汽車以太網網關設計研究

張招賢

（同致電子科技有限公司，廈門 361000）

0 引言

如今，汽車網絡主要由幾種不同網絡組成，主要有如下幾種：一是CAN 總線，目前車載網絡骨干網；二是LIN 總線，主要應用于對時間不敏感的功能（如車窗控制、腳踢感應等）；三是MOST 總線，針對信息娛樂系統開發的面向媒體的系統傳輸；四是FlexRay總線，用于防抱死制動ABS，電子助力轉向EPS等系統。由于采用了不同的網絡協議，故需要使用網關，以實現在不同網絡設備中進行通信數據的傳輸交互。

隨著汽車電子的發展，汽車電子控制單元（ECU）的數量不斷增加。同時，為支持無人駕駛系統（ADAS）的實施，越來越多的傳感器、攝像頭、激光雷達等新技術被集成進汽車，車輛每時每刻都在產生著大量的數據，因此，數據通信速率急需大幅提高。從整體技術上來講，目前車載網絡的改進需要根本性的改變。首先是它所使用的拓撲結構，其次是它所依賴的底層技術。以太網作為一種歷史悠久且廣為人知的技術，已在數據通信和工業領域得到廣泛應用，而今順勢被引入到汽車中來。展望未來，以太網技術將成為汽車數據傳輸的基礎，通過提供一個共同的協議棧，減少不同協議之間的轉換需求。

1 以太網互聯設備介紹

以太網互聯設備主要有中繼器（Repeater）、集線器（Hub）、網橋（Bridge）、交換機（Switch）、路由器（Router）。

中繼器是一個有兩個端口的設備，在OSI 模型的物理層運行。中繼器是最簡單的互連設備，當某端口檢測到輸入信號，則將該信號轉發到另一個端口上。它的作用是放大信號，補償信號衰減，加大線纜的傳輸距離。

集線器是一種具有多個端口的設備，在OSI 模型的物理層運行。集線器其實是一種有兩個以上端口的中繼器。

網橋是一個有兩個端口的設備，在OSI 模型的數據鏈路層運行。因此，網橋并非盲目地將一個端口的信號復制到另一個端口，實際上它檢查了第二層的以太網數據，根據其目的MAC 地址，決定往哪個端口進行轉發。

交換機是一個多端口的設備，在OSI 模型的數據鏈路層運行。交換機實際是一種有兩個以上端口的網橋。交換機又可分為二層交換、三層交換、四層交換。

路由器是一種有兩個或多個端口的設備，運行在OSI 參考模型的網絡層。它檢查了第三層的以太網數據，根據第三層的IP地址，決定往哪個端口進行轉發。

汽車網關控制器是整車電子電氣系統架構中的核心部件，是整車網絡的數據交互樞紐。目前在以太網方面主要實現交換機方面的功能，同時在CAN，LIN，Ethernet 等不同網絡上進行數據通信路由。

2 車載網關系統功能簡介

汽車網關承擔不同總線類型之間的協議轉換工作，并參與各網段的網絡管理，主要具有如下功能：

（1）通信路由。通信路由指的是各個網段之間信息通過網關轉發。這種轉發有報文路由、信號路由兩種方式。報文路由分為事件報文路由和周期報文路由。事件報文具備事件觸發特性，即收到才轉發。周期報文按照固定周期發送，超時后采用失效值填充。

（2）對整車各電子器件的故障診斷。網關可以自動轉發來自外部設備的診斷報文，并可以將各個控制器反饋的診斷信息發回外部設備。

（3）安全隔離，防火墻。網關除了降低網絡負載外，另一個很大的功能就是安全性。我們利用網關來隔離車輛內部網絡與外部網絡。診斷通路一般單獨使用一個通道，與其他通信通道隔離，另外還需經過一系列的認證關卡，以防止車輛被惡意入侵。網關還提供防火墻功能，針對某些敏感信息，直接過濾。

（4）克隆轉發功能。但隔離工作會讓調試工作受到一定限制。為方便調試，網關一般會引入克隆轉發功能。即通過診斷命令控制，把其中一路報文在滿足正常轉發的同時，動態的復制一份到診斷口，以方便調試。

3 以太網網關軟件協議層架構

圖1 以太網網關軟件協議層架構

整個軟件協議層非常龐大，限于篇幅，本文僅對DOIP 協議層展開說明。

3.1 DoIP 原理框架

DoIP（Diagnostic over IP）是基于太網的診斷傳輸協議，將UDS 進行封裝，并基于IP 網絡進行傳輸。應用于車輛售后檢查和維修、車輛或ECU 軟件的重編程、車輛或ECU 的下線檢查和維修等，其主要工作原理類似于Diagnostic over CAN（或稱DoCAN）。即在UDS 診斷服務的基礎上，通過TCP/IP 來進行車輛信息診斷。

3.2 DoIP 節點類型

DoIP 實體分為普通DoIP 節點及DoIP 邊緣節點。

以太網網關為DoIP 邊緣節點。需具有如下特性：支持IPv4；包含DHCP 客戶端功能，以實現外部動態IP 地址，內部靜態IP 地址；需包含防火墻功能，且需將外部IP 地址轉換內部IP 地址以保護內部通信安全；需支持VLAN 功能；需支持多個IP 地址；監聽TCP/UDP 協議層數據。

圖2 DoIP原理框架

而普通DoIP 節點具有如下特性即可：監聽TCP 協議層數據；接收屬于本VALN 的DoIP 信息，并作出響應。

3.3 DoIP 應用場景

（1）售后模式：在售后維修廠，外部診斷儀無需使用傳統的OBD 口硬件線連接，可通過TCP/IP 協議與車輛建立直接鏈接，并按照要求的指令，將請求命令發送給車輛的DoIP 實體，然后相應的DoIP 實體也通過TCP/IP 反饋車輛的相關信息。

（2）產品/工廠模式車輛ECU 刷新：外部軟件刷新設備，根據既定的軟件刷寫流程，通過以太網TCP/IP 協議與車輛內部模塊IP 網絡建立通信。在產品模式下，開發工具一般是實現工具與DoIP 實體點對點的通信與刷新。而在工廠模式下，采取的則是軟件刷新設備對整車進行的并行刷新操作。

（3）工廠模式總裝檢測維修：在工廠生產制造時，外部檢測設備會按照指定順序，對接入IP 網絡的車輛進行終檢工位的完整性測試。與售后模式下的不同之處在于，在工廠環節，外部檢測設備通常會與整車多個模塊的多個DoIP 實體進行連接以及并行通信。

3.4 DoIP 激活線

激活線（Activation line）主要用于激活及禁止以太網控制器，目的如下：降低靜態睡眠功耗；減少電磁干擾。若供電電壓小于2 V，則關閉激活線輸出，即禁止以太網控制器。若供電電壓大于5 V，則開啟激活線輸出，即激活以太網控制器。

4 汽車以太網網關測試要求

表1 汽車以太網網關測試要求

TC8 2～7協議層一致性測試TC10 睡眠喚醒測試

4.1 物理層測試

主要針對100Base-T1，100Base-TX，參考標準為TC8。

（1）PMA 測試內容，主要包含：發送器電壓降（TM1）、發送器Jitter（TM2）、發送器時鐘頻率（TM2）、發送器功率頻譜密度（TM5）、回波損耗（TM4）、MDI 模式轉換（TM4）、MDI共模發射（TM5）、發送器失真（TM4）。

（2）IOP 測試，主要包含：鏈接建立時間、信號質量SQI、遠端開路、近端開路、遠端短路、近端短路、接地檢測。

（3）接收器測試，主要包含：差分信號&頻偏容忍。

4.2 協議層測試

（1）協議一致性測試，依照TC8測試規范展開測試。

（2）交換機性能測試，依照RF2544及RF2889，進行測試，主要包含：端到端向導、運行背景流量、吞吐量和延遲、幀丟失、背對背測試、地址緩存、地址速率、廣播速率、擁塞控制、幀誤差過濾。

（3）拓撲性能測試，主要包含：全互聯、多對一、一對多、部分互聯。

（4）協議層測試主要包含對如下協議層的測試：VLAN，ARP，ICMPv4，ICMPv6，IPv4，Dynamic IPv4，UDP，DHCPv4，TCP，SOME/IP 等。

5 結束語

在汽車的智能網聯時代，汽車智能網關無縫地集成了車輛與環境周邊網絡系統，將整個車輛與外部數字世界連接在一起，是連接車輛內部環境與外部通信網絡的重要紐帶。為適應高速發展的車載網絡，同致電子科技將貢獻自已的力量，推動新一代以太網網關的順利開發，實現傳統網關到未來的智能網關快速迭代。