車載以太網(wǎng)的研究與分析

李志濤

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

伴隨著汽車電子產(chǎn)品的不斷增多，車內(nèi)電控系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性日益增加，ECU數(shù)量也不斷攀升。據(jù)統(tǒng)計，1996年，歐美典型的車輛上ECU數(shù)量為6個，到2009年，歐美高端車的控制器數(shù)量已經(jīng)大于70個。同時，新的功能需求對車載網(wǎng)絡(luò)提出不同要求，如高帶寬、安全性、低成本等，而傳統(tǒng)CAN總線已經(jīng)滿足不了日益增加的新需求。

駕乘者對智能汽車（含信息娛樂和通信）期待越來越高［1］，采用滿足需求的新型車載總線迫在眉睫。隨著2011年Broadcom公司推出第一款滿足車載EMC要求的車載Ethernet芯片以來，越來越多的整車廠將目光投向車載Ethernet技術(shù)。通過Ethernet的高帶寬，可實現(xiàn)快速程序刷新、音頻、視頻等流媒體傳輸以及車輛的主干網(wǎng)。

表1 現(xiàn)有車載總線主要技術(shù)特點(diǎn)

1 車載總線網(wǎng)絡(luò)概述

傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)主要有LIN、CAN、FlexRay及MOST。

1）LIN總線適合用于汽車車窗、天窗、座椅、車內(nèi)照明等通信速度較低的應(yīng)用場景，在滿足通信速度需求與無需CAN總線性能的同時可進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)成本，因此在現(xiàn)代汽車應(yīng)用中通常作為CAN總線的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)。

2）CAN總線是一個性能穩(wěn)健并久經(jīng)車輛實踐應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，具備成本低與高可靠性特點(diǎn)，已成為各汽車制造商車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)用的首選網(wǎng)絡(luò)。

3）FlexRay提供兩個獨(dú)立信道，采用雙信道冗余結(jié)構(gòu)，基于時間發(fā)送報文，所有節(jié)點(diǎn)共享高準(zhǔn)確時基，實現(xiàn)最高級別的可靠性，該總線用于滿足汽車環(huán)境下獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)需求，支持重要的安全線控技術(shù)應(yīng)用，如線控轉(zhuǎn)向、線控制動等。

4）MOST用于滿足車載信息娛樂應(yīng)用的特殊需求，內(nèi)置流媒體數(shù)據(jù)信道，高數(shù)據(jù)帶寬，支持多種光纖電纜布線方式，EMC性能良好，主要應(yīng)用于汽車音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸。

依據(jù)相關(guān)車載總線各自特點(diǎn)，在汽車網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)不同的應(yīng)用。現(xiàn)有車載總線主要技術(shù)特點(diǎn)見表1。

隨著汽車科技化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展， 汽車ADAS系統(tǒng)、高清車載娛樂系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、云服務(wù)及大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在車輛上的應(yīng)用，現(xiàn)有車載總線無法滿足當(dāng)前需求，亟需一種高帶寬、可開放、可擴(kuò)展、兼容性強(qiáng)及網(wǎng)絡(luò)聚合便捷的車載網(wǎng)絡(luò)，同時滿足車載嚴(yán)格法規(guī)要求、車載電氣環(huán)境、高可靠性要求。因此，一種新型車載網(wǎng)絡(luò)（車載以太網(wǎng)）應(yīng)運(yùn)而生。車載以太網(wǎng)是一種連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，與普通民用以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線電纜不同，車載以太網(wǎng)在單對非屏蔽雙絞線上可實現(xiàn)100 Mbit/s甚至1 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時滿足汽車行業(yè)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。

車載以太網(wǎng)被眾多主機(jī)廠與研究機(jī)構(gòu)定義為下一代車載局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其發(fā)展迅猛，各主機(jī)廠紛紛表示出濃厚的興趣并投入巨大的研發(fā)力度。針對車載以太網(wǎng)，寶馬汽車從2005年開始介入以太網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)。2010年，寶馬汽車和半導(dǎo)體供應(yīng)商博通公司共同提出了汽車以太網(wǎng)技術(shù)。2013年在寶馬X5的360度全景泊車系統(tǒng)中應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)，寶馬汽車視其為下一代車載網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)并投入了巨大資源進(jìn)行研發(fā)。車載以太網(wǎng)與其它總結(jié)技術(shù)相比優(yōu)勢明顯，在汽車網(wǎng)絡(luò)通信方面的應(yīng)用，解決了當(dāng)前總線技術(shù)的技術(shù)難題。

2 車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)

車載以太網(wǎng)協(xié)議是一組多個不同層次上的協(xié)議簇，但通常被認(rèn)為是一個4層協(xié)議系統(tǒng)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，每一層具有不同的功能［2］。4層結(jié)構(gòu)對應(yīng)于OSI參考模型，并且提供了各種協(xié)議框架下形成的協(xié)議簇及高層應(yīng)用程序，車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)見圖1。

2.1 物理層（OABR）

參照OSI模型，車載以太網(wǎng)在物理層，即第1、第2層采用了博通公司的BroadR-Reach技術(shù)，BroadR-Reach的物理層（PHY）技術(shù)由OPEN（一對以太網(wǎng)）聯(lián)盟推動，因此有時也被稱為OPEN聯(lián)盟BroadRReach（OABR）。

BroadR-Reach提供標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC層接口，因而能夠使用與其它以太網(wǎng)類型相同的數(shù)據(jù)鏈路層邏輯功能及幀格式，能夠通過與其他以太網(wǎng)類型相同的方式運(yùn)行高層協(xié)議和軟件。

BroadR-Reach利用兩組編碼和信令方法將MAC層100 Mb/s的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成66Mbaud/s的三元信號，可使100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率能夠在較低的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)，從而使得BroadR-Reach以較低的布線成本實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。BroadR-Reach在單對非屏蔽雙絞線上傳輸差分信號，與CAN等其他車載網(wǎng)絡(luò)類似，同時BroadR-Reach能夠為網(wǎng)絡(luò)提供電流隔離，其接地偏移額定值高達(dá)2500V。

BroadR-Reach支持全雙工通信，可使一條鏈路上的兩個車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能夠同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。BroadRReach利用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)一條鏈路上的兩個節(jié)點(diǎn)能夠同時在該鏈路中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，包括使用混合電纜等特殊設(shè)備和回音抵消等技術(shù)，使各以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能夠區(qū)分發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。

以上先進(jìn)技術(shù)在車載以太網(wǎng)上的應(yīng)用，使得BroadRReach物理層與傳統(tǒng)車載CAN、LIN、Flexray網(wǎng)絡(luò)相比，區(qū)別巨大且更加復(fù)雜，使得車載網(wǎng)絡(luò)開發(fā)、測試工程師的相關(guān)經(jīng)驗不易在車載以太網(wǎng)開發(fā)測試工作上移植、應(yīng)用。

2.2 AVB協(xié)議簇

汽車在信息娛樂與駕駛輔助領(lǐng)域的快速發(fā)展，需要更多的音視頻數(shù)據(jù)在汽車系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸，因此基于以太網(wǎng)的音視頻橋接（AVB）技術(shù)得到應(yīng)用。AVB的高帶寬和服務(wù)品質(zhì)，確保數(shù)據(jù)的及時傳遞、更高的可靠性與較低的成本、開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，非常適合通過AVB協(xié)議應(yīng)用在汽車部署中。AVB協(xié)議簇包括為精準(zhǔn)時鐘定時和同步協(xié)議（gPTP）、流預(yù)留協(xié)議（SRP）、時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊協(xié)議（FQTSS）及音視頻傳輸協(xié)議（AVBTP）。

圖1 車載以太網(wǎng)協(xié)議技術(shù)架構(gòu)

2.3 TCP/IP協(xié)議簇

TCP/IP協(xié)議簇對應(yīng)OSI模型的傳輸層，該部分是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中心部分，是下方硬件相關(guān)層和上方軟件處理層的重要連接點(diǎn)，TCP/IP協(xié)議負(fù)責(zé)提供一些重要的服務(wù)以使高層的軟件應(yīng)用能夠在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中起作用，充當(dāng)高層應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議之間的橋梁。TCP/IP主要負(fù)責(zé)主機(jī)到主機(jī)之間的端到端通信。兩個關(guān)鍵的傳輸協(xié)議為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP）。

2.4 應(yīng)用層協(xié)議

應(yīng)用層協(xié)議是用戶與網(wǎng)絡(luò)的交互界面，負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)特定的細(xì)節(jié)信息覆蓋了OSI參考模型的第5層至第7層。應(yīng)用層可根據(jù)用戶需求為用戶提供多種應(yīng)用協(xié)議，如超文本傳輸協(xié)議（HTTP）、通信控制（SOME/IP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)（Service Discovery）、動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）、流媒體服務(wù)（Stream Media Service）、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、連接管理和控制協(xié)議（IEEE1722.1）等。

3 車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)用

汽車智能網(wǎng)聯(lián)的應(yīng)用，需支持多種系統(tǒng)和設(shè)備，同時需具備內(nèi)、外網(wǎng)絡(luò)聚合能力，車載網(wǎng)絡(luò)必須是可擴(kuò)展的，具有良好的兼容性，因此車載以太網(wǎng)在實現(xiàn)和創(chuàng)新車內(nèi)應(yīng)用過程中，標(biāo)準(zhǔn)化是一個重要的驅(qū)動因素。通過標(biāo)準(zhǔn)化，可以讓OEM滿足顧客需求，并確保產(chǎn)品品質(zhì)。各主機(jī)廠依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計，不僅可以縮短產(chǎn)品的上市時間，而且還能保證產(chǎn)品的可用性、生命周期、升級能力以及互操作性。

3.1 車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化主要由IEEE802.3和IEEE802.1工作組、AUTOSAR聯(lián)盟、OPEN聯(lián)盟及AVnu聯(lián)盟起到主要的推動作用，標(biāo)準(zhǔn)化情況匯總見表2［3］。

表2 車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

3.2 車載以太網(wǎng)應(yīng)用

車載以太網(wǎng)被定義為下一代車載局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，短期內(nèi)無法全部取代現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)，其在汽車行業(yè)上的應(yīng)用需要一個循序漸進(jìn)的過程。依據(jù)車載以太網(wǎng)在汽車網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用過程，大致可分為3個階段：局部網(wǎng)絡(luò)階段、子網(wǎng)絡(luò)階段、多子網(wǎng)絡(luò)階段。

局部網(wǎng)絡(luò)階段，可單獨(dú)在某個子系統(tǒng)上應(yīng)用車載以太網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)子系統(tǒng)功能，如基于DoIP協(xié)議的OBD診斷、使用IP協(xié)議的攝像頭等；子網(wǎng)絡(luò)階段，可將某幾個子系統(tǒng)進(jìn)行整合，構(gòu)建車載以太網(wǎng)子系統(tǒng)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能，如基于AVB協(xié)議的多媒體娛樂及顯示系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)等；多子網(wǎng)絡(luò)階段，將多個子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，車載以太網(wǎng)作為車載骨干網(wǎng)，集成動力、底盤、車身、娛樂等整車各個域的功能，形成整車級車載以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)車載以太網(wǎng)在車載局域網(wǎng)絡(luò)上的全面應(yīng)用。

4 車載以太網(wǎng)測試

隨著汽車數(shù)量的不斷增加，人們對汽車的功能性和安全性的要求也不斷提高［4］。汽車的高品質(zhì)、高可靠性以及高安全性需要充分完整的測試進(jìn)行保證，車載以太網(wǎng)研發(fā)過程中應(yīng)盡早快速、有效地發(fā)現(xiàn)問題并早期解決問題，降低成本損失。

4.1 傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)測試區(qū)別

以太網(wǎng)是計算機(jī)有線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，一般用于家庭和工作單位所用的LAN是最常用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［5］。傳統(tǒng)以太網(wǎng)測試與車載以太網(wǎng)測試存在一定的差異。如傳統(tǒng)的IT行業(yè)對以太網(wǎng)一致性要求不高，無一致性測試標(biāo)準(zhǔn)，汽車行業(yè)對車載以太網(wǎng)測試要求高，已由相應(yīng)的組織或聯(lián)盟制定了行業(yè)的一致性測試標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)測試對比信息見表3。

表3 傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)測試區(qū)別

4.2 車載以太網(wǎng)測試內(nèi)容

車載以太網(wǎng)面對激增的功能和復(fù)雜度，在保證高度測試覆蓋率的同時，通過標(biāo)準(zhǔn)化測試降低測試周期和成本。主要測試報告物理層測試、一致性測試、性能測試、功能測試、網(wǎng)絡(luò)安全測試以及一些基礎(chǔ)測試，相關(guān)測試項見表4。

車載以太網(wǎng)測試可參照國際通用的V模型，測試階段分為部件測試、系統(tǒng)測試、實車測試。各階段主要測試內(nèi)容可分為一致性測試、性能測試、OEM定義的測試內(nèi)容。一致性測試內(nèi)容主要為標(biāo)準(zhǔn)一致性、互操作性、穩(wěn)定性和魯棒性測試。性能測試主要進(jìn)行仿真真實通信場景測試、功能測試、多種度量方法分析（例如延遲、吞吐量、抖動、丟包、服務(wù)質(zhì)量、時間同步等）。部件測試包含AVnu定義的相關(guān)測試、OEM自定義的測試、OPEN TC8定義的相關(guān)測試等；系統(tǒng)測試包含通信測試、診斷測試、網(wǎng)絡(luò)管理測試、網(wǎng)關(guān)路由測試、刷寫測試以及Feature相關(guān)測試等；實車測試主要包含以太網(wǎng)Feature相關(guān)測試、OEM定義的測試內(nèi)容等。車載以太網(wǎng)的基礎(chǔ)測試與網(wǎng)絡(luò)安全測試貫穿于測試流程的各個階段。

表4 車載以太網(wǎng)相關(guān)測試內(nèi)容

5 結(jié)束語

隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化組織的推動，汽車智能化與網(wǎng)絡(luò)化的迫切需求，車載以太網(wǎng)正以不可逆轉(zhuǎn)的趨勢向汽車行業(yè)滲透、應(yīng)用，其擁有未來移動互聯(lián)汽車的安全、綠色、互聯(lián)要素，強(qiáng)大的兼容性、擴(kuò)展性、融合能力和開放的架構(gòu)。通過文獻(xiàn)研究和顯著的行業(yè)內(nèi)興趣可以預(yù)見，以太網(wǎng)是最有可能也最有前途成為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)［6］。 車載以太網(wǎng)未來必將在車輛上得到廣泛應(yīng)用。

［1］ Bob Fust．車載以太網(wǎng)：智能驅(qū)動未來［J］．中國集成電路，2014，8（183）：83．

［2］ IEEE Computer Society，IEEE Std. 802.11s-2011:Standard for Local and metropolitan area networks，Part11: Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY） specifications，Amendment10:Mesh Networking［S］．IEEE Computer Society Std，September 2011．

［3］ 李巍，張麗靜，王燕芳．車載以太網(wǎng)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化［J］．電信網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：2-3．

［4］ 劉德利，孫運(yùn)璽，谷原野．基于開發(fā)思維的測試用例設(shè)計方法［J］．汽車電器，2016（10）：55-56．

［5］ 王建萍．車載以太網(wǎng)［J］．汽車與配件，2015（8）：54-55．

［6］ 呼布?xì)J．下一代汽車網(wǎng)絡(luò)：車載以太網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．計算機(jī)工程與應(yīng)用，2016，52（24）：34-35．