01.

車載以太網(wǎng)的獨特優(yōu)勢

1.1 多功能技術代替單一技術

傳統(tǒng)CAN總線只能滿足ECU特定的CAN協(xié)議，而以太網(wǎng)可作為雷達、攝像頭等傳感器驗證，支持時間同步、音視頻應用，甚至可兼容互聯(lián)網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)。這就能說通為什么今天它在汽車行業(yè)處于完全爆發(fā)的狀態(tài)了。

1.2 高速率與強突破性

車載以太網(wǎng)能在汽車領域普及主要是根據(jù)高速率和強突破性這兩個特點。現(xiàn)在100M和1000M基本上被每個OEM都以這樣那樣的方式使用，或者計劃使用。2.5G、5G、10G技術正在應勢而生，很多廠家推出了對應工具。另外，從傳統(tǒng)以太網(wǎng)到車載以太網(wǎng)轉變也與EMC突破有關。

100BASE-TX無法具備EMC功能，100BASE-T1可以依據(jù)物理層轉換技術，適配更便宜的電纜和連接器，進而解決不帶屏蔽即可滿足電磁兼容性的需求。所以說車載以太網(wǎng)突破性強，也是被廣泛應用于汽車領域的重要原因之一。

02.

車載以太網(wǎng)技術解析

2.1 ISO/OSI參考模型

以太網(wǎng)協(xié)議模型支持結構成層以及重組和獨立開發(fā)。在Internet Model中將5-7層進行合并，融合了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，共計四層；但考慮到功能描述的詳細性，創(chuàng)建了五層模型，即在會話層、表示層、應用層合并為應用層的基礎上，保留物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。因此將五層模型定義為最佳協(xié)議模型，TCP/IP也采用了五層模型結構。

各層協(xié)議分布

2.2 物理層：傳輸方式與接口設計

與100BASE-TX相比，100BASE-T1只用一對非屏蔽雙絞線（UTP線纜和專用連接器）開啟全雙工模式，成本、重量和電磁兼容性更高。用汽車專用接口MQS/MATENET/HMTD來替代傳統(tǒng)RJ45數(shù)水晶頭，編碼方式也由PAM3代替了PAM5，將邏輯的-1，0，1轉化為在雙絞線上的電壓。

2.3 數(shù)據(jù)鏈路層：以太網(wǎng)幀結構

以太網(wǎng)幀結構如上圖，由目標MAC地址、源MAC地址、幀類型、IP數(shù)據(jù)包和校驗值構成。在抓包過程中目的MAC地址和源MAC地址已經(jīng)被解析出來，報過幀類型也可以在wireshark工具中查看到。

以太網(wǎng)最大幀：6+6+2+1500+4=1518字節(jié)

以太網(wǎng)最小幀：6+6+2+46+4=64字節(jié)

基于CRC32的FCS (Frame Check Sequence)，如果接收到錯誤FCS的以太網(wǎng)幀，該幀被丟棄

VLAN Tag的EtherType為0x8100；VLAN ID (VID)作為VLAN的唯一ID

2.4 網(wǎng)絡層：以太網(wǎng)IP路由配置

路由：當IP數(shù)據(jù)報文的源設備和目的設備不在同一網(wǎng)絡中時，數(shù)據(jù)報文必須使用中間系統(tǒng)轉發(fā)，這一過程被稱為路由。IP地址是數(shù)據(jù)包傳輸系統(tǒng)的一個重要組成部分。

IP路由轉發(fā)過程示例：

路由配置遵循的規(guī)則：

最長匹配原則：選擇掩碼最長的條目

路由優(yōu)先級（根據(jù)協(xié)議來）：Dreect—0；OSPF—10；Static—60；RIP—100

路由度量：Cost越小越好

2.5 應用層：SOME/IP協(xié)議

SOME/IP主要為應用層提供API接口，創(chuàng)建CS接口，通過TCP/IP協(xié)議進行通信。而SOME/IP的訪問方式分為三種，分別是事件通知，遠程過程調用和訪問進程數(shù)據(jù)。

事件通知：與傳統(tǒng)的CAN通信類似，服務端周期性或者事件變化事件向客戶端發(fā)送特定的數(shù)據(jù)。

遠程過程調用：是當客戶端有請求的時候，向服務端發(fā)送請求命令，服務端解析命令，并作出相應的響應。

訪問進程數(shù)據(jù)：可以使客戶面向服務器寫入（Setter）或者讀取（Getter）數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式如下：

03.

車載以太網(wǎng)應用場景

3.1 點對點轉換：實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸

通過車載以太網(wǎng)轉換器實現(xiàn)1000BASE-T1與1000BASE-TX在物理層點對點的轉換，并且不存儲和修改任何數(shù)據(jù)包。還可以進行ECU開發(fā)、程序改編、診斷測試等服務，讓工程師擁有便捷的測試工具。

3.2 端口鏡像：記錄與仿真的重要手段

端口鏡像將指定源的報文復制一份到目的端口。一般是在不影響網(wǎng)絡通訊的情況下，將源數(shù)據(jù)進行復制，通過觀察端口發(fā)送到監(jiān)控設備上，進而判斷網(wǎng)絡中運行是否正常。

Switch_1-P2：為源報文數(shù)據(jù)流經(jīng)端口

S3P8：為目的端口，也稱觀察端口

原理：PC可以通過RJ45用接口線接入，遠程配置交換機內部端口鏡像功能，進而記錄Switch_1-P2到Switch_3-P0的流量，進行診斷分析和仿真測試。

3.3 MACsec通信驗證：保證數(shù)據(jù)安全性

隨著車輛內ECU數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸以及內部連接性越大，暴露在網(wǎng)絡攻擊中的風險越大，MACsec技術是必然產(chǎn)物。MACsec稱為媒體訪問控制安全，是IEEE針對MAC層提出的標準化安全解決方案，提供無連接的用戶數(shù)據(jù)保密性、幀數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)源真實性。

帶有MACsec技術的硬件可以解密高速MACsec流量并記錄，檢查ECU上的MACsec實施情況。

04.

車載以太網(wǎng)實踐經(jīng)驗分享

4.1 通訊協(xié)議棧設計

協(xié)議棧支撐ECU在車內使用不同協(xié)議來交換數(shù)據(jù)，不同的OEM會有不同的選擇，因此在開發(fā)過程中也帶來了新的問題。如果主機廠用了新的協(xié)議，沒有人實際測試過它，那么實現(xiàn)的質量就會降低，并且測試開發(fā)需要時間與人力成本。如果試圖獲得流暢的以太網(wǎng)SOP，建議選擇已經(jīng)成熟的協(xié)議棧，盡可能與主流保持一致，不要在協(xié)議棧上競爭。

4.2 網(wǎng)關的必要性

在引入互聯(lián)網(wǎng)時，我們就明白從傳統(tǒng)的總線到以太網(wǎng)通訊類型有著很大的區(qū)別。因此在每個主機廠的設計中，都會發(fā)現(xiàn)gateway的存在。

把傳統(tǒng)總線連到以太網(wǎng)系統(tǒng)中有3種方案：

1.通過應用層網(wǎng)關，在應用程序中直接轉換信息；

2.將總線數(shù)據(jù)放置于包進行封裝，以服務傳輸，例如SOMEIP服務；

3.直接用UDP來傳輸CAN等數(shù)據(jù)。

無論選取哪一種，網(wǎng)關都需要翻譯大量數(shù)據(jù)，這限制了網(wǎng)關的可擴展性；另外，兩個協(xié)議之間搭建橋梁，也需要處理很多問題，包括一些安全性指標等。因此，我們需要盡可能簡化網(wǎng)關，提高網(wǎng)關的可擴展性。

4.3 網(wǎng)絡設計

理想情況下，我們可以自動協(xié)商百兆、千兆、萬兆，甚至可以降低為1bit。但實際想一下，現(xiàn)有一個800M的數(shù)據(jù)流，傳入到100M的鏈路，不同速度等級讓我們不得不謹慎，因為這會導致網(wǎng)絡處于危險之中。有些交換機可能會丟棄數(shù)據(jù)包，或者鏈路速率較快傳入較慢鏈路中會丟失數(shù)據(jù)。這就是為什么在網(wǎng)絡設計中你必須做些什么來處理不同鏈接速度。

為此，我們可以將網(wǎng)絡分成更小的單元，使用VLAN、組播等，防止不必要的數(shù)據(jù)量傳入。還可以在交換機進行流量整形，監(jiān)控流量防止網(wǎng)絡被濫用。優(yōu)化設計網(wǎng)絡拓撲等等。

總之，在車載以太網(wǎng)的道路上我們還需要更多的技術挖掘與經(jīng)驗積累，盡管在應用中存在了一些困難和挑戰(zhàn)，但伴隨著行業(yè)創(chuàng)新，這些問題都會迎刃而解，讓汽車電子技術愈演愈烈。