智能網聯汽車車載以太網技術應用研究

尹榮彬 陳博 孔祥明

（中國第一汽車股份有限公司 智能網聯開發院，長春 130013）

主題詞：智能網聯 汽車總線技術 車載以太網

縮略語

ADAS Advanced Driver Assistance Systems

OTA Over the Air Transmission

V2X Vehicle to Everything

CAN Controller Area Network

CANFD CAN With Flexible Data-rate

LIN Local Interconnect Network

MOST Media Oriented System Transport

OSI Open Systems Interconnection

AVB Audio Video Bridge

TSN Time Sensitive Networking

ECU Electronic Control Unit

SD Service Discovery

PDU Protocol Data Unit

UDS Unified Diagnostic Services

UDP User Datagram Protocol

UDPNM UDP Network Management

RTP Real-time Transport Protocol

SAP Service Access Point

API Application Program Interface

VLAN Virtual Local Area Network

MAC Media Access Control address

IPv6 Internet Protocol Version 6

IPv4 Internet Protocol Version 4

ICMP Internet Control Message Protocol

ARP Address Resolution Protocol

NDP Neighbor Discovery Protocol

TCP Transmission Control Protocol

SSL Secure Sockets Layer

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

SOME/IP Scalable service-Oriented Middleware over IP

DOIP Diagnostic communication over Internet Protocol

T-BOX Telematics BOX

BCM Body control Module

IVI In-Vehicle Infotainment

AP Access Point

STA Station

OBD On Board Diagnosis

OS Operation System

1 前言

隨著汽車的智能化、網聯化浪潮的來臨，伴隨著車輛與智能手機、云和大數據的不斷運用，特別是高級駕駛輔助系統（ADAS）技術的不斷革新、高品質車載娛樂影音的普及，以及OTA遠程升級、V2X、信息安全等技術的發展，推進了車載網絡數據傳輸容量需求的爆發式增長。以上需求已經超出了CAN、CANFD等傳統網絡的承載能力，這也促進了車載以太網技術的快速發展和應用。

目前主流的汽車總線技術主要有CAN、LIN、FlexRay、MOSTt、CANFD等。這些網絡標準基本上都是面向汽車行業制定。CAN總線是目前應用最為廣泛的車載總線技術，CAN總線最大傳輸速率為1 Mb/s，但與以太網相比，CAN不僅速度慢很多，而且效率也低。因為CAN的最大凈荷只有8字節，所以CAN幀的開銷很高：幀頭和幀尾比數據字段還大[1]。LIN總線是一種低成本通用串行總線技術，在汽車領域主要用于開關、車門、座椅等控制器，最大傳輸速率為20 kbit/s[2]，傳輸速率低。FlexRay是一種新型汽車總線技術，屬于共享式總線技術，帶寬可達10 Mbit/s[3]，與以太網相比FlexRay的速度遠低于以太網的速度，不適合信息娛樂應用。因此與車載以太網相比用途更少。MOST總線技術用于滿足信息娛樂應用的特殊需求，支持多媒體流數據的傳輸，最大帶寬可達150 Mbit/s。與以太網類似，MOST總線的各條鏈路在物理層相互獨立，但二者之間有一個重要的區別：MOST總線的環形結構只支持單向通信[4]。

車載以太網是一種用以太網連接車內電子單元的新型局域網總線技術。車載以太網在單對非屏蔽雙絞線上可實現100 Mbit/s甚至1 GMbit/s的傳輸速率[5]，可使電纜重量減輕30%、降低連接成本可達80%。同時還滿足汽車行業對高可靠性、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。車載以太網不僅具備了適應ADAS、影音娛樂、汽車網聯化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力（如自動駕駛時代所需要的更大數據傳輸）。專家預測，到2020年，汽車中部署的以太網端口將達5億個。

2 開放系統互聯（OSI)參考模型

車載以太網基于ISO/IEC 7498 6.1.2中規定的開放系統互聯(OSI)基本參考模型，該模型將通信系統結構劃分為7層。自上而下分別為應用層（層7）、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層（層1）[6]。但車載以太網一般被認為是5層協議，圖1顯示了基于所需的功能在以太網ECU中實現的協議及其在OSI標準中的位置。

圖1 OSI標準中汽車以太網協議構架

每個層的目的是為上層提供服務。每個層的活動部分用軟件、硬件或軟硬件組合實現，稱為實體。在OSI模型中，在不同節點的同一層實體之間進行通信。相同層之間的通信實體稱為對等實體。由一層提供的服務在該層的服務接入點（SAP）處可用。上面的層可以通過交換數據參數來使用它們。OSI參考模型分層對比見表1。

物理層主要負責拓撲和物理網絡設計，線纜、連接器、收發器、網絡接口卡和其它硬件設備的運行細節包括將數據位與可傳輸的信號之間進行相互轉換。

數據鏈路層主要負責邏輯鏈路控制、媒體接入控制硬件尋址、差錯檢測和處理、底層報文組幀、服務質量功能以及定義物理層標準。

網絡層負責將多個網絡連接到一起，形成互聯網絡，進行互聯網絡間尋址、路由、數據報封裝、分片和重組以及某些類型的差錯處理和診斷功能。

傳輸層代表著高層與低層之間的過渡，其下是主要基于硬件、面向數據傳遞的低層，其上是更為抽象、面向軟件應用和功能的高層。

表1 OSI參考模型分層對比[7]

會話層用于建立和管理軟件進程間的會話。有些會話層技術包括名為應用程序接口（API)的軟件工具集。表示層通過操作任務如轉換、壓縮和加密等將數據從一種表示轉換為另一種表示。應用層定義了應用協議，實現用戶應用和其它高層功能。應用層處于協議棧的最頂端，它使用下方各層提供的服務，而不向任何層提供服務。

3 車載以太網在產品車型上的應用

一汽（FAW）紅旗產品某車型是國內首次創新應用車載以太網技術架構的車型，該構架是面向服務的、基于以太網為骨干網絡，集信息域、互聯域、自動駕駛域的多域融合的FAW新一代整車網絡架構，該架構具備支持拓展L2+級自動駕駛和整車級OTA技術的能力，具有高功能安全、高信息安全的技術優勢。

3.1 功能定義

本車型以太網部分主要實現安全防護、車況查詢、遠程控制、手機泊車、移動網絡、WiFi功能、定位導航、信息推送等方面功能。

安全防護主要是在車外需要訪問車內時，需要首先由T-BOX控制器和BCM控制器進行身份認證，通過后才可以進行通信，并且在通信過程中為了保證通信數據的完整性、可追溯性和機密性，防止重放攻擊，需要在通信數據上增加消息校驗碼和新鮮值。

車況查詢為通過手機客戶端后，對剩余燃油、總里程、長時平均油耗、蓄電池電量、4門天窗4個車窗的開關狀態、4門行李箱前機艙蓋的鎖止狀態、車燈（近光、位置、遠光）開關狀態、胎壓值等車輛狀態進行查詢。

遠程車輛控制系統包含的對象實體有目標車輛、手機APP、后臺（含數據中心、門戶運營等）及通信運營商。由T-BOX控制器將接收到的后臺命令轉換為以太網報文，發送給網關控制，再由網關控制器進行以太網報文轉CAN報文的路由發送到車內進行相應的控制，再由網關將各控制的執行反饋由CAN總線路由的以太網發給T-BOX，完成整個閉環的控制。控制類別主要有遠程啟動、遠程解閉鎖、遠程尋車、遠程車窗、天窗、車燈控制、遠程空調控制等。

移動網絡是指T-BOX搭載了移動通信模塊，可以提供語音通話、分組數據上網的功能。但T-BOX不具備顯示和操作的功能，所以需要IVI進行顯示和操作移動網絡。T-BOX具有共享移動通信網絡的功能，供車內其它單元數據上網使用。IVI和T-BOX間的移動網絡功能主要涉及網絡信息顯示、語音電話控制、分組數據轉發。

WiFi功能是指T-BOX搭載的WiFi模塊，具備分享熱點和連接其它熱點的功能。IVI可以通過遠程指令控制T-BOX的工作模式，包括關閉、AP（無線接入點）、STA（站點客戶端），也可以通過遠程命令查詢TBOX的當前模式。

定位導航功能是指T-BOX搭載導航定位模塊，可以通過網絡將定位信息發送至車內其它單元使用。T-BOX采用固定周期遠程通知方式將定位信息發送車內，定位信息內容包括時間年、月、日、時、分、秒、定位狀態、經度狀態、經度、緯度狀態、緯度、高程、航向。

3.2 方案設計

對于3.1章節所描述的功能需求，在之前項目設計時多采用CAN總線進行傳輸相關報文，傳輸效率低，安全性差，本車型項目首次采用以太網傳輸車內信息到車外，由網關控制器與T-BOX控制器進行端對端通信，提高了通信帶寬，同時在網關內部通過防火墻設計和安全通信算法，提高了通信的可靠性。

在本項目設計過程中將這些使用以太網傳輸的報文實現方式劃分為兩類，一類是車內控制器與車外信息進行交互的內容，主要對應安全防護、車況查詢、遠程控制、手機泊車等功能，設計為使用UDP報文路由的方式，其優點為響應及時，數據傳遞快，可以滿足遠程控制、手機泊車等對時延要求較高的應用；另一類主要是基于服務的設計，主要功能為移動網絡、WiFi功能、定位導航、信息推送，這些功能有明確的服務主體和交互流程，應對周期型報文、事件型報文、周期+分配方式的設計方式、以及訂閱機制在不同領域中的應用，以實際的應用功能，詳細對每種工況做出分解，形成SOME/IP協議。

3.3 設計實現

3.3.1 車型以太網節點拓撲結構設計

在本車型項目中，以太網節點主要有網關控制器、T-BOX控制器、IVI控制器、OBD控制器、BCM1控制器（圖2）。其中網關主要實現Switch功能、路由功能；T-BOX和IVI實現互聯功能；OBD、BCM1主要實現DOIP功能。

圖2 車型節點拓撲

3.3.2 路由策略設計

從CAN到以太網的路由，考慮到傳輸效率，網關將接收到的多路CAN總線的信息，打包到一個UDP報文中進行發送，由于一個UDP中包含多個PDU（數據單元），每個數據單元對應一個CAN報文，為保證接收方在解析時能對應到相應的CAN報文內容，將以太網路由的UDP報文數據部分設計為如圖3。

圖3 以太網路由UDP報文PDU數據結構

每一個PDU都有一個數據頭和數據載荷組織，數據頭占8字節，由4字節的ID和4字節的長度組成，ID用于標識后面的數據載荷對應的CAN報文內容，按照如上設計，一幀由多個CAN報文轉為以太網的UDP報文包格式為圖4。

在路由機制設計上，網關內部控制一個10 ms的定時器，當在CAN總線上接收到第一幀需要路由到以太網的CAN報文時，啟動該定時器，并將所接收到的所有CAN報文寫入到緩沖區中，當定時器超時后，將緩沖區中所有的數據打包到一個UDP報文中發送出去。同時，根據CAN報文的優先級，將優先級高的報文設置為立即發送，只要接收到該CAN報文，不等定時器超時，立刻將緩沖區內的數據發送出去。路由機制如圖5。

圖4 以太網路由UDP報文結構示例

圖5 以太網路由UDP報文發送機制示例

3.4 車載以太網仿真結果

針對本項目設計，使用Symtavision軟件對網關控制器、T-BOX控制器、IVI控制器之間的報文傳輸進行仿真，以太網仿真拓撲結構見圖6。

圖6 以太網仿真拓撲

3.4.1 響應時間

響應時間用于分析每個以太網報文在發送方從激活后，再經Switch進行轉發，到接收方接收后的傳輸時間，表示了報文在整個傳輸鏈路的時延。圖7顯示了以太網消息的響應時間，該響應時間按最大值按降序排序，并且還顯示了所有顯示的消息的平均值。最大響應時間為0.174 ms，仿真結果在合理范圍。

3.4.2 端口的最差情況緩存

以太網的端口的最差情況緩存用于分析以太網端口所使用緩沖的大小，用于指導和驗證硬件設計的合理性。圖8顯示了所有以太網端口的端口緩沖的最差情況。所顯示的值非常低，最大為4 289 bit，緩沖區設計要求為4 K完全符合。

圖7 響應時間仿真結果

圖8 緩沖區填充水平仿真結果

3.4.3 以太網端口負載

分析每個以太網端口負載情況。負載情況提供了通過端口傳輸的以太網報文的以太網端口利用率。結果支持總的、執行和調度開銷的利用率。對于所有選定的路由，將在所有以太網端口上出現多播和廣播消息。執行負載僅來自傳輸/執行時間。調度開銷由OS或協議生成。

圖9顯示了包括ECU映射在內的所有以太網端口的平均負載。所有負載值都非常低，所以仿真結果沒有問題。

圖9 以太網端口負載仿真結果

3.4.4 總結

以上仿真結果表明，系統響應時間、負載和緩沖區填充水平均處于最小值，即處于較低水平。這些仿真信息應該用于在開發的早期階段確定以太網網絡的硬件，并為供應商的子系統和零部件設計開發提供輸入。根據預期行為優化硬件需求也將硬件成本優化到必要的最小值。

4 結束語

車載以太網技術是解決智能網聯汽車所需網絡帶寬的一項有效的技術，也是未來汽車發展中一種必然趨勢，這將對傳統汽車的整車網絡架構設計和實現產生顛覆性的影響。本文描述了一個基于實際車型項目的車載以太網技術解決方案，包括拓撲設計、協議設計、仿真計算等。通過車載以太網技術的實現，該車型實現了基于服務的端對端通信，便于后續功能擴展；實現了基于以太網報文的車內數據上傳云端，解決網絡負載問題；實現了基于OTA的遠程升級，滿足整車快速迭代要求；實現了高安全級別的信息安全算法，提高整車安全等級，未來車載以太網將在音視頻傳輸、高等級自動駕駛、安全備份等方面發揮更大的作用。