車載以太網測試技術發展研究

【摘" 要】隨著汽車行業的快速發展，車載以太網作為新一代汽車通信網絡技術，其測試技術的發展顯得尤為重要。文章聚焦車載以太網，對車載以太網測試技術的產生背景、發展歷程，以及物理層測試、一致性測試、功能測試和性能測試等方面內容進行詳細介紹。同時，對當前市面上車載以太網的測試方法、現存問題進行深入研究。指出車載以太網測試目前面臨的問題與挑戰，以及未來的技術發展趨勢，旨在為汽車制造商及零部件供應商在車載以太網測試方面提供極具價值的參考。

【關鍵詞】車載以太網；物理層測試；一致性測試；功能測試；性能測試

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）03-0098-07

Research on the Development of Automotive Ethernet Test Technology

【Abstract】With the rapid development of automobile industry，as a new generation of automobile communication network technology，the development of vehicle Ethernet test technology is particularly important. This paper focuses on on-board Ethernet，and introduces in detail the background and development of on-board Ethernet test technology，as well as physical layer test，conformance test，functional test and performance test. At the same time，the test methods and existing problems of on-board Ethernet in the current market are deeply studied. On this basis，the paper points out the current problems and challenges of on-board Ethernet testing，as well as the future trend of technology development，aiming to provide a valuable reference for automobile manufacturers and parts suppliers in on-board Ethernet testing.

【Key words】vehicle ethernet；physical layer testing；conformance testing；functional testing；performance test

在當前汽車技術飛速發展的背景下，車載以太網已經逐漸成為現代汽車通信的關鍵技術。該技術采用專為車輛環境設計的特殊線纜，可以實現高速傳輸，包括100Mb/s甚至1Gb/s速度等級[1]。與傳統以太網相比，現代技術更加符合汽車行業對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、高效帶寬分配和低時延等方面的要求[2]。目前，車載以太網技術大多遵循博通公司開發的BroadR-Reach（BRR）技術標準，其配置包括高級駕駛輔助系統ADAS，如圖1所示。

本文對車載以太網的發展歷程、車載以太網、測試及方案進行深入研究，旨在為車載以太網的應用與發展提供技術支持。

1" 車載以太網發展歷程

1980年，以太網1.0版本問世，標志著車載以太網標準研究取得了突破性成果。1985年，IEEE 802組織正式發布基于CSMA/CD機制的10M以太網技術。之后，BRR技術成功應用于寶馬5系車型的環視技術，并順利實現大規模量產。近年來，OPEN聯盟組織與汽車制造商及供應商保持著緊密的合作關系，共同推出了車載以太網電子控制單元測試規范TC8以及休眠喚醒規范TC10[3]。

2" 車載以太網介紹

2.1" 基本架構

目前，車載以太網采用與傳統以太網相同的OSI 7層模型，如圖2所示。與傳統以太網物理層相比，車載以太網引入了100BASE-T1和1000BASE-T1方案，以此滿足自動駕駛對高實時性和高可靠性的需求，數據鏈路層引入了時間敏感網絡，且傳輸層與網絡層繼續沿用TCP/IP協議族；應用層引入一些中間件，如SOME/IP和DDS，用于實現控制器之間面向服務的通信。另外，引入基于以太網的診斷技術DoIP，通過以太網連接車輛內部的電子控制單元，實現診斷、編程和配置功能[4]。

2.2" 物理層

車載以太網物理層是在汽車環境下實現以太網數據幀傳輸的底層技術，其負責將數字信號轉換為適合在車輛內傳輸的模擬信號，并通過特定的傳輸介質進行傳輸[5]。由于車輛環境的特殊性，車載以太網物理層需要適應高振動、寬溫度范圍、電磁干擾等惡劣條件，因此設計要求比傳統以太網物理層更為嚴格，其主要技術如圖3所示。

2.3" 數據鏈路層

數據鏈路層由邏輯鏈路控制層（LLC）和媒體訪問控制層（MAC）構成。LLC層與物理傳輸介質無關，主要負責為上層服務提供支持、確定鏈路地址以及管理數據鏈路通信等任務。而MAC層的主要職責有封裝數據幀、制定總線訪問策略、設定尋址方式以及提供錯誤檢測等功能。這種分層設計使得上層軟件能夠獨立于物理鏈路運行，同時也確保了MAC層的標準化。

2.4" 通信協議

車載以太網的網絡層和傳輸層沿用了傳統的以太網技術，主要包含ARP、ICMP、IP、TCP和UDP等協議，這些協議在車載以太網中發揮著至關重要的作用。在應用層引入了SOME/IP、DDS等中間件技術，并支持基于以太網的診斷協議DoIP。其中，SOME/IP是目前汽車行業實現SOA架構的關鍵通信協議，它支持服務發現、遠程服務調用以及進程間信息讀寫等功能，其主要通過Method、Event和Field3種方式來實現功能，Method用于定義服務接口，Event用于發布事件通知，Field用于提供變量訪問，如圖4所示。

3" 車載以太網測試

3.1" 物理層測試

目前針對車載以太網的物理層測試，主要依據OPEN聯盟組織設定的單線對車載以太網控制單元測試標準TC8，該標準規范了測試內容和要求，涵蓋兩個核心領域：互操作性（IOP）測試和物理介質連接（PMA）測試。

3.1.1" IOP測試

根據TC8的要求，IOP測試主要包括線纜診斷測試、鏈接時間測試和信號品質測試。

線纜診斷測試主要針對車載以太網的雙絞線，檢測其有無故障，通常當電纜處于短路或開路的狀態下檢測其遠端和近端的情況。該檢測使被測設備（DUT）能有效監測總線處于故障或開路狀態，從而能夠確定問題發生的位置，并把問題通過檢測的方式報告出來。

鏈接時間測試用來衡量DUT與對端設備之間建立連接所需的時間，保證控制器能如期建立連接，防止鏈接建立時間出現顯著的不一致。在TC8中又將鏈接時間測試分為觸發-鏈路伙伴上電、觸發-DUT上電及觸發-喚醒DUT這3項測試。

觸發-鏈路伙伴上電測試主要為了檢測與DUT所鏈接系統的鏈接時間是否滿足要求。測試過程為：首先鏈路伙伴上電之后記錄時間為tstart，然后查詢鏈路伙伴寄存器狀態，當鏈路控制與鏈路激活時間相等時記為tstop，上電和鏈路連接之間的時間為tup=tstop-tstart，關閉鏈路伙伴，執行該過程100次，算出[σt]、tmin和tmax。計算公式如下：

觸發-喚醒DUT測試是為了檢測DUT從睡眠狀態觸發喚醒到鏈接建立所需的時間。具體測試過程為：首先打開DUT的喚醒信號記錄時間為tstart，然后查詢鏈路伙伴寄存器狀態，當鏈路控制與鏈路激活時間相等時記為tstop，上電和鏈路連接之間的時

信號品質測試是對車載以太網系統通信信號進行測試和評估的過程。進行測試時，可以使用特定的測試設備來注入人工干擾噪聲，模擬車輛環境中可能遇到的干擾情況，觀察DUT信號品質指示的變化。

3.1.2" PMA測試

根據TC8標準的測試需求，通常采用示波器、矢量網絡分析儀及適配的軟件與選件對其進行測試，需要將PHY配置為特定的模式類型，可以在選擇好的模式下繪制出特定的波形信號，測試模型主要有模式1、模式2、模式4和模式5。

通常PMA測試遵照標準IEEE 802.3BW與OPEN聯盟組織發布的TC8。本文對TC8測試標準進行深入研究，當前TC8版本有V1.0、V2.0及V3.0，表1列舉了TC8各個版本的測試項。

3.2" 協議一致性測試

協議一致性測試旨在評估DUT的協議實現是否符合OSI模型定義的通信協議標準。該測試主要對應OSI中傳輸層與網絡層的TCP/IP測試、應用層測試及AVB協議測試。本文針對以上協議展開詳細敘述，協議一致性測試連接示意如圖5所示。

3.2.1" TCP/IP測試

TCP/IP表示傳輸控制協議/互聯網協議，是一組允許數據在多網絡間無縫交換的協議集合。TCP一致性測試涉及檢查TCP報文格式的正確性，測試TCP連接的建立、維護和終止流程，以及評估TCP的流量管理和可靠性機制，IPv4一致性測試主要包括報文格式與傳輸測試[6]。

1）TCP報文格式測試。該測試主要為了確保DUT能正確處理TCP報文，包括創建合法的TCP報文頭，并適當地接收或忽略接收到的報文。測試可能涵蓋：①驗證DUT是否能正確應對預留字段，無論設置為0還是非0的TCP報文，這些預留字段屬于TCP報文頭，用于將來可能的擴展；②檢查DUT是否能正確處理校驗和為0的TCP報文，接收方使用該字段對收到的數據進行校驗，以確認數據是否在傳輸過程中被修改。

2）TCP連接的建立、管理及終止測試。該測試為了確保DUT能夠正確進行TCP連接的建立、管理和終止，以及正確處理各種可能出現的錯誤情況。①TCP連接建立測試：通過“三次握手”過程完成，具體過程如圖6所示；②TCP連接終止測試：通過主動或被動關閉過程完成測試。在主動關閉過程中，DUT發送一個FIN報文給對方，等待對方確認。在被動關閉過程中，DUT收到對方的FIN報文后，發送一個確認報文給對方。

3）TCP流量控制功能及可靠性測試。該測試為了確保DUT能夠正確處理各種網絡狀況，以保證數據的可靠傳輸，測試項主要包括以下幾種。

①TCP報文重傳機制測試。該測試是TCP的一種可靠性保障機制。如果發送方沒有收到接收方的確認報文，則會重新發送報文，直到接收到確認為止，有效保證數據的可靠傳輸。

②愚笨窗口綜合征避免算法測試。在TCP中，如果接收方的接收窗口過小，可能會導致發送方頻繁發送小的數據包，被稱為“愚笨窗口綜合征”。為避免這種情況，TCP使用一種稱為“報文重傳避免算法”技術，該技術可以使發送方等待一段時間，直到接收方有足夠的空間接收更多的數據時再發送數據。

③Nagle算法測試。一種用來減少網絡中不必要的小數據包數量的算法。在Nagle算法中，發送方將多個小的數據塊合并成一個大的數據塊發送，有利于縮小數據包的數量，增強網絡的傳輸速率。

4）IPv4報文格式與傳輸測試。在測試中，需要驗證IPv4報文的各個字段是否符合標準規定，以及報文在傳輸過程中的正確性。①IPv4報文格式測試：報文格式包括版本號、服務類型、總長度、頭部校驗和、源地址、目的地址等字段；②IPv4報文傳輸測試：在傳輸過程中，報文可能會經過分片和重組，測試時，需要驗證分片和重組的過程是否正確。

3.2.2" 應用層測試

應用層協議與OSI模型的第5～7層相對應，直接與終端用戶交互。這些協議包括但不限于：SOME/IP、DHCP、DoIP及Service Discovery，這些協議構成了用戶可以直接使用的功能模塊，提供多樣化的服務。由于SOME/IP與DoIP是車載以太網重點引入的協議，本文著重介紹這兩個協議測試。

1）SOME/IP協議一致性測試。SOME/IP是專為車載以太網通信設計的一種協議，提供面向服務的可伸縮平臺，寶馬公司是其開發者和主要應用者。車載以太網SOME/IP協議一致性測試參考OPEN聯盟組織中的TC8標準進行測試，具體測試包括SOME/IP Server測試和SOME/IP ETS測試[7]。SOME/IP Server測試主要對設備中運行的SOME/IP應用程序功能進行評估。此過程選擇代表性的服務和操作，并通過測試平臺模仿客戶端向DUT發送請求，隨后收集DUT的響應，以確認其能否發出消息和響應請求。SOME/IP ETS測試通常采用TC8指定的ETS來擴展SOME/IP服務器測試的范圍。ETS提供了包括Method、Event和Field在內的一整套服務，涵蓋了SOME/IP所能支持的所有數據種類。

2）DoIP協議測試。DoIP協議是DoIP利用IP網絡進行汽車診斷的一種通信協議，因其傳輸數據速度快而被車載以太網使用，其可以提供更高的數據傳輸速率和更大的帶寬，特別適用于需要傳輸大量數據的診斷和軟件刷新任務[8]。

DoIP數據報文由報文頭和有效數據組成，并集成于以太網幀內，其數據報文的結構如圖7所示。

對DoIP數據結構了解與分析可促進DoIP協議的測試[9]，其數據結構是DoIP協議測試的基礎和關鍵。具體測試內容如下。

①車輛診斷激活使能測試：檢查車輛是否可以正確通過以太網接口進行診斷操作。

②以太網UDS測試：檢查DUT是否能夠支持基于以太網的UDS協議。

③DoIP數據報文格式：檢查DUT發送和接收的DoIP數據報文是否符合標準的要求。

④DoIP診斷流程：檢查DUT在進行DoIP診斷時，是否按照規定的流程進行操作。

⑤DoIP時間參數：檢查DUT在進行DoIP診斷時，是否在規定的時間內完成操作。

⑥刷寫測試：檢查DUT是否支持DoIP協議進行軟件刷寫操作。

3.2.3" AVB協議測試

AVB協議測試包括部件級測試和系統級測試，其目的是為了驗證協議配置與實現的正確性。

依據AVnu聯盟制定的測試標準，部件級測試包括車載gPTP測試、車載AVB Bridge流類測試、車載終端節點媒體格式和流類測試。檢測gPTP協議一致性測試，包括參數和配置、gPTP-Bridge特定測試和gPTP協議狀態機；確保對AVB Bridge的FQTSS協議進行一致性評估，涵蓋Bridge端口優先級映射檢查、基于信用的整形策略驗證以及端口數據傳輸測試等環節；檢驗對車載AVB設備的AVTP協議一致性測試，包括音頻時鐘參考格式測試、AVTP通用需求測試、流預留類測試等[10]。

系統級測試主要針對AVB節點有關的同步特性和時間參數，包含時間抖動、時延、同步性能及啟動時間，旨在驗證節點是否滿足系統的參數定義、配置需求及特定場景的應用需求。

3.3" 功能測試

車載以太網功能測試是一項重要的汽車網絡通信測試，涵蓋了數據鏈路層和網絡層的功能驗證。該測試確保車載以太網能夠滿足汽車網絡通信的需求，提供高效、穩定且可靠的數據傳輸服務。該功能測試包含的主要測試項如圖8所示。

3.3.1" 數據鏈路層功能測試

數據鏈路層測試著重驗證車載以太網的核心功能。首先，幀傳輸測試確保數據幀的準確發送與接收，包括標準以太網幀和汽車定制幀；其次，測試錯誤檢測與處理功能，如CRC校驗，以確保能夠有效識別并處理傳輸過程中的錯誤；最后，進行兼容性測試，以確保車載以太網能順利與其他設備或系統交互。

3.3.2" 網絡層功能測試

網絡層功能測試主要聚焦于IP服務的效率和正確性。首先，進行IP地址配置測試，包括靜態和動態分配，以確保每個設備都能正確獲取并使用IP地址；此外，測試網絡層的故障檢測和恢復能力，如ARP請求和ICMP錯誤消息的處理。最后，網絡層的服務品質測試也是重要一環，如優先級設置和帶寬管理，以確保關鍵數據的優先傳輸。

3.4" 性能測試

車載以太網作為現代汽車電子架構的基石，其性能測試是一項綜合且嚴謹的工作，覆蓋多個層面，以確保在復雜的汽車環境中實現高效、穩定、安全的數據傳輸，其主要包含的測試項如圖9所示，主要涉及到OSI模型中的數據鏈路層、網絡層和傳輸層，本文重點介紹這3層的相關內容。

3.4.1" 數據鏈路層性能測試

數據鏈路層性能測試專注于提升車載以太網運行效率和穩定性。包括幀傳輸速率測試，評估在不同負載下數據傳輸速率和時延，以驗證帶寬的利用率；同時，進行丟包率測試，檢查在網絡繁忙或異常情況下發送與接收數據的完整性；此外，測試多設備并發通信時的性能，確保優先級協議能有效避免關鍵數據傳輸的阻塞。

3.4.2" 網絡層性能測試

網絡層性能測試主要關注車載以太網處理能力和穩定性。首先，IP包處理能力測試，評估網絡層在高負荷下的吞吐量，確保其能在大量數據傳輸時保持高效性能；其次，時延測試通過衡量數據包從發送到接收所需的時間來評價網絡性能，對于實時性要求較高的車載應用而言，低時延至關重要；此外，丟包率測試用于檢驗網絡在壓力條件下的穩定性，高丟包率可能影響服務品質和用戶體驗。丟包率的計算公式如下：

另外，路由性能測試旨在驗證網絡層在處理復雜路由決策時的速度和準確性；最后，評估網絡層的容錯性和恢復能力，如在故障發生后的恢復時間。

3.4.3" 傳輸層性能測試

傳輸層性能測試主要關注TCP/IP協議的效率和可靠性。首先，TCP連接建立與釋放測試，確保快速且無誤的連接建立和釋放過程；其次，評估TCP的擁塞控制算法，如慢啟動和擁塞避免，以防止網絡擁塞并確保數據傳輸的穩定性。對于UDP協議，關注其無連接特性帶來的實時性能；最后，通過端到端時延和吞吐量測試，衡量數據傳輸的速度和實時性。

4" 車載以太網測試方案

4.1" 物理層測試方案

目前針對車載以太網物理層測試，一些領先企業已經采用軟硬件結合的測試方案，能夠較為便捷地滿足物理層標準測試的需求，在測試完成后能夠自動生成報告，便于根據報告判斷DUT是否滿足要求。測試方案在硬件方面主要采用示波器、矢量網絡分析儀和測試夾具；軟件方面采用與示波器適配的軟件，可以直接安裝在示波器上進行測試，客戶可根據具體的測試需求選擇不同的測試模式和方式，其測試框圖如圖10所示。盡管該方案能夠方便地測試DUT是否滿足標準要求，但不同廠家之間的軟硬件無法實現兼容，給客戶帶來極大的不便。

針對上述問題，綠測科技基于自主研發的GtestWorks軟件平臺，正致力于開發一個全新的軟件平臺，旨在實現對多家廠商硬件的兼容性，即無論客戶選擇哪個廠家的硬件都可以進行測試，給客戶提供更大的選擇，方便客戶使用。該軟件的初步開發界面如圖11所示，測試過程產生的波形圖如圖12所示。

4.2" L2～L7層測試方案

為滿足L2～L7層測試需求，該測試方案采用網絡分析儀及適配軟件對DUT進行測試，具體測試框圖如圖13所示。部分企業采用自主研發的軟硬件，能夠全方位滿足標準測試需求，并自動生成符合標準要求的測試報告。然而，目前各企業間的測試方案存在顯著差異，缺乏統一規范的格式。現有的部分企業方案雖具備全面性，可以覆蓋所有的測試項目，但成本相對較高，對于測試需求較少的客戶，成本效益不理想。部分企業測試方案較為精簡，未能涵蓋所有常用測試項，無法完全達到標準要求。此外，不同廠家間的軟硬件兼容性問題也限制了客戶在硬件選擇上的靈活性，導致無法實現成本最優化。

針對上述問題，綠測科技計劃在物理層測試軟件的開發基礎上，進一步研究開發針對L2～L7層測試的軟件，旨在實現與各廠商軟硬件的兼容性，同時涵蓋客戶所需的測試項目，具有較高的性價比。例如，性能測試包含的測試標準有RFC 2544、RFC 2889、RFC 3918，初步設計界面如圖14所示。

5" 結論與展望

本文梳理了車載以太網發展歷程、測試項目及相應的測試方案，并對當前測試項目進行詳盡闡述。鑒于現有測試標準及方案的局限性，介紹了綠測科技針對不同制造商軟硬件兼容性問題所進行的創新性研究，綠測科技正致力于研發新款測試軟件，以期打破軟硬件之間的兼容壁壘，為客戶提供更強的靈活性和更大的選擇空間，具有較高的價值。

隨著車載以太網的快速發展，目前存在諸多挑戰。諸如在軟硬件技術持續進步的背景下，確保軟硬件之間的兼容性及性能穩定成為一大挑戰；同時，車載以太網的測試標準與協議繁多，進一步加劇了標準化與兼容性實現的難度。

未來發展過程中，一方面需要各個國際組織積極推進車載以太網測試的標準化進程，實現車載設備的互操作性并降低成本；另一方面需要與無線通信技術深度融合，通過集成車載Wi-Fi、5G等無線連接技術，實現車輛與外部網絡的無線連接，為支持更加廣泛的車載服務應用場景打下基礎。

參考文獻

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