基于以太骨干網的域集中式網絡架構設計與驗證

張國龍

摘要：隨著智能網聯系統市場化布局，帶來了車載電子應用產品的數量和復雜度激增，車輛數據的傳輸、交換和共享使得車內網絡系統面臨嚴峻的挑戰，遭遇發展瓶頸。傳統車載網絡通信帶寬低、數據交換效率差、封閉開發不足、不易擴展的問題凸顯，因此構筑新型車載網絡架構已經成為了新一代智能網聯汽車發展首要任務。

關鍵詞：智能網聯;域集中式;網絡架構設計;驗證方式

1 互聯網關主要特征

互聯網關是面向智能網聯汽車設計的新型網關產品。它具備豐富的車內通信和無線通信能力，將作為車輛數據中心負責車內車外數據的通信;通過互聯網關中微處理器（MPU）的計算性能可以在車端做邊緣計算以減少對云端和通信帶寬的要求;互聯網關中的智能操作系統可以集成多方應用程序。現在，車輛中有近百個控制單元和若干個智能系統控制器，如果要升級車輛功能還需要前往維修點進行升級。汽車連網后，可以通過云服務遠程對車輛進行升級。互聯網關將為車輛帶來一站式的遠程刷新方案，可同時對智能操作系統和嵌入式操作系統進行刷新。

2 基于以太骨干網絡域集中式架構方案設計

2.1 以太骨干網絡應用場景需求分析

車載以太網主要應用場景車載診斷系統升級，特別針對大數據量刷寫升級：智能駕駛，特別針對激光雷達和攝像頭大數據音視頻流量傳輸;車載信息娛樂系統開發，特別針對娛樂系統多屏互動連接和硬件一體化設計：信息互聯系統集成開發，特別針對無線互聯互接，V2X等不同通信介質介入場景。如表2.1-2.4分別從方案設計、優劣分析及應用可能性做出細分對比論述。

2.2 以太骨干網絡通信需求與設計約束分析

車載以太網通信不同于傳統通信類型，除了解決通信帶寬問題，更有針對性解決協議一致性問題。通信需求采用高清視頻保真音頻傳輸，針對娛樂系統、智能駕駛、C2V系統等多場景化非一致性通信需求，網絡延時控制7跳之內，車載以太網支持網絡獨立睡眠和喚醒，保持音視頻同步傳輸，有效避免網絡產生廣播風暴。以太網架構設計約束主要考量子網劃分，帶寬物理鏈路媒體流及以為網關的路由能力。

2.3 以太骨干網絡域集中式架構方案設計與分析

2.3.1 方案評價指標

以太網骨干網絡設計評價采用非標評價，本文設計一套完整的以太網評價方法及評估指標。主要包括帶寬鏈路，延時分析，路由路徑，可復用控制器數量，服務器類型符合，診斷端口數目，擴展性網絡等內容項目，評價指標采用工具定量分析評價和定性描述類，完成評價以太網絡集中式設計方案優劣。

2.3.2 以太骨干網絡域集中式架構方案

1）以太網骨干網絡中心網關架構。中心網關架構設計模式，采用Switch類中央網關模式，中央網關路由以太網子網控制，域內點對點通信，跨域采用路由模式通信。2）以太網骨干網絡菊花鏈式架構。菊花鏈類型通信主要應用過度超調通信，多點連接跨域，多路傳輸路由通信模型，端到端非路由結構。3）以太網骨干網絡子網式架構

2.3.3 以太骨干網絡中心網關式架構方案分析

1）中心網關式網絡帶寬分析各Ethernet鏈路帶寬均小于75M，滿足設計要求。2）中心網關式網絡IP地址分配分析。同一子網有且只有一個DHCP Server，未出現Relay Agent，滿足設計要求。3）中心網關式網絡最差延遲分析。綜合考慮全網段架構，7hop<2ms，滿足設計要求。4）中心網關式網絡音視頻同步分析。同一級的流媒體傳輸域未超出邊界，滿足設計要求。5）中心網關式網絡VLAN分析，VLAN連續，同一子功能未跨VLAN，滿足設計要求。6）中心網關式網絡睡眠喚醒分析。7）中心網關式網絡協議框架分析

3 基于硬件在環系統網絡仿真與測試驗證

基于網絡測試半實物仿真測試系統，結合OPEN聯盟TC8以太網測試標準中，針對域子網絡開發測試策略及測試用例，完成網絡物理層、鏈路層、應用序列等功能和性能測試驗證。這一過程主要采用硬件在環系統實現，硬件在環系統是基于實時車輛仿真模型及其運行的硬件系統和被測電控系統的開發、集成與自動測試的平臺。在控制器功能開發基本完成后，可將控制策略模型編譯為控制器目標代碼下載至真實控制器硬件中完成控制系統開發;將真實控制器集成于利用模型仿真技術和部分真實負載建立的虛擬車輛仿真平臺上實現實時閉環運行，進行控制器的功能與特性自動測試，實現控制器安全驗證和功能初步驗證。

4 測試驗證內容

1）車載以太網物理層測試，這一部分內容主要參考OPEN聯盟TC8以太網測試規范，主要是針對物理層進行測試，主要包括PMA測試、IOP測試以及工作電壓測試等，其中PMA測試內容包括：收發器輸出壓降測試、收發器時基抖動測試、傳輸時鐘頻率測試、功率譜密度測試、MDI（媒介相關子層）回波損耗測試、MDI模式轉換測試、MDI共模釋放，IOP測試內容包括：DUT的連接狀態測試、通信鏈路質量測試、線束測試、故障注入測試等。

2）協議--致性驗證，這--部分內容針對數據鏈路層到應用層的通用協議進行驗證，包括協議的格式、內容等與要求是否一致，驗證的協議包括：數據鏈路層MAC和VLAN （IEEE802.1Q）的協議、網絡層和傳輸層TCP/IP協議族（ARP、ICMP、IP、 TCP、UDP）以及DHCP （動態主機分配，方便以太網節點的動態加入或退出）協議、網絡管理（如AUTOSAR UDP NM）的協議、AVB協議架構SRP （流預留）、FQTSS （隊列及轉發）、gPTP（時鐘同步）和AVTP（音視頻格式）等。

3）Switch性能測試，這一部分內容主要參考傳統以太網測試內容，主要是基于RFC2544和FRFC 2889這兩個規范，是針對Switch性能指標及參數進行驗證，測試內容包括：吞吐量、時間延遲及抖動、丟幀率、轉發壓力、轉發速率、擁塞控制、錯誤幀過濾等測試;

4）應用功能驗證，這一部分內容主要是參考各車載以太網節點的功能設計進行相關驗證，包括音視頻控制器功能、車身域控制功能、智能駕駛域控制功能等。

5結語

隨著車聯網技術的不斷發展，未來汽車的聯網程度和內外數據交換的容量都將日益增多。基于以太骨干網的域集中式網絡架構是設計重要的一環，相比較傳統的汽車網絡架構，有著太多的優點，確定、準時、安全和精確都是新型網絡架構中的功能特點。所以，基于以太骨干網的域集中式網絡架構的構建是非常有前景的。

參考文獻：

[1]孫小紅.車聯網的關鍵技術及應用研究[J].通信技術，2013，46（4）：47-50.

（作者單位：中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司）