車載以太網技術發展與測試方法研究

孟祥坤，張起朋，張宏偉

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

近年來，隨著汽車技術的發展，汽車電子產品數量逐年增加，復雜性日益提高，車內IC增長率已超越所有其他的電子領域。現在，越來越多的汽車需要配備高級駕駛輔助系統 （ADAS）、車載信息娛樂系統 （IVI），大量流媒體數據的傳輸要求總線具備更高的傳輸能力。隨著無人駕駛技術的發展，汽車需要配備更多的攝像頭、雷達等傳感器，這些感知系統會采集到大量的數據，要將這些數據快速完整地傳輸到計算處理單元，并及時地做出響應，也對總線的數據傳輸能力和可靠性提出了非常高的要求。

面對汽車發展的趨勢，對汽車電子總線的要求也越來越高，需要汽車總線具備更高的數據傳輸能力，汽車電子單元的復雜性要求汽車總線具備開發架構，可擴展、支持更多的系統和設備通信，同時要成本更低、抗干擾能力更強、通信更安全，最好可利用現有成熟的總線技術。基于這些考慮，以太網技術進入了人們的視線。但傳統的以太網主要應用于工業和消費級領域，汽車電子環境更為嚴酷，應力條件和EMC要求更高，因此傳統的以太網技術在汽車中并不適用。為了解決這些問題，車載以太網應運而生，具備更高的傳輸速率 （100 Mb／s&1000 Mb／s），適應嚴苛的汽車電子應用環境 （溫度、應力、復雜電子環境），成本更低、質量更輕，高可靠性、低功耗，低電磁輻射、滿足特定EMC標準。

2008年，BMW第一次將100Base-T應用到車載診斷系統（OBD）。2011年，博通推出了BroadR-Reach車載以太網技術，實現以太網從OBD應用到車載網絡的過渡。2011年11月，由博通、恩智浦、飛思卡爾和哈曼國際發起的OPEN聯盟 （One-Pair Ethernet Alliance）成立，旨在推動將基于以太網的技術標準應用于車聯網中。2014年，BMW-X5成為首款采用BroadR-Reach以太網技術的量產車型。目前，眾多品牌車型上都使用了BroadR-Reach技術，如寶馬X3、X4、X5、X6、i3、i8、6系和7系，捷豹XJ、XF，大眾帕薩特等。未來，將會有越來越多的量產車型采用車載以太網技術。

1 車載以太網技術

1.1 車載以太網技術簡介

車載以太網是一種用以太網連接車內電子控制單元（ECU）的新型局域網技術。與普通以太網技術采用4對非屏蔽雙絞線傳輸數據不同，車載以太網是在單對非屏蔽雙絞線上可實現100 Mb／s甚至1 Gb／s的數據傳輸速率。相比普通的以太網，能夠更加適應車輛環境，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。

1.2 車載以太網協議架構

車載以太網協議架構對應OSI參考模型，主要分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層，每一層都有各自的功能，車載以太網的協議架構圖和支持的應用協議及協議簇見圖1。

1.2.1 物理層與數據鏈路層

車載以太網的物理層采用博通公司的BroadR-Reach技術，源于100Base-TX及1000Base-T技術，由博通公司聯合恩智浦、飛思卡爾、哈曼國際等發起成立的OPEN聯盟 （One-Pair Ethernet Alliance）進行推動，并成為開放的產業標準。

圖1 車載以太網協議架構圖

BroadR-Reach技術在一對UTP上全雙工傳輸100 Mb／s原始數據，傳輸距離可以達到5 m，因此，BroadR-Reach技術也稱為百兆以太網技術。BroadR-Reach車載以太網信號具備3電平，采用PAM-3編碼，傳輸頻率66.66 MHz，1 bit時間間隔為15 ns。

BroadR-Reach技術與傳統以太網物理層100Base-Tx相比，采用高度優化的擾頻器，可以更好地分離信號，頻譜效率更高。同時，車載以太網的信號帶寬為66.66 MHz，只有100Base-Tx的一半，較低的信號帶寬可以改善回波損耗，減少串擾，并確保車載以太網可滿足汽車電磁輻射標準要求。

BroadR-Reach提供標準以太網的MAC層接口，因而能夠使用與其它以太網類型相同的數據鏈路層邏輯功能及幀格式，能夠通過與其他以太網類型相同的方式運行高層協議和軟件。

車載以太網的數據鏈路層采用IEEE802.3的接口標準，無需做任何示范與修改就可以與普通以太網的數據鏈路層技術進行無縫接連，并可以支持高層的網絡通信協議 （如TCP／IP）。

1.2.2 TCP／IP 協議簇

TCP／IP協議簇主要對應OSI參考模型的網絡層和傳輸層，是一類協議的統稱。網絡層主要包括ARP（地址解析協議）、ICMP（因特網控制報文協議）、IPv4／v6（因特網協議類型4／6）、IPv4 Autoconfig（IPv4本地地址動態配置）等，傳輸層主要包括TCP（傳輸控制協議）、UDP（用戶數據報協議）。

TCP／IP協議簇是網絡協議棧的中心部分，是上方的應用協議和下方的物理硬件通道之間數據傳輸的連接點，起到高層應用與網絡協議之間的橋梁作用。車載以太網的TCP／IP協議簇所包含的協議，和普通以太網的TCP／IP協議基本相同，可以支持更上層的協議。

1.2.3 應用層協議

車載以太網應用層協議對應OSI參考模型的5-7層，直接面向用戶。協議主要包括SOME／IP（基于IP協議的可伸縮面向服務中間件）、DHCP（動態主機配置協議）、DOIP（汽車診斷服務協議）、HTTP（超文本傳輸協議）、Service Discovery（服務發現）等。應用層協議可以為用戶提供多種服務，是用戶能夠具體應用的部分。如DOIP可以應用到車輛診斷和固件升級。

1.2.4 AVB協議簇

汽車隨著技術的發展，增加了越來越多的語音、視頻、圖像等娛樂功能，同時也增加了輔助駕駛功能，這就對汽車內部的數據傳輸提出了很高的要求，需要大量的傳輸語音視頻數據，為了滿足車內的低延時、高帶寬、高可靠的要求，可以使用基于以太網的音視頻橋技術 （AVB）。AVB是一系列IEEE 802.1標準集合，主要用于提升信息交換的容量、行業支持和AV產品的標準化。音視頻橋通常指交換機，其目的是為音頻和視頻數據提供時間同步、低延遲和保證帶寬預留的流媒體功能。AVB協議簇主要包括時間敏感應用時序和同步協議、流預留協議 （SRP）、隊列及轉發規則（FQTSS）、音視頻傳輸協議 （AVBTP）。

2 車載以太網標準化

車載以太網為了投入使用，形成一個產業，需要標準化。通過標準化，打通行業上下游的產業鏈，同時縮短產品的開發周期以及后期的維護。車載以太網標準化的過程中，OPEN聯盟、IEEE 802.3和IEEE 802.1工作組、AUTOSAR聯盟和AVnu聯盟起到了巨大的推動作用［1］，現階段標準化的情況見表1。

隨著智能網聯汽車的發展，ISO國際標準化組織也開始關注車載以太網，并將車載以太網標準納入到網聯汽車標準體系中，ISO／TC22工作組目前正在制定車載以太網標準，具體見表2。

表1 車載以太網現階段標準化

表2 正在制定標準

3 車載以太網測試

現在，汽車行業對可靠性和安全性要求越來越高，車載以太網在應用的過程中，為了保證其可靠性與安全性，就迫切需要對其開展測試工作。傳統的以太網測試和車載以太網測試還存在著一定的差異，因此傳統以太網測試方法并不適用于汽車以太網測試。汽車行業對測試的要求更高，所以需要由相應的組織或聯盟制定車載以太網測試標準。目前，業界通用的車載以太網測試方法參考OPEN聯盟制定的TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification［2］和 TC-11 Ethernet Switch Test Specification［3］標準，測試的內容主要包括物理層測試、車載以太網交換機測試、協議層與應用層除了AVB／TSN以外的一致性測試。下面就這些測試內容和測試方法做具體的介紹。

3.1 物理層測試

車載以太網物理層測試主要包括兩個方面的測試：PMA（Physical Media Attachment） 測試和IOP （Interoperability）測試，即互操作性測試。物理層測試的目的是為了保證端口的互連互通性能，檢測發送器和接受器發送或接收信號是否符合汽車通信標準。

3.1.1 PMA測試

PMA（物理媒質接入層）主要評估車載以太網的電氣特性，針對PMA測試方面，OPEN聯盟于2014年6月發布"BroadR-Reach Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications V3.2"規范標準，定義了BroadRReach的PMA電氣規范。在OPEN TC8規范中，測試的內容主要包括6種常規測試項：傳輸衰落、傳輸失真、傳輸時鐘抖動 （Master&Slave）、傳輸功率譜密度、傳輸時鐘頻率、MDI回損，還有其他的測試項：MDI模式轉換損耗、共模輻射等。

測試過程中，需要用到的儀器主要有示波器、矢量網絡分析儀、分析軟件、夾具等，夾具連接在被測設備（DUT）和示波器之間，起到電路轉換的作用，設備連接示意圖如圖2所示。根據被測對象的特點和測試項的不同，分別連接不同的測試儀表。

圖2 物理層PMA測試連接示意圖

測試過程中，為了完成不同的測試項，需要將DUT PHY通過修改寄存器的方式設置為不同的測試模式，使其發出特定的數據包，BroadR-Reach中定義了4種測試模式［4］。

1） Test mode 1-Transmit droop test mode。

2） Test mode 2-Transmit jitter test in MASTER mode。3） Test mode 4-Transmit distortion test。

4） Test mode 5-Normal operation at full power （for the PSD mask）。

3.1.2 IOP測試

車載以太網物理層IOP測試，即互操作性測試 （Interoperability Tests），用于驗證車載以太網PHY（通常也稱為收發器）的可靠性和檢查PHY能否在給定的有限時間內建立穩定的鏈路；還用于車載以太網PHY的診斷，如信號質量指數 （SQI）和線束故障的檢測。模擬車載以太網遠、近端的開、短路故障作為Link Partner，與DUT建立連接，獲取兩者之間的Link Up時間 （精度可達1ms）、信號品質指數以及電纜診斷信息。IOP測試的內容主要包括以下幾項。

1）喚醒時間 （Link-up time）

對Link Partner的PHY進行多次上、下電操作，計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間；對DUT進行多次上、下電操作，計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間；對DUT進行多次喚醒、睡眠操作，計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間。

2）信號品質

逐步提高人工噪聲水平，獲取信號品質指數SQI的變化曲線；逐步降低人工噪聲水平，獲取信號品質指數SQI的變化曲線。

3）線束診斷

測試DUT在遠端或近端發生一條或兩條線路開路時，是否能夠可靠地檢測到開路故障；測試DUT在遠端或近端發生短路時，是否能夠可靠地檢測短路故障。

測試過程中，采用Golden Device作為Link Partner，測試的連接示意圖如圖3所示。

圖3 物理層IOP測試連接示意圖

3.2 交換機測試

車載以太網的交換機測試，是對車載以太網交換機常規數據幀收發相關功能的測試，測試的規范主要是TC-11 Ethernet Switch Test Specification標準，測試的內容如下。

1）通用功能

數據幀正常轉發、端口鏡像、端口禁用、處理巨型幀、讀出設備ID等基本功能。

2）地址解析功能

地址學習、地址老化時間、地址解析表、地址學習配置模式等功能。

3）虛擬局域網功能 （VLAN）

TPID以太類型字段自由配置功能、雙標簽Q-in-Q功能、非標簽數據幀支持、VLAN跳躍攻擊抑制、共享VLAN學習等功能。

4）基于時間敏感網絡的時間同步功能 （TSN）

對接收到的時間同步的幀正確處理的功能。

5）服務品質 （QoS）

對優先級流量正確處理和實現不同流量整形策略的功能，包括基于優先級的服務品質、基于WRR轉發數據包功能、PCP字段覆蓋功能、優先級映射功能、支持漏桶算法功能等。

6）配置功能

運行中可重新配置的功能，端口可單獨配置功能、配置完成前支持在“禁止轉發”模式下啟動的功能、讀回配置信息功能、支持鎖定配置項功能等。

7）過濾功能

在接收端口是否能按照設定，對接收到的數據幀進行過濾的功能，包括端口廣播保護功能、通用過濾需求、與VLAN相關的過濾規則、基于上層地址的過濾規則等。

8）診斷功能

計數器能否正確計數診斷、線纜和連接狀態反饋功能的診斷等。

測試過程中，可以將測試平臺作為流量發生器，發送不同類型的數據報文，由與之相連的計算機上的軟件對報文的類型進行配置，在軟件上對測試項的結果進行檢查。與DUT相連的計算機也對DUT的工作模式進行配置。測試連接示意圖如圖4所示。

3.3 協議一致性測試

協議一致性測試（protocol conformance test），指的是檢驗開放系統互連 （OSI）產品的協議實現與OSI協議標準一致性程度的測試。車載以太網2層到7層除了AVB／TSN以外的協議一致性測試的測試項目和測試過程以及測試判據主要依據TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification標準。測試項主要為了驗證兩個方面的內容：①Conformance test——驗證被測設備／系統是否遵循協議標準；②Negative test——通過發送非法報文驗證被測設備／系統的穩定性／魯棒性。

測試時，需要在DUT上安裝輔助測試工具Upper Tester。Upper Tester（UT）本質上是一個運行在DUT中的應用，它能夠接收測試平臺發送的指令，來配置被測協議棧 （IUT）的參數，或觸發被測協議棧產生某種行為。UT支持的指令和格式遵循AUTOSAR體系下的“Testability Protocol and Service Primitives”規范。將測試平臺與DUT連接，選擇對應的協議測試套件與DUT進行特定的通信，配置測試套件的參數，如IP、MAC地址等，結合Upper Tester的輔助作用對指定協議的測試項開展測試，測試平臺收集測試數據，生成測試報告。測試設備連接示意圖如圖5所示。

以一個ARP測試項為例，介紹協議一致性的測試過程。

1）配置DUT以清除ARP緩存中的動態條目。

2）配置DUT以在其ARP緩存中添加一個靜態條目，包含測試平臺的IP地址和物理地址。

3）配置DUT向測試平臺發送UDP請求消息報文。

4）測試平臺監控接收到的報文信息。

5）觀察DUT的動作。

6）根據判據判斷DUT的動作是否能夠通過測試。

除此之外，車載以太網測試還包括AVB協議簇的測試，測試的內容和參考標準主要是：時鐘同步功能 （IEEE 802.1AS）、流量控制功能 （IEEE 802.1Qav）、流管理功能（IEEE 802.1Qat）、音頻／視頻傳輸協議 （IEEE 1722 （a））。

圖4 交換機測試連接示意圖

圖5 協議一致性連接示意圖

4 結束語

隨著汽車智能化和網聯化的快速發展，為了滿足大數據量的傳輸，車載以太網的應用會越來越廣泛，對測試的需求會越來越多，測試要求也會越來越高。未來，車載以太網的測試會更加偏重于應用方面的測試，AVB／TSN也會是研究的重點，相關的標準也在不斷地制定中，測試方法也需要不斷地改進和完善。