車載以太網通信開發及應用

甄海川 牛玉嬌 路哲 李立華

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波315000）

主題詞：以太網 Switch VLAN TCP/IP

VLAN Virtual Local Area Network

MAC Media Access Control Address

AVB Audio Video Bridging

TSN Time-Sensitive Networking

HTTP Hyper Text Transfer Protocol

OAM Operations,Administration,Maintenance

RS-FEC Reed-Solomon Forward Error Correction

OSI Open System Interconnect Reference Model

PHY Physical layer

UDP User Datagram Protocol

DA Destination Address

SA Source Address

FCS Frame Check Sequence

VLAN Virtual Local Area Network

DVR Digital Video Recorder

1 引言

隨著汽車功能的不斷增加，尤其是音視頻流、OTA、大數據收集功能，對車載通信技術的高帶寬和實時性要求越來越高，因而以太網技術引入汽車領域，對于汽車網聯化、智能化、電動化和共享化發展提供堅實的技術支撐。以太網的高帶寬可以滿足較大數據的快速傳輸，而對實時性要求較高的音視頻流傳輸，可以使用AVB/TSN解決。

本文討論車載以太網技術特點，以太網的分層模型及各層的協議內容，為車載以太網通信技術的開發和應用提供了參考依據。

2 車載以太網技術特點和協議構架模型

2.1 技術特點[1-2]

當前越來越多車廠開始應用車載以太網技術，使用單對非屏蔽雙絞線以太網連接車內部分電子控制單元組成局域網，以太網技術提高了數據傳輸帶寬，同時滿足了汽車中對高可靠性，低功耗，低成本，低延遲及實時性的要求，主要特點如下：

（1）高帶寬，達100 Mbit/s、1 Gbit/s；

（2）點對點連接，全雙工通信；

（3）成本相對較低，100 base-T1、1000 base-T1；

（4）軟硬件技術相對已成熟，協議開放。

2.2 協議模型[3-4]

車載以太網協議參考OSI模型進行分層，包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層協議，如圖1所示。

圖1 車載以太協議架構模型

3 車載以太網開發及應用

3.1 物理層

以太網的PHY負責電平信號與數字信號的轉換，實際在網線中傳輸的電平速率（Symbol rate）與ECU內部的以太網數據速率（Data rate）是不同的，以100 base-T1為例，依據IEEE 802.3bw中定義，數據速率100 Mbit/s，經PHY進行4B3B，3B2T的編碼后，傳輸到線纜上的電平為-1 V、0 V、1 V，此時的Symbol rate和Data rate分別為66.67 Mbit/s和100 Mbit/s（圖2）。

圖2 100 base-T1以太網信號編碼

當以太網激活后，由PHY負責建立鏈路連接，當前大部分PHY支持UDP網絡管理，可以通過以太網進行喚醒，如果PHY不支持UDP網絡喚醒，那需要考慮通過ECU的其它連接鏈路，如CAN、FlexRay進行喚醒。

對于1000 base-T1，依據IEEE 802.3bp中定義，其使用的是80B/81B形式，其增加了9 bit的OAM和396 bit的RS-FEC奇偶校驗，然后經擾碼，在通過3B/2T形式轉換為模擬電平發出，其在線上傳輸速率為750 Mbit/s，如圖3所示。

圖3 1000 base-T1以太網信號編碼[6]

3.2 以太網MAC幀

以太網的MAC幀包含目的MAC地址、源MAC地址、幀類型、數據和FCS。而在802.1Q中增加了VLAN的信息引入，在幀類型前加入VLAN的標識，帶VLAN的MAC幀格式如圖4。

圖4 帶VLAN的以太網幀格式[7]

3.3 VLAN定義

虛擬局域網（VLAN）在MAC幀中使用0x8100代表使用VLAN，使用VLAN劃分局域網，可以降低帶寬占用率，避免線路擁堵，可以通過IP地址進行VLAN的劃分，同一個ECU可以關聯在多個VLAN中，此ECU需要對每個VLAN分配一個IP地址。

另外可以根據功能的重要程度進行VLAN優先級的定義，保證重要的功能優先傳輸。VLAN優先級長度3 bit，故有7個等級，優先等級從0到7依次升高；

當前大部分車載以太網ECU網絡拓撲結構采用點對點連接，通過Switch進行信息交換，Switch會根據VLAN ID的定義，只把消息轉發到相同VLAN ID的通道，從而避免其它通道出現不相關報文。同時根據優先級的定義，優先轉發優先級高的報文。

以E-Call和手機查看行車記錄儀DVR視頻功能為例，如E-Call需要多媒體及車聯網模塊支持，可以設為VLAN1，手機查看DVR視頻需要DVR和車聯網模塊支持，可以設置為VLAN2，E-Call的優先級設置為高于查看視頻。多媒體、DVR和車聯網三者通過交換機Switch連接，此時車聯網模塊需要有2個IP地址分別給VLAN1和VLAN2，Switch根據VLAN1和VLAN2轉發對應的報文，當2者同時觸發時，由于ECall的優先級高，Switch會優先轉發其報文。

3.4 TCP/IP協議

AutoSar模型中已有引入TCP/IP協議棧，位于Socket之下，數據鏈路層之上，為Socket提供網絡層的IP地址定義，傳輸層的port定義，用于找到對應的APP。TCP/IP協議是由眾多協議組成的一個協議族，主要包含IPv4/v6、ARP、ICMP、TCP、UDP和DHCP，如圖5引用AUTOSAR軟件架構模型。

圖5 TCP/IP協議棧架構模型[9]

圖5中IPv4和IPv6之間是有一些區別的，主要點為：

（1）IPv4協議具有32位（4字節）地址長度；IPv6協議具有128位（16字節）地址長度。

（2）IPv4協議的地址可以通過手動或DHCP配置的，而IPv6協議需要使用Internet控制消息協議版本6（ICMPv6）或DHCPv6的無狀態地址自動配置。

（3）IPv4協議的數據包需要576個字節，分片可選。IPv6協議的數據包需要1 280個字節，不會分片。故IPv4協議的數據包分片會由轉發路由器和發送主機完成。IPv6協議的數據包分片僅由發送主機完成。

（4）地址解析協議（ARP）可用于將IPv4地址映射到MAC地址。而在IPv6協議中，地址解析協議（ARP）被鄰居發現協議（NDP）的功能所取代。

對于車載以太網網絡，以太網ECU相對較少，一般IPv4的C類地址（256個主機數）即夠使用。網絡拓撲固定，以太網節點的MAC地址和IP地址在研發設計階段即可定義好，故動態ARP及DHCP可以考慮不使用。此外，IP協議提供不可靠，無連接的數據報傳輸服務，可靠性由上層協議保證，如TCP或者應用層協議。

對于傳輸層的協議主要有TCP和UDP兩種傳輸協議，TCP為面向連接的可靠傳輸協議，通過3次握手建立連接，4次揮手終止連接，可靠性體現為可以對數據進行接收確認、流量控制、丟失重發、擁塞控制，且其可以傳輸比較大的數據流。

然而由于TCP在傳輸數據報前需要先建立連接，所以其需要花費更多的時間才能完成數據的傳輸，故不適用實時性要求高的數據報傳輸，此種情況下UDP更加適用，其無需每次通訊時花費時間建立連接，但UDP協議對傳輸的數據報不能提供可靠性保證。

根據TCP和UDP的優缺點，在設計車載以太網網絡時，可以根據不同的應用場景進行使用，比如DoIP，對可靠性要求較高，刷寫時數據量較大，且可以接受在以太網激活后先建立連接的方式，使用TCP更有優勢。而對于一些車輛控制功能的信息，如遠程控制、信息顯示等實時性要求較高數據，使用UDP更能保證實時性，但一般此種數據對可靠性也有一定要求，此時就需要讓應用層來實現應答、超時、重發等可靠性策略。

為了保證網絡通信的安全性，需要對網絡上傳遞的數據進行加密，可以使用圖4中的傳輸層安全協議（Transport Layer Security，TLS）模塊，其為安全套接層（Secure Socket Layer，SSL）的升級版，主要實現加密，身份驗證和數據完整性。TLS握手過程如下：

（1）TCP連接建立后，客戶端發送一些協商信息，如TLS協議版本，加密壓縮算法，并生成一個隨機數（第一個隨機數）一起傳送給服務端。

（2）當服務端收到客戶端的請求后，會確定TLS加密的協議版本及算法，也會生成自己的一個隨機數（第二個隨機數），連同證書一起發送給客戶端。

（3）客戶端使用服務端提供的證書，及前兩個隨機數生成新的對稱密鑰，用服務端的公鑰進行加密，并通知服務端切換到加密通信流程。

（4）服務端用自己的私鑰解密客戶端發過來的對稱密鑰，并通過驗證MAC檢查消息的完整性，并返回給客戶端一個加密的“Finished”的消息。

（5）客戶端采用對稱密鑰解密消息，并驗證MAC，如果一切OK，加密通信即建立完成。應用數據就可以發送了

3.5 車載以太網應用層協議

車載以太網應用層協議有很多，本文主要以SomeIP（Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP基于IP面向服務的中間件）為例，SomeIP主要用于應用數據的傳輸，如控制信息、顯示信息及從傳統網絡（CAN或FlexRay）轉化到以太網的信息，將不同的功能數據定義成服務，通過請求響應、訂閱發布等形式進行服務的交互，通過服務發現來找ECU所需服務及可提供服務。SomeIP報頭包含服務ID，Method ID，長度（指示從請求ID開始之后的數據長度，單位字節），請求ID（包含客戶端ID和會話ID），協議版本（固定0x01），接口版本（用于檢測服務的一致性），報文類型及返回碼（表1）。

表1 報文類型（Message Type）定義

假設有一個大數據上傳的服務，其包含2個數據：data1，data2，data1為UTF8類型的“車載ETH”信號，d

ata2為uint8的溫度信號，溫度值為20℃。

首先定義SomeIP報頭，可以定義為：

Service ID：0x000A；

Method ID：0x8001；

客戶端ID：0x0010；會話ID：0x0001；

協議版本：固定0x01；

接口版本：定義為0x01；

報文類型：定義為0x02 Notification；

返回碼：0x00。

其十六進制報文示例應該如下：：

對于報頭之后的數據部分解析如下：

EFBBBF為Byte Order Mark，表明UTF8編碼。

“車載ETH”的UTF8編碼數據為：E8BDA6，E8BDBD，45，54，48。

00為UTF8編碼的結束符。

以上為data1數據。

14為data2數據，表明溫度值為20℃。

另外，可以由設計方自定義，比如使用UDP傳輸實時性數據時，為了保證數據的可靠性，可以在自定義的應用層設計時加入可靠性的機制，數據的編碼形式也可以自定義。

4 結語

（1）車載以太網目前已經在部分OEM車型中應用，技術相對較成熟。

（2）車載以太網相較于其它傳統網絡，如CAN、CANFD、FlexRay，速率更快，同時可承載數據多。

（3）汽車的網聯化、智能化、電動化和共享化發展中，如自動駕駛、V2X、大數據采集、遠程診斷、OTA等新技術都離不開以太網的支持。