基于商用車的車載以太網通信技術應用

符丹丹，趙 杰，美少楠，劉 煜

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

隨著汽車智能化、網聯化的快速發展，自動駕駛技術、FOTA遠程升級等技術的不斷革新，傳統車載總線CAN和LIN總線通信速率已不能滿足數據傳輸的需求，以太網技術因其高速、帶寬覆蓋廣、協議開放等優勢，在以太網電磁兼容問題取得技術突破后，車載以太網迅速應用于實車，應用越來越成熟，車載以太網成為下一代汽車骨干網的趨勢日趨明顯。

1 車載以太網技術介紹

車載以太網是在傳統以太網的基礎上，為了解決整車電磁兼容問題，采用雙絞線實現通信。與傳統的CAN、LIN、FlexRay、MOST相比，有以下幾個優勢。

1）通信速率高：車載以太網目前成熟的帶寬為100M或1000M，未來傳輸速率有望會更高；CAN最高為1M，FlexRay為10M，MOST最高可達150M。

2）成本低：車載以太網采用與CAN相同的低成本非屏蔽雙絞線纜，而通信速率同樣比較高的MOST則采用光纖，成本較高。

3）傳輸實時性強：隨著TSN技術的成熟，以太網技術完全可以滿足控制級別的通信，確保控制的實時性。

4）帶寬覆蓋廣、可應用場景多：車載以太網帶寬從10M~1G，未來可達到10G，可以應用在自動駕駛攝像頭數據傳輸、音視頻數據傳輸、地圖下載等各種場景。

車載以太網與傳統以太網協議架構相同，采用OSI參考模型，如圖1所示。

圖1 車載以太網參考模型

車載以太網物理層通過一對雙絞線實現物理層傳輸，滿足車內EMC的要求，IEEE802.3將物理層架構定義如下：PCS、PMA和PMD共同構成物理層核心，有時候被統稱為“PHY”。但PHY的縮寫有時也指整個物理層。BroadR-Reach技術沒有PMD子層，將PMD集成到PMA中。

數據鏈路層分為邏輯鏈路控制（LLC）子層、媒體接入控制（MAC）子層。采用全雙工通信方式，通過點對點通信、特殊硬件和數字處理技術（如回波消除），形成交換式以太網，來實現在一組雙絞線上雙向發送數據。

交互層（IP協議）為設備分配唯一的IP地址，實現沒有連接的2個網絡設備之間的通信傳輸。

傳輸層是OSI中唯一負責數據傳輸和數據控制的一層，提供端到端的交換數據機制。可以分為可靠傳輸（TCP）和不可靠傳輸（UDP）協議。

應用層和中間層，位于協議架構的5~7層，可使用DOIP、SOME/IP、AVB/TSN等多種協議。

2 車載以太網應用場景介紹及拓撲設計

車載以太網的拓撲設計應從整車功能、成本、信息安全等角度綜合考慮。目前車載以太網在商用車重卡的應用場景主要有以下幾個方面：自動駕駛數據的傳輸，音視頻數據傳輸，數據刷寫，動力、底盤及部分車身系統繼續使用傳統的CAN總線通信，根據這4個應用可以設計簡單的Demo，實現整車功能。車載以太網架構及場景如圖2所示。

圖2 車載以太網架構及場景

該架構采用星型拓撲，星型拓撲的結構更加符合現階段域控制器集成的思路，多個控制模塊逐漸集成到域控制器中，通信速度較快，省略了多個ECU之間的通信，交換機只需要放到其中的一個節點中。該架構集成在了網關中，既有交換機的功能，也肩負整車CAN和以太網協議轉化的功能。EGW可預留多個接口，其他節點省去了集成Switch的硬件部分設計，成本較低；后期功能擴展，也更加靈活。

對于星型結構影響信號穩定性很重要的因素就是分支長度，分支長度越小，那么產生的信號也就越好，所以當以太網節點之間的距離過長時，可采用多個交換機的樹形網絡拓撲。

3 車載以太網應用層協議介紹

車載以太網應用層協議很多，本文主要分兩類進行介紹，一類是用于實時通信的協議，主要有AVB、SOMEIP，另一類為用于診斷的DoIP協議。

車載以太網很重要的一個特點就是速度高、帶寬大，所以可以實現音視頻的實時傳輸。以太網雖然在二層網絡引入了優先級（Priority）機制，三層網絡也已內置了服務品質（QoS）機制，但由于多媒體實時流量與普通異步TCP流量存在著資源競爭，導致了過多的時延（Delay）和抖動（Jitter）。AVB技術主要應用在語音、多媒體及其它動態實時數據傳輸過程中，通過保障帶寬（Bandwidth）、限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Timesynchronization），通過建立高品質、低延遲、時間同步的音視頻以太網絡，提供各種普通數據及實時音視頻流的局域網配套解決方案。

SOME/IP是一種滿足汽車需求的開放式協議，位于TCP/UDP協議之上。SOME/IP具有以下特點：①是ECU之間通信序列化和RPC的標準協議；②定義支持遠程過程調用（RPC）的頭格式；③定義如何將應用程序數據序列化為通信線路上的有效負載數據；④兼容AUTOSAR和非AUTOSAR ECU；⑤多平臺支持，可支持不同操作系統，如AUTOSAR、GENIVI。

SOME/IP是一種基于IP協議的可擴展面向服務的設計，它將各種功能以服務的形式提供給最終用戶或者其他服務。在傳統的CAN時代，所有交互都是直接對信號進行收發，直接、簡單、高效。隨著IP網絡在車內的使用，能提供的帶寬越來越高，設計系統愈發復雜，系統工程師們直接操作數據鏈路層變得越來越不可能。這就需要在做系統設計時更多關注更高層面的抽象，在設計通信的時候，把關注層面從bit/byte/frame抽象到method/service，所以，我們需要一套Serviceorientated的架構（SOA）。面向服務的設計如圖3所示，Server提供一個實現服務接口的服務實例，Client使用SOME/IP的服務實例。

圖3 面向服務設的設計

DoIP全稱為Diagnostic communication Over Internet Protocol，遵循ISO 13400協議。DoIP協議應用中，應了解DoIP實體、DoIP網關、DoIP節點、DoIP邊緣節點、網絡節點的概念。DoIP實體是實現了DoIP協議的節點，為DoIP網關或者DoIP節點；DoIP網關，是指實現DoIP協議并能進行報文轉發的節點；DoIP節點，是指實現DoIP協議但不能進行DoIP協議路由的節點；DoIP是邊緣節點，與外部診斷設備直接相連有以太網激活線的節點；網絡節點是連接在IP網絡上，但不實現DoIP協議的節點。DoIP協議的主要應用場景包括故障診斷、軟件刷寫和整車配置。

4 車載以太網控制器測試介紹

車載以太網控制器測試主要可分為物理層測試、協議一致性測試、應用層測試及交換機性能測試。

1）物理層測試分為PMA測試和IOP測試。

PMA測試又稱發送器和接收器測試，主要分為發送端輸出跌落、發送端時鐘抖動、發送端失真等測試。PMA測試需使用網絡分析儀及以太網專用示波器，控制也要求可以在測試模式下通過串口或診斷等方式調整模式，比如發送端輸出跌落測試需要在測試模式1下進行測試，發動端時鐘抖動需在模式2下進行測試。

IOP測試又稱互操作性測試，主要是對系統的連接時間、信號品質以及線束診斷進行測試。IOP測試需要專用的設備進行測試，比較常用的有Golden Divce，隨著車載以太網的普及，目前也有其他測試機構研發的性價比更高的測試設備。

2）協議一致性測試依據OPENTC8標準，包括TCP/IP、AVB、SOME/IP等常用協議，主機廠可以根據整車協議的應用情況選擇響應的協議包。應用層大部分是由主機廠自主定義，可以實現DoIP測試、網絡管理等測試。交換機性能測試分為2層和3層測試，包括吞吐量、時延、丟包率等測試。車載以太網的測試已有專業的設備及機構進行支持，滿足實車應用的基礎。

5 結束語

車載以太網在商用車的應用，將為自動駕駛、OTA等提供技術保障，解決帶寬不足的問題。車載以太網協議相較于CAN的協議更復雜，但是因其從工業以太網發展而來，協議開放，后期速率擴展也將更加便捷。目前百兆以太網的設計及測試標準已經發布，千兆以太網的設計標準也已發布，國內各大主機廠已經紛紛開展車載以太網的應用及測試的研究，隨著技術的不斷成熟，將成為整車下一代骨干網絡應用的必然趨勢。