01.

車(chē)載以太網(wǎng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

1.1 多功能技術(shù)代替單一技術(shù)

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(dá)、攝像頭等傳感器驗(yàn)證，支持時(shí)間同步、音視頻應(yīng)用，甚至可兼容互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這就能說(shuō)通為什么今天它在汽車(chē)行業(yè)處于完全爆發(fā)的狀態(tài)了。

1.2 高速率與強(qiáng)突破性

車(chē)載以太網(wǎng)能在汽車(chē)領(lǐng)域普及主要是根據(jù)高速率和強(qiáng)突破性這兩個(gè)特點(diǎn)。現(xiàn)在100M和1000M基本上被每個(gè)OEM都以這樣那樣的方式使用，或者計(jì)劃使用。2.5G、5G、10G技術(shù)正在應(yīng)勢(shì)而生，很多廠家推出了對(duì)應(yīng)工具。另外，從傳統(tǒng)以太網(wǎng)到車(chē)載以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變也與EMC突破有關(guān)。

100BASE-TX無(wú)法具備EMC功能，100BASE-T1可以依據(jù)物理層轉(zhuǎn)換技術(shù)，適配更便宜的電纜和連接器，進(jìn)而解決不帶屏蔽即可滿足電磁兼容性的需求。所以說(shuō)車(chē)載以太網(wǎng)突破性強(qiáng)，也是被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域的重要原因之一。

02.

車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)解析

2.1 ISO/OSI參考模型

以太網(wǎng)協(xié)議模型支持結(jié)構(gòu)成層以及重組和獨(dú)立開(kāi)發(fā)。在Internet Model中將5-7層進(jìn)行合并，融合了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，共計(jì)四層；但考慮到功能描述的詳細(xì)性，創(chuàng)建了五層模型，即在會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層合并為應(yīng)用層的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)。

各層協(xié)議分布

2.2 物理層：傳輸方式與接口設(shè)計(jì)

與100BASE-TX相比，100BASE-T1只用一對(duì)非屏蔽雙絞線（UTP線纜和專用連接器）開(kāi)啟全雙工模式，成本、重量和電磁兼容性更高。用汽車(chē)專用接口MQS/MATENET/HMTD來(lái)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如上圖，由目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、幀類型、IP數(shù)據(jù)包和校驗(yàn)值構(gòu)成。在抓包過(guò)程中目的MAC地址和源MAC地址已經(jīng)被解析出來(lái)，報(bào)過(guò)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(cuò)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(luò)層：以太網(wǎng)IP路由配置

路由：當(dāng)IP數(shù)據(jù)報(bào)文的源設(shè)備和目的設(shè)備不在同一網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)文必須使用中間系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，這一過(guò)程被稱為路由。IP地址是數(shù)據(jù)包傳輸系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

IP路由轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程示例：

路由配置遵循的規(guī)則：

最長(zhǎng)匹配原則：選擇掩碼最長(zhǎng)的條目

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

路由度量：Cost越小越好

2.5 應(yīng)用層：SOME/IP協(xié)議

SOME/IP主要為應(yīng)用層提供API接口，創(chuàng)建CS接口，通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。而SOME/IP的訪問(wèn)方式分為三種，分別是事件通知，遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用和訪問(wèn)進(jìn)程數(shù)據(jù)。

事件通知：與傳統(tǒng)的CAN通信類似，服務(wù)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(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用：是當(dāng)客戶端有請(qǐng)求的時(shí)候，向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求命令，服務(wù)端解析命令，并作出相應(yīng)的響應(yīng)。

訪問(wèn)進(jìn)程數(shù)據(jù)：可以使客戶面向服務(wù)器寫(xiě)入（Setter）或者讀取（Getter）數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式如下：

03.

車(chē)載以太網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)轉(zhuǎn)換：實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸

通過(guò)車(chē)載以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)1000BASE-T1與1000BASE-TX在物理層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，并且不存儲(chǔ)和修改任何數(shù)據(jù)包。還可以進(jìn)行ECU開(kāi)發(fā)、程序改編、診斷測(cè)試等服務(wù)，讓工程師擁有便捷的測(cè)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(bào)文復(fù)制一份到目的端口。一般是在不影響網(wǎng)絡(luò)通訊的情況下，將源數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，通過(guò)觀察端口發(fā)送到監(jiān)控設(shè)備上，進(jìn)而判斷網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行是否正常。

Switch_1-P2：為源報(bào)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(guò)RJ45用接口線接入，遠(yuǎn)程配置交換機(jī)內(nèi)部端口鏡像功能，進(jìn)而記錄Switch_1-P2到Switch_3-P0的流量，進(jìn)行診斷分析和仿真測(cè)試。

3.3 MACsec通信驗(yàn)證：保證數(shù)據(jù)安全性

隨著車(chē)輛內(nèi)ECU數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸以及內(nèi)部連接性越大，暴露在網(wǎng)絡(luò)攻擊中的風(fēng)險(xiǎn)越大，MACsec技術(shù)是必然產(chǎn)物。MACsec稱為媒體訪問(wèn)控制安全，是IEEE針對(duì)MAC層提出的標(biāo)準(zhǔn)化安全解決方案，提供無(wú)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(shí)性。

帶有MACsec技術(shù)的硬件可以解密高速M(fèi)ACsec流量并記錄，檢查ECU上的MACsec實(shí)施情況。

04.

車(chē)載以太網(wǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分享

4.1 通訊協(xié)議棧設(shè)計(jì)

協(xié)議棧支撐ECU在車(chē)內(nèi)使用不同協(xié)議來(lái)交換數(shù)據(jù)，不同的OEM會(huì)有不同的選擇，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也帶來(lái)了新的問(wèn)題。如果主機(jī)廠用了新的協(xié)議，沒(méi)有人實(shí)際測(cè)試過(guò)它，那么實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量就會(huì)降低，并且測(cè)試開(kāi)發(fā)需要時(shí)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(jìng)爭(zhēng)。

4.2 網(wǎng)關(guān)的必要性

在引入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，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(gè)主機(jī)廠的設(shè)計(jì)中，都會(huì)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(guò)應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，在應(yīng)用程序中直接轉(zhuǎn)換信息；

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

3.直接用UDP來(lái)傳輸CAN等數(shù)據(jù)。

無(wú)論選取哪一種，網(wǎng)關(guān)都需要翻譯大量數(shù)據(jù)，這限制了網(wǎng)關(guān)的可擴(kuò)展性；另外，兩個(gè)協(xié)議之間搭建橋梁，也需要處理很多問(wèn)題，包括一些安全性指標(biāo)等。因此，我們需要盡可能簡(jiǎn)化網(wǎng)關(guān)，提高網(wǎng)關(guān)的可擴(kuò)展性。

4.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

理想情況下，我們可以自動(dòng)協(xié)商百兆、千兆、萬(wàn)兆，甚至可以降低為1bit。但實(shí)際想一下，現(xiàn)有一個(gè)800M的數(shù)據(jù)流，傳入到100M的鏈路，不同速度等級(jí)讓我們不得不謹(jǐn)慎，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)處于危險(xiǎn)之中。有些交換機(jī)可能會(huì)丟棄數(shù)據(jù)包，或者鏈路速率較快傳入較慢鏈路中會(huì)丟失數(shù)據(jù)。這就是為什么在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中你必須做些什么來(lái)處理不同鏈接速度。

為此，我們可以將網(wǎng)絡(luò)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(jī)進(jìn)行流量整形，監(jiān)控流量防止網(wǎng)絡(luò)被濫用。優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞鹊取?/p>

總之，在車(chē)載以太網(wǎng)的道路上我們還需要更多的技術(shù)挖掘與經(jīng)驗(yàn)積累，盡管在應(yīng)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(wèn)題都會(huì)迎刃而解，讓汽車(chē)電子技術(shù)愈演愈烈。