車載以太網絡技術分析及測試方法研究

鄒博松 王卉捷,2 路鵬飛,3

（1.中國軟件評測中心，北京 100048；2.智能網聯駕駛測試與評價工業和信息化部重點實驗室，北京 100048；3.北京市智能網聯駕駛測試與評價工程技術研究中心，北京 100048）

0.引言

自動駕駛技術的實現離不開傳感器（例如激光雷達，攝像頭，毫米波雷達）對外部信息的采集、處理、傳輸，隨著搭載傳感器數量的增加，傳統車內總線技術已無法支撐自動駕駛所產生的龐大數據量的傳輸[1]。車載以太網絡技術的應用既能提升車內數據的傳輸效率，又可實現車內與車外互聯網世界通信的無縫連接，可滿足車載設備對于電氣特性的要求（EMI/RF）以及對高帶寬、低延遲、音視頻同步等應用的要求，正逐步成為針對車內帶寬受限最直接有效的解決方案。

同時，隨著車載以太網絡技術的不斷發展與成熟，測試驗證環節必不可少，目前行業內存在技術標準不完善、測試方法不統一、工具鏈不完整等問題，迫切需要為車載以太網絡技術設計一套合理的測試指標體系，采用有效的測試方法驗證其通信能力及通信協議一致性。

1.車載以太網絡的發展

車載以太網絡是用于連接汽車內電氣設備的一種物理網絡，可以理解為在傳統以太網協議的基礎上，改變了物理接口的電氣特性，并結合車載需求專門定制了新標準。車載以太網絡發展至今大致經歷了如下3個階段：

第一階段：服務級別。以太網最早應用于汽車上是選擇使用CAT5線纜（100BASE-TX）連接車輛和診斷測試設備，用于車載診斷（OBD）及ECU刷寫，以太網的高帶寬可以有效節省時間成本，提升服務效率。ISO13400（DoIP）和ISO14229（UDS）結合現有行業標準，從物理層、數據鏈路層、傳輸層到上層應用逐層定義了車輛診斷標準。

第二階段：系統級別。自動駕駛技術快速發展，自動駕駛汽車將搭載更多的傳感器、激光雷達及高分辨率攝像頭，同時信息娛樂系統及高級駕駛輔助系統（ADAS）的出現都對車內網絡帶寬、傳輸速率及實時性有了更高要求，傳統的車內總線傳輸已無法滿足，車載以太網絡技術可以有效的解決車內大數據量傳輸、點對點通信以及安全加密傳輸等問題[2]。

第三階段：架構級別。隨著E/E架構向中央計算集中處理的逐步發展，車輛內部以功能區域劃分實現集中處理，區域間實現點對點通信將成為未來趨勢[3]。區域間各節點基于車載以太網絡結構實現面向服務通信也成為車內架構發展方向。車內各域及ECU之間通信將通過以太骨干網絡及交換設備完成。

2.車載以太網絡現有技術

車載以太網絡基于傳統以太網絡分層模型[4]，并由OPEN Alliance和AUTOSAR等聯盟對以太網相關協議進行了規范和補充，圖1給出了目前車載以太網絡各層主要的通信協議。

圖1 車載以太網絡各層主要的通信協議

其中，車載以太網絡層協議基本沿用TCP/IP協議簇，與傳統以太網絡相比，本質區別在于底層物理層的傳輸介質及上層應用層所定義的應用協議。因此，本文重點分析車載以太網物理層、鏈路層以及應用層的關鍵技術及測試內容。

2.1 物理層技術

2.1.1 技術標準

BroadR-Reach目前作為車載以太網絡物理層標準支持長距離的100Mbps、1000Mbps銅纜以太網連接。該標準在物理層上采用了千兆以太網銅纜技術及多電平PAM-3信令和編碼方案減少電纜所需帶寬，同時使用回聲消除器實現一對線纜雙向傳輸[5]。由于其無法滿足ADAS和自動駕駛系統的需求，更無法成為支撐未來車內大數據量交互的骨干網絡，因此國際標準化組織（ISO）及電氣與電子工程師協會（IEEE）分別成立TC22/SC7/WG3工作組及802.3bp小組，主要研究通過一對雙絞線實現高傳輸速率的新標準。

2.1.2 車載以太網物理層元件

2012年，Marvell與Micrel兩家公司聯合發布了全球首款符合IEEE 802.3標準的車載以太網實體元件，其最高可支持100Mb/s傳輸速率。2020年10月，Marvell公司推出第三代產品88Q222xM[6]，增加符合Open Alliance TC10標準的睡眠模式和喚醒功能，且滿足ASIL-D級標準，在AEC-Q100溫度檢測中達到1級標準。同年11月，Broadcom公司推出BCM8989X和BCM8957X兩款產品，分別可支持NGBase-T1（即IEEE 802.3ch）標準的MACsec物理層芯片以及10Mbps到10Gbps速率的L2/L3級車載以太網交換機芯片。可見隨著車載以太技術在車內傳輸架構中的量產使用，車內電纜長度及數量將大量減少，有效實現線束成本的降低及能量消耗。

2.1.3 PoE與1PPoDL技術

以太網供電技術（PoE）是一種可以通過CAT5線纜傳輸數據信號的同時為該以太網設備提供直流供電的技術，IEEE 802.3af是現在PoE應用的主流技術實現標準。隨后，IEEE802.3at技術標準在兼容802.3af的基礎上，提供更大的供電需求，與IEEE802.3af相比較IEEE802.3at可輸出兩倍以上的電力，每個端口的輸出功率可在30W以上，大大拓寬了PoE的應用領域。PoE技術在車載以太網上的應用可有效降的降低線纜數量，同時節約成本開銷。

針對自動駕駛及工業設備用途，IEEE在802.3工作組內提出規范使用數據線供電（PoDL）及使用一對數據線供電（1PPoDL）的技術探討。1PPoDL可用于IEEE 802.3內制定的IEEE P802.3bp RTPGE標準中，該標準目標是使用少于四對信號線來實現GB級傳輸速率。

2.2 鏈路層技術

數據鏈路層主要負責規劃車內通信環境下各個域之間的虛擬局域網劃分，管理優化車內數據流量轉發，并保證車內通信服務質量。相對成熟的技術包括音視頻橋接（AVB）及時間敏感網絡(TSN)。

2.2.1 AVB協議

AVB協議在傳統以太網協議基礎上進行了擴展，通過增加精確時鐘同步、帶寬預留等協議增強了數據傳輸的實時性。主要包含以下幾個部分：

（1）IEEE 1722AVB傳輸層協議（AVTP協議），定義流的媒體格式封裝、媒體的同步機制及地址分配。各種壓縮的與非壓縮的原始音視頻數據流經由原始音視頻數據壓縮后由AVTP協議進行打包，使用專用以太網幀進行組播。通過交換節點設備轉發至已注冊的接收節點，由接收節點完成解封裝、解碼。

（2）IEEE 802.1Qav隊列及轉發協議（FQTSS），用于流的優先級管理和流量整形。

（3）IEEE802.1Qat流預留協議（SRP），根據流量類型進行帶寬控制，保證端到端的帶寬可用性。該協議使用IEEE 802.1ak多注冊協議發送消息，以交換AV流的帶寬描述消息并對帶寬資源進行預留。符合AVB協議的交換節點可將整個網絡帶寬資源進行劃分。

（4）IEEE 802.1AS時間同步協議（gPTP），在IEEE 1588協議的基礎上進行改進，確保網絡中的所有設備時間同步，保證視頻音頻流的同步傳輸和播放。

2.2.2 TSN協議

IEEE 802.1工作組在2012年將AVB更名為TSN時間敏感網絡，主要用于音視頻傳輸、汽車控制及實時監控等領域。TSN是基于以太網的新一代網絡標準，具有時間同步、延時保證等確保實時性的功能。主要包括以下幾部分：

（1）802.1CB幀復制和消除。為提升TSN網絡傳輸的可靠性，增加對數據幀的復制和消除功能，識別、消除鏈路上重復的數據幀。該機制可以使TSN網絡靈活的連接成環形拓撲或其他冗余網絡拓撲結構，從而在發生鏈路故障、電纜斷裂或其他傳輸異常時均能保持可靠的通信傳輸。

（2）802.1Qbv時間感知整形器（TAS）。為車內時間敏感數據提供了降低延時及抖動的保證。該整形器使用802.1AS得到的同步時間定時調度幀的發送，避免了周期性數據幀被非周期性數據幀的影響。時間敏感幀的發送是固定的，并且其延遲也是確定的。

（3）802.1Qci網絡資源管理。主要為防止網絡攻擊和流量過載設計，用于避免流量過載的情況下影響接收節點、阻擋惡意的網絡攻擊等。

（4）802.1Qbu幀搶占。在傳輸過程中，時間關鍵幀可以請求發送器暫停非時間關鍵幀的發送，待時間關鍵幀發送完成后，再繼續發送被搶占的非時間關鍵幀。為保證時間關鍵幀的時效性，非時間關鍵幀可以多次被搶占。

（5）802.1Qcr異步流量整形。將數據流在交換機的輸出端口的輸出隊列里進行合并，以減少數據幀在輸出隊列里的等待時間。該協議不依賴于時鐘同步機制，但比時鐘同步機制具有更高的鏈路利用率。

2.3 應用層技術

2.3.1 SOME/IP協議

SOME/IP協議是一種基于IP傳輸的服務中間件，該協議于2011年由BMW公司設計，并于2013年納入AUTOSAR4.1規范。與傳統CAN總線基于信號的通信方式相比，SOME/IP是一種面向服務的通信機制。在AUTOSAR架構中將此類通信方式定義為C/S接口服務，即在請求發生時SOME/IP才會發出數據，否則不發送數據。在車載網絡中，當兩個ECU互相調用服務時，兩者角色為客戶端/服務，SOME/IP是實現這種遠程服務調用的接口。這種方式可有效降低總線負載，同時實現點對點傳輸且提高數據傳輸的安全性。SOME/IP數據在車載以太報文中的位置如圖2所示。

圖2 SOME/IP數據在車載以太報文中的位置

2.3.2 DoIP協議

DoIP是一種基于車載以太網傳輸的車輛診斷協議。該協議可將UDS消息進行封裝并通過以太網絡基于IP進行傳輸。ISO13400標準從物理層自下而上詳細定義了DoIP協議的通信方式，如何通過TCP/IP與外部設備進行連接[7]。DoIP數據從應用層開始層層向下傳遞，直到構成完整以太網幀通過物理介質發送出去。DoIP數據在車載以太報文中的位置如圖3所示。

圖3 DoIP數據在車載以太報文中的位置

2.3.3 XCP協議

XCP（Universal Calibration Protocol）協議由自動化和測量系統標準協會（ASAM）于2003年在CCP協議的基礎上進行改進發布，其主要功能是測量和標定ECU內部參數，同時該協議也會被用于進行ECU程序刷寫。XCP協議可以實現數據采集與控制器內部運行的任務和中斷同步，保證當ECU軟件更新參數時快速采集到所需的參數值[8]。XCP協議可以支持不同的傳輸層協議，包括CAN、LIN、Ethernet等。基于以太網的XCP傳輸層協議可以使用TCP或UDP，XCP不僅適用于物理控制單元，還可用于測量和調整虛擬控制單元。XCP協議在車載以太網中的幀格式如圖4所示。

圖4 XCP協議在車載以太中的幀格式

2.3.4 UDPNM協議

UDPNM協議由AUTOSAR制定，用于車載以太網的網絡管理，它可以實現車載以太網中各個節點的協同休眠和喚醒。UDPNM為分布式網絡管理，各個節點可以根據網絡管理幀的狀態控制自身的網絡狀態。在睡眠狀態下，當車內某一節點需要網絡通信時，該節點可以通過發送網絡管理幀喚醒網絡。在喚醒狀態下，當車內某節點需要保持網絡喚醒狀態時，該節點會周期性的發送網絡管理幀。當車內網絡中出現有節點準備進入休眠狀態時，該節點將停止發送網絡管理幀。當持續一段時間內車內網絡中沒有任何節點發送網絡管理幀時，則網絡中所有節點進入休眠狀態。

3.測試方法分析

本節圍繞車載以太網絡測試與CAN總線測試在拓撲結構及通信協議兩方面進行差異化比較，同時基于車載以太技術分析物理層測試、鏈路層測試及應用層測試內容與方法。

3.1 CAN與車載以太測試的區別

3.1.1 拓撲結構

車載以太網采用交換式網絡，在物理層測試方面與CAN總線相比在測試內容及測試方法上均差異較大。CAN總線物理層測試僅需測試其電氣特性，而車載以太不僅需要對物理層電氣特性進行測試，即PMA測試；還需要針對其點對點特性進行互操作測試，即IOP測試。

在車載以太網架構中，分為終端節點與交換機節點。由于車內所有消息傳遞都需要經過交換節點進行轉發，因此對于交換節點設備的性能要求較高。與終端節點相比較，交換節點的測試在內容上有所區別[9]。其中交換節點特有的測試內容包括轉發性能測試、功能測試、路由測試等。

3.1.2 通信協議

車載以太網各層在沿用部分傳統以太網協議的同時，新增了與汽車應用相關的協議，例如UDS、DoIP及SOME/IP等。因此車載以太網所涉及的協議相較CAN通信更多，需測試內容也更復雜。表1將車載以太與傳統CAN通信在測試內容上進行了對比。

表1 車載以太與傳統CAN通信的測試內容對比

3.2 物理層測試

2020年OPEN Alliance聯盟更新了TC8規范，對車載以太網物理層測試提出了技術指標要求，主要包含IOP（Interoperability Tests）測試及PMA（Physical Medium Attachment）測試兩個方面[10-13]。

3.2.1 IOP測試

對車載網絡中各節點間信息交互進行點對點互操作測試，測試內容包括：上電時間、喚醒時間、信號質量（SQI）、線束診斷（開路診斷、短路診斷）等，詳見表2。

表2 IOP測試內容

3.2.2 PMA測試

PMA子層主要功能是對PCS子層傳下來的數據比特進行編碼、處理和傳輸，測試目的是評估收發器物理層接口特性是否滿足要求，主要內容見表3。

表3 PMA測試內容

3.3 鏈路層測試

TC8規范要求車載以太網鏈路層測試內容包括VLAN、幀過濾、時間同步、服務質量和配置等。

3.3.1 VLAN測試

VLAN測試其目的是檢測DUT在測試過程中，報文轉發行為是否滿足其VLAN配置需求。測試DUT是否根據VLAN配置要求將標記數據幀轉發到相應端口，對未做標記的幀進行丟棄。一般情況下使用ICMP報文和ARP報文對內部端口進行測試，如果目的端口為外部端口則采用廣播報文進行測試。測試環境設置是將測試設備（例如：Sprint C50）與DUT相連接，通過測試設備構造測試數據報文并發送到DUT，監聽相應的端口是否收到期望報文。

3.3.2 配置測試

配置測試其目的是驗證DUT在未完成配置前，是否支持轉發模式。車載以太交換節點在未完成配置的前提條件下上電，該節點不應對接收報文進行轉發。測試的方法是通過Test Station向DUT的各端口發送報文，同時監聽各端口收到的報文情況。如果在DUT配置完成后端口才收到轉發報文，則證明DUT在完成配置前不支持轉發模式。

3.3.3 幀過濾測試

幀過濾測試其目的是檢測DUT幀過濾規則，驗證是否根據車內實際通信需求，對數據幀進行丟棄或轉發，或對特定數據幀的入口速率進行限制等。

3.3.4 時鐘同步測試

時鐘同步測試是為了檢測DUT主端口的檢查從時間同步主端口傳輸的時間信息是否由于干擾業務而失真。時間信息會不會受到干擾。該測試要求DUT具備至少一個符合IEEE1588或IEEE802.1AS/IEEE8021.1AS-Rev的時鐘同步主端口，并且需要橋接時域中的時鐘同步主端口。

3.3.5 服務質量測試

服務質量測試指的是驗證DUT的服務質量配置是否嚴格按照需求設置。主要包括幾個方面：（1）驗證是否實現流量擁塞管理，在車內出現轉發擁塞時采用隊列調度等方法對符合條件的報文優先發送，或對報文進行丟棄；（2）驗證端口是否使用加權、輪詢等方式作為數據傳輸依據；（3）是否按要求配置了VLAN優先級和內部流量不同類別之間的映射關系；（4）驗證是否正確配置基于速率的流量整形；（5）驗證端口是否配置流量轉發優先級作為數據傳輸的必要策略。

3.4 應用層測試

車載以太協議棧中應用層協議主要包括SOME/IP、DoIP、XCP、DHCP等，本節以專門應用于汽車領域的SOME/IP為例進行分析，測試主要包括服務發現（SD）報文以及SOME/IP通信報文的格式以及通信行為。TC8規范提出測試內容主要分為Server測試和增強測試服務（Enhanced Testability Service，ETS）兩部分[10-13]。

3.4.1 Server測試

主要測試SOME/IP在被測對象作為Server節點時的協議棧實現情況。測試過程可通過測試儀表與被測對象連接，進行服務訪問交互。Server測試主要圍繞協議一致性，從服務發現（SD）過程、報文結構、RPC通信機制等方面進行。

3.4.2 增強測試服務（ETS）

它是為實現測試功能專門制定的一個服務，在TC8里給出了服務接口及運算邏輯的定義。測試時該服務需要集成到被測件（DUT）里，集成之后能夠實現與測試儀之間的交互，從而實現對協議棧的測試目的。ETS測試包括序列化，遠程調用，服務發現、發布、訂閱等內容。測試過程包括正向測試和反向測試兩個維度，正向測試使用有效消息進行測試，逆向測試則使用無效消息來驗證服務的錯誤處理能力。

對于SOME/IP協議的測試環境搭建，行業目前已有較為成熟的軟硬件解決方案作為參考。其中硬件環境主要包括3部分，分別為執行測試軟件包的PC，作為網絡接口進行以太網報文收發的VN5640以及VT供電系統；測試軟件采用Vector公司的CANoe，在SOME/IP模板工程的基礎上進行開發。

4.總結

本文圍繞車載以太網絡，從發展階段、現有技術及測試方法幾個方面進行研究分析。聚焦車載以太網絡物理層、鏈路層、應用層關鍵技術要點，結合智能網聯汽車行業內已有國內外技術標準，從測試內容、測試指標及測試方法等方面提出解決辦法。