車載以太網(wǎng)協(xié)議的基本面貌1

近些年來(lái)，隨著為了讓汽車更加安全、智能、環(huán)保等，一系列的高級(jí)輔助駕駛功能噴涌而出。未來(lái)滿足這些需求，就對(duì)傳統(tǒng)的電子電器架構(gòu)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，需要越來(lái)越多的電子部件參與信息交互，導(dǎo)致對(duì)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(duì)汽車多媒體以及影音系統(tǒng)的需求越來(lái)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(dòng)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(chǎng)景不斷擴(kuò)大，可以想象未來(lái)聯(lián)網(wǎng)需求只會(huì)不斷拓展，無(wú)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(yùn)而生。首先以太網(wǎng)的首要優(yōu)勢(shì)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(shí)由于物理介質(zhì)與協(xié)議無(wú)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(huì)在未來(lái)不斷發(fā)展并長(zhǎng)期使用。

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(xiě)技術(shù)，其中關(guān)鍵點(diǎn)在于博通公司的 單對(duì)非屏蔽以太網(wǎng)全雙工技術(shù)，并保證EMC測(cè)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(lái)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(cè)試規(guī)范）以及TC10（車載以太網(wǎng)休眠喚醒規(guī)范） ，同時(shí)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：

圖1 車載以太網(wǎng)OSI總體架構(gòu)首先針對(duì)圖1中AVNU，IEEE，AUTOSAR以及OPEN Aliance SIG組織做簡(jiǎn)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(shí)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(shí)間確定性的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)；
• IEEE： 電氣與電子工程師協(xié)會(huì)，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(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)組織，致力于實(shí)現(xiàn)汽車軟硬之間解耦的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也為車載以太網(wǎng)軟件層級(jí)作出了相關(guān)規(guī)范說(shuō)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(lì)大規(guī)模使用以太網(wǎng)作為車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

同時(shí)，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(jiàn)，除了物理層、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD這五個(gè)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(duì)雙絞線，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)則需要多對(duì)，線束較多。

同時(shí)，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(duì)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(duì)差分電壓傳輸?shù)碾p絞線，但是100M/s以太網(wǎng)可以通過(guò)回音消除技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工通信。下面就通過(guò)表格形式列舉出當(dāng)前主流的物理層標(biāo)準(zhǔn)：

表1 車載以太網(wǎng)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(guò)因?yàn)樗俾试礁撸瑢?duì)車載以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)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(gè)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(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口MII連接，同時(shí)PHY模塊與底層介質(zhì)通過(guò)MDI接口連接，以100BSASE-T1所示，如下圖2所示：

圖2 物理層PHY接口結(jié)構(gòu)圖 （來(lái)源：Vector）模塊接口定義見(jiàn)上圖2，具體有關(guān)PHY模塊的內(nèi)容在此不做展開(kāi)，后續(xù)會(huì)單獨(dú)專題講解奉上，敬請(qǐng)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(gè)層級(jí)。此兩層級(jí)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(méi)有關(guān)系；
• MAC： 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝，總線訪問(wèn)方式，尋址方式以及差錯(cuò)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(wèn)控制方式，一般MAC層協(xié)議在俗稱的“網(wǎng)卡”中實(shí)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(zhǎng)度)，且可以在同一物理介質(zhì)上同時(shí)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

圖3 Ethernet II幀格式* 完整IEEE802.3幀格式

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

表2 以太網(wǎng)幀字段定義說(shuō)明特別的，我們可以通過(guò)判別“類型/長(zhǎng)度”字段來(lái)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(shí)需要注意Ethernet II幀格式并沒(méi)有LLC子層的概念，只有MAC層來(lái)處理數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容，而IEEE 802.3則可以。