Classic Autosar下的以太網(wǎng)通信架構(gòu)概覽

前言

為了讓汽車更加智能，智能網(wǎng)聯(lián)和智能駕駛功能噴涌而出。滿足這些需求，就對(duì)傳統(tǒng)的以CAN通信為核心的電子電器架構(gòu)帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，傳輸速率等方面都提出了更為嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著汽車電動(dòng)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，人們對(duì)汽車音視頻系統(tǒng)的需求越來越高，外部電子產(chǎn)品控制車輛以及彼此交互的場景不斷擴(kuò)大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬也提出了更大的挑戰(zhàn)。由此，車載以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。以太網(wǎng)的首要優(yōu)勢在于支持多種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，同時(shí)物理介質(zhì)與協(xié)議無關(guān)，因此以太網(wǎng)可以在汽車領(lǐng)域做相應(yīng)的調(diào)整與拓展，形成完整的車載以太網(wǎng)協(xié)議。本文簡要介紹Classic Autosar下的以太網(wǎng)通信架構(gòu)。

1.AUTOSAR中以太網(wǎng)功能架構(gòu)概覽

在Classic Autosar架構(gòu)體系下，以太網(wǎng)功能業(yè)務(wù)涉及大量模塊。

1）Someip業(yè)務(wù)相關(guān)的模塊：Eth，Ethif，TcpIp，Soad，Pdur，SomeipXf，LdCom，rte。

2）SoemipSd業(yè)務(wù)相關(guān)的模塊：Eth，EthIf，Tcpip，Soad，Sd，Bswm。

3）Doip診斷業(yè)務(wù)相關(guān)的模塊：Eth，EthIf，Tcpip，Soad，Doip，Pdur，Dcm。

4）網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)處理業(yè)務(wù)相關(guān)的模塊：Tcpip，Ethif，Nm，ComM，UdpNM。

上述模塊共同協(xié)作，完成了基于以太網(wǎng)的SomeIp，服務(wù)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)管理，診斷四大功能。

CP以太網(wǎng)模塊架構(gòu)圖

2.CP以太網(wǎng)模塊與以太網(wǎng)協(xié)議

以太網(wǎng)是一種使用十分廣泛的協(xié)議，由標(biāo)準(zhǔn)的七層架構(gòu)組成，但CP中的以太網(wǎng)其實(shí)僅用了5層協(xié)議，那么CP以太網(wǎng)的模塊是如何與以太網(wǎng)協(xié)議形成對(duì)應(yīng)的呢？

車載以太網(wǎng)分層協(xié)議架構(gòu)圖

以太網(wǎng)第一層是物理層，既可以理解為硬件層，在MCU的軟硬件系統(tǒng)中由Phy芯片完成。Phy芯片能對(duì)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接收?qǐng)?bào)文時(shí)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給MCU芯片處理；發(fā)送報(bào)文時(shí)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送至以太網(wǎng)總線上。

以太網(wǎng)第二層是數(shù)據(jù)鏈路層。鏈路層即Mac層，規(guī)定了數(shù)據(jù)幀能被網(wǎng)卡接收的條件，最常見的方式是利用利用網(wǎng)卡的MAC地址，發(fā)送方會(huì)在欲發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的首部加上接收方網(wǎng)卡的MAC地址信息，接收方只有監(jiān)聽到屬于自己的MAC地址信息后，才會(huì)去接收并處理該數(shù)據(jù)。在CP中，位于Mcal層的ETH模塊實(shí)現(xiàn)了MAC功能，即對(duì)于對(duì)端與本地Mac地址的處理。

以太網(wǎng)第三層是網(wǎng)絡(luò)層。每一臺(tái)搭載了以太網(wǎng)的ECU都需要定義ip地址，主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址該如何定義，以及如何在網(wǎng)絡(luò)地址和MAC地址之間進(jìn)行映射，即ARP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包在ECU之間的傳遞。網(wǎng)絡(luò)層的功能由tcpip模塊完成。

以太網(wǎng)第四層是傳輸層。傳輸層主要是實(shí)現(xiàn)UDP以及TCP協(xié)議功能，在一個(gè)ECU內(nèi)可能存在不同的應(yīng)用程序，這些程序可能會(huì)使用到不同的IP地址，那么傳輸層就能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包是屬于哪個(gè)應(yīng)用程序的，即傳輸層可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包端到端的傳遞，即ECU1的應(yīng)用程序至ECU2的應(yīng)用程序。傳輸層的功能由TCPIP模塊完成。

Someip，Someipsd，Doip位于以太第五層應(yīng)用層：Someip協(xié)議，，Someipsd協(xié)議，doip協(xié)議本質(zhì)上是規(guī)定了對(duì)網(wǎng)絡(luò)層傳遞的數(shù)據(jù)的處理，適應(yīng)了不同的應(yīng)用場景。在CP中，實(shí)際上Soad，SD，Doip，Soemipxf都是在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能。

3.以太網(wǎng)架構(gòu)完成的主要功能

3.1 Someip業(yè)務(wù)報(bào)文收發(fā)

Someip報(bào)文收發(fā)架構(gòu)圖

1）SWC通過RTE接口將數(shù)據(jù)傳遞至RTE中。

2）RTE通過使用SOMEIPXF的功能實(shí)現(xiàn)序列化，即將SWC輸出的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)序列化為字節(jié)流信號(hào)。

3）Ldcom模塊位于RTE與PDUR之間的模塊，負(fù)責(zé)將RTE中的字節(jié)流信號(hào)轉(zhuǎn)換成pdu數(shù)據(jù)傳遞給PDUR。

4）PDUR模塊作為CP中最重要的路由模塊，能實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的PDU路由，在SOMEIP架構(gòu)中，以太網(wǎng)通信一定要經(jīng)過Soad模塊，因此PDUR實(shí)現(xiàn)了以太PDU數(shù)據(jù)在LDCOM與SOAD之間的路由。

5)在上述模塊中，SOMEIP數(shù)據(jù)本質(zhì)上還是以PDU的形式進(jìn)行傳遞，但是以太網(wǎng)是以套節(jié)字（包括本地ip地址，遠(yuǎn)程ip地址，本地port，遠(yuǎn)程port，UDP/TCP協(xié)議）為基礎(chǔ)的通信。SOAD實(shí)現(xiàn)了在基于PDU的AUTOSAR通信服務(wù)模塊和基于SOCKET的TCP/IP堆棧之間創(chuàng)建一個(gè)鏈接。為PDU選擇合適套接字進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送或者接收。

6）在Someip報(bào)文發(fā)送鏈路中，TCPIP模塊會(huì)為以太網(wǎng)報(bào)文增加鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,傳輸層的報(bào)文頭，鏈路層：本地的mac地址以及對(duì)端的mac地址。網(wǎng)絡(luò)層：本地的ip地址，對(duì)端的ip地址，傳輸層：本地的port，對(duì)端的port，TCP/UDP協(xié)議。

3.2 服務(wù)發(fā)現(xiàn)SomeipSd報(bào)文收發(fā)

SomeipSd報(bào)文收發(fā)架構(gòu)圖

1）對(duì)于SoemipSd服務(wù)發(fā)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送與接收，依然會(huì)用到Soad，TCPIP,EthIf，Eth模塊，這些模塊屬于公共模塊，無論是doip，sd還是someip都會(huì)用到這些模塊做基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸。

2）服務(wù)發(fā)現(xiàn)報(bào)文作為格式固定的報(bào)文數(shù)據(jù)，不需要用戶自定義Payload，直接發(fā)送至SD模塊進(jìn)行處理，不需要通過PDUR，Ldcom等模塊。

3）SD在收到SomeipSd服務(wù)發(fā)現(xiàn)報(bào)文之后，通過內(nèi)部的協(xié)議計(jì)算，對(duì)Soad的以太網(wǎng)發(fā)送進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3.3 基于以太網(wǎng)的診斷報(bào)文收發(fā)

以太網(wǎng)診斷報(bào)文收發(fā)架構(gòu)圖

1）診斷儀或者作為診斷Client端的ECU發(fā)送的基于以太的診斷報(bào)文通過Switch能夠轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)ECU中。

2）在診斷報(bào)文的收發(fā)中，Soad，TCPIP.Ethif，Eth作為公共模塊，完成數(shù)據(jù)鏈路層以及傳輸層的報(bào)文接收與發(fā)送任務(wù)。

3）Doip模塊基于以太網(wǎng)的通訊協(xié)議對(duì)UDS數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，主要實(shí)現(xiàn)的基于ISO13400中規(guī)定的協(xié)議功能。在Doip模塊收到Soad模塊的診斷報(bào)文后，會(huì)將診斷報(bào)文解析成對(duì)應(yīng)指令通過PDUR傳輸至DCM中，DCM對(duì)該診斷指令進(jìn)行處理（比如11復(fù)位指令）。注意：因?yàn)镻DUR可以支持跨核信號(hào)路由，因此DCM可以與以太棧（ETH,TCPIP等）位于不同的核。

4）同時(shí)，Doip具有與SD模塊一樣的功能，能對(duì)Soad模塊中套接字進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制doip發(fā)送開關(guān)的效果。

3.4 以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)處理

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)圖

1）基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能由兩部分模塊組成，第一部分：以太?；A(chǔ)模塊Soad，TcpIp，EthIf，Eth模塊，這部分基本模塊完成以太報(bào)文接收發(fā)送基本功能。第二部分：ComM,Nm，EthSm，UdpNm，這部分是AUTOSAR中管理?xiàng)５哪K，完成通信狀態(tài)的管理。

2）UdpNm網(wǎng)絡(luò)管理模塊Nm和 TcpIp之間的適配層，主要用于管理NM集群中NM節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)。UdpNm模塊的功能與CanNM類似，CanNm管理的是基于Can的Nm節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)，而UdpNm管理的是基于UDP的Nm節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)。

3）UdpNm在解析完Nm報(bào)文并且處理網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)后，將控制指令通過NM模塊傳輸至COMM模塊，最終通過EthSm模塊控制TCPIP以及Ethif模塊，從而達(dá)到控制以太報(bào)文收發(fā)開關(guān)的效果。

注意：

對(duì)于僅基于Can的網(wǎng)絡(luò)管理電器架構(gòu)，如果需要對(duì)以太的報(bào)文收發(fā)進(jìn)行控制。需要通過Bswm或者SWC基于can的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)，向COMM模塊請(qǐng)求對(duì)應(yīng)以太網(wǎng)通道的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)。

責(zé)任編輯：彭菁