢獻(xiàn)及主要目標(biāo)。

• AVNU： 致力于推進(jìn)AVB/TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用,，使以太網(wǎng)成為一種時間確定性的實時網(wǎng)絡(luò),；

• IEEE： 電氣與電子工程師協(xié)會，其中802.3工作小組致力于推進(jìn)以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善,；

• AUTOSAR: 汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)組織,，致力于實現(xiàn)汽車軟硬之間解耦的標(biāo)準(zhǔn)同時也為車載以太網(wǎng)軟件層級作出了相關(guān)規(guī)范說明,；

• OPEN Aliance SIG: 為非盈利性的汽車行業(yè)和技術(shù)聯(lián)盟，旨在鼓勵大規(guī)模使用以太網(wǎng)作為車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),；

同時,，從上圖中可以看出標(biāo)記為“IT”則為傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議規(guī)范，而標(biāo)記為“Automotive”則為車載以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議規(guī)范,。

顯而易見,，除了物理層、UDP-NM,、DOIP,、SOME/IP、SD這五個模塊為車載以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議規(guī)范之外,，其余均為傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù),。

物理層

車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比，車載以太網(wǎng)僅需要使用1對雙絞線,，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)則需要多對,，線束較多。

同時,，傳統(tǒng)以太網(wǎng)一般使用RJ45連接器連接,，而車載以太網(wǎng)并未指定特定的連接器，連接方式更為靈活小巧,，能夠大大減輕線束重量,。除此以外，車載以太網(wǎng)物理層需滿足車載環(huán)境下更為嚴(yán)格的EMC要求,，對于非屏蔽雙絞線的傳輸距離可達(dá)15m（屏蔽雙絞線可達(dá)40m）,。

雖然車載以太網(wǎng)只采用單對差分電壓傳輸?shù)碾p絞線，但是100M/s以太網(wǎng)可以通過回音消除技術(shù)來實現(xiàn)全雙工通信,。下面就通過表格形式列舉出當(dāng)前主流的物理層標(biāo)準(zhǔn)：

從上表可知,，當(dāng)下主流的車載以太網(wǎng)協(xié)議主要為IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1，常規(guī)使用可采用100BASE-T1,如果需要更高帶寬,，可選擇1000BASE-T1,。

不過因為速率越高，對車載以太網(wǎng)物理層一致性測試就更為嚴(yán)格,。

其中以太網(wǎng)所有物理層的功能全部集中在一個稱為“PHY”的模塊中,，它將以太網(wǎng)控制器以及物理介質(zhì)連接在一起，并且通過一個標(biāo)準(zhǔn)化接口MII連接,，同時PHY模塊與底層介質(zhì)通過MDI接口連接,，以100BSASE-T1所示，如下圖2所示：

模塊接口定義見上圖2，具體有關(guān)PHY模塊的內(nèi)容在此不做展開,，后續(xù)會單獨專題講解奉上,，敬請關(guān)注！

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層可細(xì)分為LLC(Logic Link Control)以及MAC（Media Access Control）兩個層級,。此兩層級定義與作用如下：

• LLC：負(fù)責(zé)向上層提供服務(wù),，管理數(shù)據(jù)鏈路通信，鏈接尋址定義等,，與所用物理介質(zhì)沒有關(guān)系；

• MAC：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝,，總線訪問方式,，尋址方式以及差錯控制等，MAC層的存在則可以使得上層軟件與所用物理鏈路完全隔離,，保證了MAC層的統(tǒng)一性,；

其中LLC子層的服務(wù)與服務(wù)在IEEE 802.2 LAN協(xié)議中有所定義，MAC層的主要功能作用則在IEEE 802.3中定義,，并采用CSMA/CD訪問控制方式,，一般MAC層協(xié)議在俗稱的“網(wǎng)卡”中實現(xiàn)。

以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)隨著歷史發(fā)展總共存在5種幀格式,，不同的以太幀存在不同的類型及MTU值(最大傳輸數(shù)據(jù)長度),，且可以在同一物理介質(zhì)上同時存在。

目前廣泛使用的以太網(wǎng)幀格式主要有2種,，分別為Ethernet II幀格式與IEEE802.3幀格式,。其中車載以太網(wǎng)主要采用Ethernet II幀格式。

• 完整Ethernet II幀格式

• 完整IEEE802.3幀格式

  

如上圖3與圖4進(jìn)行對比可知,，Ethernet II幀格式中的“類型”位置被802.3幀格式的“長度”所替代,。上述不同字段的具體含義如下表2所示：

特別的，我們可以通過判別“類型/長度”字段來進(jìn)一步判斷當(dāng)前幀的類型,。若該字段值小于等于0x5DC,，那么該幀為IEEE 802.3格式，若該字段值大于等于0x600,，則該幀為Ethernet II幀格式,。

同時需要注意Ethernet II幀格式并沒有LLC子層的概念，只有MAC層來處理數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容,，而IEEE 802.3則可以,。

MAC幀格式

對于MAC幀格式則是從“目標(biāo)物理地址”開始至“幀校驗”結(jié)束為一完整的MAC幀。如下圖4所示為MAC的完整幀,，包括目標(biāo)物理地址,，源物理地址，類型/長度，數(shù)據(jù)以及幀校驗CRC組成,。

特別地,，如圖中4所示，“VLAN Tag”字段可選,，當(dāng)沒有VLAN Flag則為Basic MAC幀,，當(dāng)存在該字段時，則為VLAN MAC幀,，即MAC幀可分為基本MAC幀(無VLAN)和標(biāo)記MAC幀(包括VLAN)兩種,。

其中“類型”字段通常可以為以下幾種類型,，且該類型列表由IEEE組織來維護(hù),，如下表3所示列舉了車載以太網(wǎng)領(lǐng)域常用的Ethernet Type：

MAC尋址方式

MAC地址作為每個以太網(wǎng)接口的固定地址，一般由供應(yīng)商出廠就固定下來不可更改,。地址長度為6Byte,，例如00-17-4F-08-78-88，其中前3個字節(jié)為組織編號,，如下圖5所示為MAC地址的尋址方式以及字節(jié)定義：

如上圖所示：前3個字節(jié)為組織唯一標(biāo)識號,，由IEEE分配給到網(wǎng)卡生產(chǎn)廠商,其中Byte5/Bit1表示該MAC地址是全球地址還是本地地址，Byte5/Bit 0 用于表示該幀為組播MAC地址,，單播地址還是廣播地址,；

• 0：單播地址(1對1)，普通終端設(shè)備接收,；

• 1：組播地址(1對多),，僅交換機(jī)會接收，普通終端設(shè)備不會接收,；

• 48個bit全為1：表示為廣播地址,，所有設(shè)備均會接收；

MAC VLAN

VLAN作為一種分割廣播域的技術(shù)手段,，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)不必要的開銷,，全稱為虛擬局域網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)分割廣播域的方法有很多種,，在此僅簡要介紹下基于MAC的動態(tài)VLAN技術(shù),，如下圖6所示：

如上圖所示，ECU1與ECU2被劃分為屬于同一VLAN1,，而ECU2與ECU4則被劃分為屬于同一VLAN2,。只需要提前配置好各ECU所屬的VLAN即可，基于MAC的VLAN的優(yōu)點在于即使換了連接端口或者交換機(jī)都可以自動重新識別,，不需要重復(fù)進(jìn)行配置,，主要用于DHCP或者ARP協(xié)議發(fā)送廣播幀的場景,。

正如前面所述MAC幀可分為基本MAC幀(無VLAN)和標(biāo)記MAC幀(包括VLAN)兩種，而如果為如果時標(biāo)記MAC幀,，那么就會使用到VLAN Tag,，同時“數(shù)據(jù)”字段的最小長度為不帶VLAN標(biāo)記的46Byte與帶VLAN標(biāo)記的42Byte，因為VLAN Tag占用了4個字節(jié),，最大數(shù)據(jù)長度均為1500Byte,。

如下圖7所示則為VLAN Tag的含義說明：

如上圖7所示，VLAN Tag總共可以分為以下3個部分：

• PRI(3Bit)：幀優(yōu)先級,，就是通常所說的802.1p,；

• CFI(1Bit)：規(guī)范標(biāo)識符，0為規(guī)范格式,，用于802.3或Ethernet II以太網(wǎng)幀,；

• VLAN ID：就是VLAN的標(biāo)識符ID；

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層就是IP協(xié)議所在的層級,，IP協(xié)議可以分為IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4,，IP協(xié)議的主要作用就是基于IP地址轉(zhuǎn)發(fā)分包數(shù)據(jù),。

同時IP也是一種分組交換協(xié)議，但是IP卻不具備自動重發(fā)機(jī)制,，即使數(shù)據(jù)沒有達(dá)到目的地也不會進(jìn)行重發(fā),，所以IP協(xié)議屬于非可靠性協(xié)議。

車載以太網(wǎng)主要使用IPV4協(xié)議,，同時由于該協(xié)議也屬于傳統(tǒng)以太網(wǎng)范疇,，所以不會對該模塊做過多細(xì)節(jié)性闡述。

IPV4協(xié)議頭

由上可知,，IP首部為20Byte,。

該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：

IPV6協(xié)議頭

需要注意的是IPv6 數(shù)據(jù)報文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 數(shù)據(jù)報文主要由兩個部分組成：Header（首部）和 Payload（負(fù)載）,。其中,，IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：

傳輸層

傳輸層的協(xié)議就是TCP/UDP,，這兩者協(xié)議彼此獨立,，也可以同時存在，看具體使用場景需求,。TCP/UDP作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,，在這里同樣不做過多展開，僅整體介紹下TCP與UDP的特點及區(qū)別,。

TCP協(xié)議

• TCP協(xié)議頭



圖12  TCP協(xié)議頭

如下圖13所示為TCP協(xié)議頭的字段解釋：



圖13 TCP協(xié)議頭信息表

• TCP建立連接過程

  TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡(luò)通信,，因此要通信雙方建立通信連接，必須經(jīng)過我們常說的“三次握手”才能夠開啟以太網(wǎng)通信，如下圖14所示為TCP的“三次握手”連接過程,。

  
  

  圖14 TCP ”三次握手“過程

• TCP斷開連接過程

TCP已經(jīng)連接的雙方如果需要斷開,，則需要“四次揮手“來完成此過程”，如下圖15所示：

• TCP協(xié)議特點

從上述的TCP建立連接以及斷開連接的過程,，不難得出TCP是一種面向連接可靠的傳輸層協(xié)議,。具體總結(jié)有以下一些特點：

• 面向無連接，即不需要建立連接便可以直接進(jìn)行通信,；

• 存在單播,，多播，廣播的功能,；

• UDP是面向報文的,，UDP的報文報經(jīng)過IP層不會進(jìn)行任何拆分或重組；

• 不可靠性：由于沒有像TCP的擁塞控制以及出錯自動重傳等機(jī)制,，則會導(dǎo)致發(fā)送的報文無法保證接收方是否收到,，因為網(wǎng)絡(luò)本身就存在諸多的不確定性；

UDP協(xié)議


UDP全稱為用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議,，在網(wǎng)絡(luò)中與TCP協(xié)議一樣用來處理數(shù)據(jù)包,，是一種無連接的協(xié)議。同時UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組,、組裝和不能對數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點,，也就是說，當(dāng)報文發(fā)送之后,，是無法得知其是否安全完整到達(dá)的,。

UDP協(xié)議頭

如下圖所示為UDP 協(xié)議頭的組成：



圖16 UDP協(xié)議頭

如上圖所示，UDP首部為8Byte,。


各字段的具體含義如下表所示：

圖17 UDP協(xié)議字段信息表

• UDP協(xié)議特點

  對比TCP協(xié)議,，UDP具備以下一些特點：

• 面向無連接，即不需要建立連接便可以直接進(jìn)行通信,；

• 存在單播,，多播，廣播的功能,；

• UDP是面向報文的,，UDP的報文報經(jīng)過IP層不會進(jìn)行任何拆分或重組

• 不可靠性：由于沒有像TCP的擁塞控制以及出錯自動重傳等機(jī)制，則會導(dǎo)致發(fā)送的報文無法保證接收方是否收到,，因為網(wǎng)絡(luò)本身就存在諸多的不確定性,；

TCP與UDP區(qū)別

如下圖所示，較為清晰的解釋了TCP與UDP兩者之間的區(qū)別,，這讓我們選擇何種傳輸層協(xié)議提供了判斷標(biāo)準(zhǔn),。

圖18 UDP與TCP區(qū)別關(guān)系表

• TCP向上層提供面向連接的可靠服務(wù) ,，UDP向上層提供無連接不可靠服務(wù);

• 雖然 UDP 并沒有 TCP 傳輸來的準(zhǔn)確，但是也能在很多實時性要求高的地方有所作為;

• 對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求高,，速度可以相對較慢的,，可以選用TCP。

應(yīng)用層

在車載以太網(wǎng)領(lǐng)域,，目前主流涉及到的應(yīng)用協(xié)議主要有UDP-NM,，DOIP，Some/IP,，SD以及傳統(tǒng)以太網(wǎng)需配合支持的ICMP,，ARP，DHCP等協(xié)議,。

在本文我不會針對這些協(xié)議具體展開,，因為每種協(xié)議內(nèi)容不少，后續(xù)會專門針對這些應(yīng)用層協(xié)議給大家講解分享,，敬請大家多多關(guān)注,。

如下圖19是我列舉車載以太網(wǎng)中這些應(yīng)用協(xié)議的基礎(chǔ)特點以及作用場景給大家一個整體的認(rèn)識。