車載以太網(wǎng)的發(fā)展歷史和總體架構(gòu)

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(yàn)，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(yùn)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(shí)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(diǎn)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(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(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，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(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(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，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對雙絞線，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)則需要多對，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(shí)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)：

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。

不過因?yàn)樗俾试礁撸瑢囕d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(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 （來源：Vector）

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(dú)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(gè)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(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：

表2 以太網(wǎng)幀字段定義說明

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(shí)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(yàn)”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(yàn)CRC組成。

圖4 MAC完整幀格式

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(shí)，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?？梢詾橐韵聨追N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：

表3 車載以太網(wǎng)常用類型

MAC尋址方式

MAC地址作為每個(gè)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(gè)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：

圖5 MAC尋址方式(來源：Vector)

如上圖所示：前3個(gè)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(gè)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：

圖6 基于MAC的動態(tài)VLAN技術(shù)(來源 Vector)

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(diǎn)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(shí)標(biāo)記MAC幀，那么就會使用到VLAN Tag，同時(shí)“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?yàn)閂LAN Tag占用了4個(gè)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：

圖7 VLAN Tag定義說明 (來源：Vector)

如上圖7所示，VLAN Tag總共可以分為以下3個(gè)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(shí)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(shí)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

圖8 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：

圖9 IPV4 協(xié)議頭信息表

IPV6協(xié)議頭

圖10 IPV6 協(xié)議頭

需要注意的是IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)文主要由兩個(gè)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：

圖11 IPV6協(xié)議信息表

傳輸層

傳輸層的協(xié)議就是TCP/UDP，這兩者協(xié)議彼此獨(dú)立，也可以同時(shí)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(diǎn)及區(qū)別。

TCP協(xié)議

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協(xié)議頭

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：

圖15 TCP”四次揮手“過程

TCP協(xié)議特點(diǎn)

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(diǎn)：

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(shí)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(diǎn)，也就是說，當(dāng)報(bào)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

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

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(bào)文的，UDP的報(bào)文報(bào)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(cuò)自動重傳等機(jī)制，則會導(dǎo)致發(fā)送的報(bào)文無法保證接收方是否收到，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)本身就存在諸多的不確定性；

UDP協(xié)議特點(diǎn)

對比TCP協(xié)議，UDP具備以下一些特點(diǎn)：

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(bào)文的，UDP的報(bào)文報(bào)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(cuò)自動重傳等機(jī)制，則會導(dǎo)致發(fā)送的報(bào)文無法保證接收方是否收到，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)本身就存在諸多的不確定性；

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(shí)時(shí)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?yàn)槊糠N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(diǎn)以及作用場景給大家一個(gè)整體的認(rèn)識。

圖19 車載以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議一覽

審核編輯：湯梓紅