新一代EEA的主幹網:車載以太網

圖來源於Rohde & Schwarz Automotive Ethernet The Future for In-Vehicle Networks

新汽車電子電氣架構的變革需求

首先汽車新四化的趨勢，使汽車電子電氣架構從當前分佈式向域集中甚至中央計算單元發展。

圖1 BOSCH汽車電子電氣架構演進

平均來說當前汽車大約採用幾十甚至超過上百個ECU連接到各種總線上，一直遵循着“一塊功能一個盒子”的分佈式架構模式。在這樣的分佈式架構下，每增加一個複雜功能，就需要升級相關多個控制器，增加了多方的交流和維護成本並進一步增加系統的複雜性。

圖2 傳統分佈式汽車電子架構

圖3 奧迪 S5車身線束

圖3來源Autonom網站

隨着新四化的發展，軟件在汽車中的價值比重將越來越高，以當今汽車包含的軟件代碼行數（SLOC）爲例，2010年，主流車型的SLOC約爲1000萬行；到2016年達到1.5億行左右。面對汽車功能和軟件複雜度的提升，電子電氣架構必須先行變革，因此域控制的概念近兩年來越來越熱，所謂的域控就是將整車劃歸爲不同的區，如動力域（Power Train）、底盤域（Chassis）、車身域（Body/Comfort）、座艙域（Cockpit/Infotainment）、自動駕駛域（ADAS），每個域只掛載單個控制器來負責所在域的功能，從而降低控制器數量和整車網絡拓撲復雜度。而近年來多核異構芯片、Hypervisor等技術都從軟硬件方面爲域控制發展和應用提供了支持。

圖4 汽車軟件計算演進

圖4來源Delphi

將來隨着功能的進一步整合，硬件計算能力的進一步提升以及先進傳感器等技術的發展，整車架構將向中央計算單元發展。

圖5 汽車電子架構由分佈式向域控制器架構轉變

圖5來源於Zonal Architecture for Future Cars

圖6 汽車電子架構由域控制器向中央計算轉變

圖6來源於Zonal Architecture for Future Cars

新電子電氣架構的變革需要車載以太網的技術支撐。

車載以太網將成爲整車通訊網絡的主幹網

基於上述汽車E/E架構和功能的複雜度提升而帶來的對車輛數據傳輸帶寬提高和通訊方式改變（基於服務的通訊-SOA）的需求，車載以太網將逐漸成爲汽車總線的主幹網。

圖7 車載以太網的發展趨勢

圖7來源於Rohde & Schwarz Automotive Ethernet The Future for In-Vehicle Networks

車載以太網 是一種用以太網連接車內電子單元的新型局域網技術，與傳統以太網使用4對非屏蔽雙絞線電纜不同，車載以太網在單對非屏蔽雙絞線上可實現100Mbit/s，甚至1Gbit/s的傳輸速率，同時還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。車載以太網的物理層採用了博通公司的BroadRReach 技術，BroadR-Reach 的物理層（PHY）技術已經由單線對以太網聯盟（One- pair Ethernet Alliance，OPEN）標準化，因此有時也稱車載以太網爲Broad RReach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。車載以太網的MAC 層採用IEEE 802.3 的接口標準，無需做任何適配即可無縫支持廣泛使用的高層網絡協議（如TCP/IP）。

車載以太網標準化

車載以太網標準化方面，IEEE802.3和IEEE802.1工作組，AUTOSAR、OPEN聯盟以及AVnu聯盟起到了主要了推動作用。

IEEE

其中IEEE802.3制定的局域網標準代表了業界主流的以太網標準，車載以太網技術是在IEEE802.3基礎上開始研製的，因此IEEE是目前最爲重要的車載以太網國際標準化機構。爲了滿足車內的要求，涉及到IEEE802和802.1兩個工作組內的多個新規範的制定和原有規範的修訂，包括PHY規範，AVB規範，單線對數據線供電等。另外AVB中有關AV的傳輸、定時同步等規範還需要IEEE的其他技術委員會的標準化，如IEEE1722、IEEE1588。

OPEN聯盟

OPEN聯盟於2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及寶馬（BMW）公司發起成立的開放產業聯盟，旨在推動將基於以太網的技術標準應用於車內聯網。其主要標準化目標是制定 100Mbit/s BroadR-R 的物理層標準、制定OPEN的互通性要求。

AUTOSAR

AUTOSAR 是由汽車製造商、供應商以及工具開發商發起的聯盟，旨在制定一個開放的、標準化的車用軟件架構，目前AUTOSAR 規範已經包含車用 TCP/UDP/IP協議棧。

AVnu

AVnu 聯盟是由博通聯合思科、哈曼和英特爾成立，致力於推廣IEEE 802.1的AVB標準和時間同步網絡（TSN）標準，建立認證體系，並解決諸如精確定時、實時同步、帶寬預留以及流量整形等重要的技術和性能問題。

車載以太網協議架構

車載以太網及其支持的上層協議架構如圖1所示，車載以太網主要涉及OSI的1、2層技術，同時車載以太網同時支持AVB、TCP/IP、DOIP、SOME/IP等多種協議或應用形式。

圖8 車載以太網協議架構

車載以太網協議——物理層

物理層的內容我們在前邊的內容中提過了很多，這也是車載以太網和常規以太網的重要的區別點：PHY芯片的不同。

Automotive ethernet的現階段的物理層協議主要是100Mbase-T1的IEEE802.3bw；1000Mbase-T1的IEEE802.3bp；IEEE802.3ch對應的2.5G 5G10G。【備註：現階段的10M車載以太網還沒有開始推進使用對應的物理層協議IEEE 802.3cg】

圖9 車載以太網物理層協議規範

車載以太網與傳統以太網的區別

主要區別1：一對雙絞線

雖然是一對雙絞線，但是支持全雙工，在工業領域，是兩隊雙絞線，一對是TX，一對是RX。

圖10 車載以太網與傳統以太網PHY區別

圖10來源於Putting The Future In Motion With Automotive Ethernet And Mainstream Serial Buses_Gary Hsiao

也就是說發送和接收的數據是混疊在一起的，需要一些特殊的調製解調技術才能分辨出發送和接收的數據。用一對雙絞線的主要目的較小整車線束重量。

這裏提及一些power over data line 技術，據我目前瞭解到，好像用的不多，PODL是在POE上的升級，看圖便知一二。

圖11 power over data line 技術

圖11來源於100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking

主要區別2：沒有自主協商

工業PHY是不需要指定PHY的master/slave角色的，兩個PHY可以自己協商確定角色。但是在汽車PHY中，角色需要靜態配置，一個PHY事先設定爲slave，另一個爲master，這麼做的主要目的是減小link up的時間，因爲汽車對啓動時間有要求。

圖12 100BASE-T1非自主協商來源於Vector

物理層編碼原理

對於車載百兆以太網100BASE-T1來說，控制器在MII接口的時鐘頻率是25MHz，每個時鐘週期發出4個bit（25MHz * 4bit = 100Mbit/s）。下面介紹一下PHY接收到MII接口來的數據流之後的編碼過程。在發送端ECU，PHY接收到來自MII的數據之後，要經過三個步驟進行編碼，才能形成最終發送到雙絞線上的電信號。過程下如圖：

圖13 100BASE-T1 物理層編碼

圖13來源於100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking

在微控制器的每個時鐘週期中，MII接口到來的數據是4個bit，PHY從MII接口收到數據後，會首先進行一個4B3B的轉換，爲了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY的MII接口時鐘週期應該是33.3333M，每次接收3bit，也實現了33.3333M * 3bit = 100Mbit/s的速率。之後PHY要再進行3B2T的操作，將每次接收到的3個bit轉化爲2個電平值（取值範圍是-1，0，1），具體的對應關係如上圖中的表所示。3個bit有8種組合（即2的三次方），兩個電平值有9種組成（即3的平方），所以後者可以覆蓋前者。此時時鐘週期仍然是33.333M，但是每個時鐘週期中的兩個電平就能夠表示3個 bit了，所以此時的數據速率仍然是100Mbit/s，每個電平實際上包含了1.5bit信息。最後一步是PAM3，將邏輯的-1，0，1轉化爲在雙絞線上的電壓，所以，最終在總線上信號的波特率是66.666MHz，但是它實現了100Mbit/s的通信速率。

回聲消除技術

10BASE-T和100BASE-TX有兩對信號線，分別進行收和發，但是100BASE-T1是也是物理全雙工接口，卻允許在同一對上進行發送和接收。這個物理全雙工通過疊加原理完成，100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能，並使用回聲消除功能來消除其自身的發送信號並從鏈路夥伴中提取接收到的信息。爲了做到這一點，一個PHY專門用作主機，另一個作爲從機。當兩個100BASE-T1 PHY連接時，它們會經過訓練過程，從而使被測設備（DUT）和鏈路夥伴以相同的頻率以相同的相位傳輸信息。下圖說明了每個PHY內的混合和回聲消除的簡化框圖。

圖15 回聲消除技術

圖15來源於100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking

xMII接口

100BASE-T1在MAC中是透明的，因爲現有的媒體獨立接口（MII）沒有改變。目前有100種主要的xMII用於100BASE-T1：

• Media Independent Interface:

(MII)

- 4-bit-wide data interface

Receive and transmit controls*

- Receive and transmit clocks

• Reduced Media Independent Interface:

(RMII)

- 2-bit-wide data interface

- Receive and transmit controls

- Single clock reference

• Reduced Gigabit Media Independent Interface

(RGMII):

- 4-bit-wide data interface

- Receive and transmit controls

- Receive and transmit clocks

• Serial Gigabit Media Independent Interface

(SGMII):

- 2-pin low-voltage differential signaling (LVDS)

receive path

- 2-pin LVDS transmit path

圖2顯示了MAC和PHY的信號連接，具體取決於接口。在從MAC接收數據之後，以太網PHY對數據進行編碼，加擾和串行化[5]。這些過程爲PHY的模擬前端準備數據，然後將數據傳輸到單雙非屏蔽絞線電纜上，並傳輸到鏈路夥伴。

MII/RMII/RGMII/SGMII 連接如下：

圖17 MII/RMII/RGMII/SGMII連接接口

圖17來源於100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking

車載以太網協議——數據鏈路層

數據鏈路層的協議對應的內容就多起來了，主要是分成三個大部分：

1、Etherent MAC，對於介質訪問控制協議的瞭解大家可以參考常規以太網的協議標準來學習；

數據發送，MAC協議會判斷當前是否適合發送數據，若能，它會在將要發送的數據上附加一些控制信息，最終使數據以規定的格式到達物理層；
數據接收，它會判斷數據是否有錯誤，如果沒有錯誤的話，它會去掉附加的控制信息發送至LCC（邏輯鏈路控制）子層；
SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以獲取PHY的狀態）和MDC（爲MDIO提供時鐘）；
MDC由MAC提供，MDIO是一根雙向的數據線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態信息；
MDIO數據與MDC時鐘同步，在MDC上升沿有效；

2、VLAN協議，局域網協議保持跟常規以太網的完全一致，因此這部分大家也可以參考常規以太網的內容來學習；

VLAN將一個物理的LAN在邏輯上劃分成多個廣播域的通信技術。VLAN內的主機間可以直接通信，而VLAN間不能直接通信，從而將廣播報文限制在一個VLAN內；

當Node數目較多時會導致衝突嚴重、廣播氾濫、性能顯著下降甚至造成網絡不可用等問題，通過VLAN可以解決衝突嚴重的問題，隔離廣播報文和提升網絡質量；

用VLAN可以劃分不同的用戶到不同的工作組，同一工作組的用戶也不必侷限於某一固定的物理範圍，網絡構建和維護更方便靈活。

3、AVB&&TSN協議，更應該稱之爲協議簇，正常的AVB協議發展成爲今天的TSN協議，這部分內容是車載以太網相對比較獨特的部分，TSN協議族包含了定時與同步、延時、可靠性、資源管理這四個類別的子協議。

圖18 TSN對應協議標準

TSN協議相對而言包含了衆多的協議內容，但是TSN協議是在二層以上，建立在數據鏈路層的上的協議簇：

標準	名稱	說明	發佈時間
IEEE 802.1Qbv	Enhancements for Scheduled Traffic	預定流量的增強功能	2015
IEEE 802.1Qbu	Frame Preemption	幀搶佔	2016
IEEE 802.1Qca	Path Control and Reservation	路徑控制和預留	2015
IEEE 802.1Qch	Cyclic Queuing and Forwarding	循環隊列和轉發	2017
IEEE 802.1CB	Frame Replication and Elimination for Reliability	無縫冗餘	2017
IEEE 802.1Qci	Per-Stream Filtering and Policing	單個流過濾和管理	2017
IEEE 802.1CM	Time-Sensitive Networking for Fronthaul	適用於向前回傳的時間敏感網絡	2018
IEEE 802.1Qcc	Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements	SRP增強功能和性能改進	2018
IEEE 802.1Qcp	YANG Data Model	YANG數據模型	2019

表1 已發佈TSN標準

標準	名稱	說明	發佈時間
IEEE 802.1AS-Rev	Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications	時間敏感應用的定時和同步	2011
IEEE 802.1Qat	Stream Reservation Protocol (SRP)	流管理協議	2010
IEEE 802.1Qav	Forwarding and Queueing Enhancements for Time-Sensitive Streams	隊列及轉發協議	2009
IEEE 802.1BA	Audio Video Bridging (AVB) Systems	AVB規範	2011
IEEE 1722-2011	Transport Protocol for Time Sensitive Applications (AV Transport Protocol, AVTP)	時間敏感應用傳輸協議	2011
IEEE 1722.1	Device Discovery, Enumeration, Connection Management and Control Protocol (AVDECC)	設備發現、枚舉、連接管理和控制協議	2013

表2 AVB標準

車載以太網協議——網絡層

車載以太網的網絡層支持的協議應該有很多，但是我們實際的使用中主要是兩個：ARP協議和IP協議。

ARP協議：控制報文協議，也稱地址解析協議，是根據IP地址獲取物理地址的一個TCP/IP協議。它可以解決同一個局域網內主機或路由器的IP地址和MAC地址的映射問題。

IP協議：主要是包含了IPv4和IPv6兩個版本，工作中IPv4最爲主要和常用。IP主要包含三方面內容：IP編址方案、分組封裝格式及分組轉發規則。

對於CIDR（無類域間路由），無類域間路由（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）它不區分A 類、B 類、C 類地址，而是使用CIDR 前綴的值指定地址中作爲網絡ID 的位數。這個前綴可以位於地址空間的任何位置，讓管理者能夠以更靈活的方式定義子網，以簡便的形式指定地址中網絡ID 部分和主機ID 部分。基本上網絡層的協議保持了一致性，只是在一定程度上禁用了部分功能，但是主體上車載和非車載協議內容保持了完全的一致性。IP協議最爲重要，應用層的大部分協議是基於IP協議來作爲基礎的。

車載以太網協議——傳輸層

傳輸層的情況基本上是類似網絡層，保持了車載和非車載的一致性，主要是支持ICMP、UDP、TCP。

ICMP保持了我們最基礎的測試命令的使用場景：PING和tracert功能，本身相對使用情況比較單一，大家可以熟悉一下邏輯即可；

UDP和TCP協議兩者的區別和使用場景有很多的文章展示這部分內容，後期有時間可以好好的總結一下相關的內容；

傳輸層的主要是UDP和TCP兩種傳輸協議，大家對於這部分內容可以查閱協議，內容較多，在此就不展開描述了。

車載以太網協議——應用層

應用層的協議多數是依託網絡層的IP協議，傳輸層的TCP/UDP協議來展開的，車載以太網的應用層協議主要是：UDPNM（網絡管理協議）、DHCP（動態主機配置協議）、SOME/IP（服務中間件）、DoIP（診斷協議）以及XCP（標定協議）等。

DoIP：基於以太網的診斷傳輸協議，能夠將UDS進行封裝並基於IP網絡進行傳輸；應用於車輛檢查和維修、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於Diagnostic over CAN（或稱爲DoCAN）。

備註：現階段的OBD的診斷接口是使用的常規以太網TX協議來完成，後期可以完全實現車載系統，並需要診斷設備的支持。

圖19

XCP全稱UniversalCalibration Protocol，是由ASAM (Association for Standardization ofAutomation and Measuring Systems,簡稱ASAM)組織在2003年提出的可在不同的通信總線上進行標定的新型標定協議，這裏的X代表不同的傳輸層上傳輸(CAN、Ethernet、FlexRay、SCI、SPI、USB)。XCPon Ethernet能夠基於以太網進行車載控制器的標定，主要用於標定、測量、少量的編程和刷新（大部分刷新會利用診斷協議）、ECU旁路功能等。基於以太網的XCP既可以使用TCP也可以使用UDP。

那麼XCP主要的用處以下總結爲四點：

a.標定

b.測量（反饋一些變量的值供上位機或測試系統查看，如轉速等）

c.編程和刷新（例如更新一部分地址的數據值，甚至重編程等，這部分用的較少一般用UDS）

d.對ECU功能進行旁路，簡單來說就是模擬ECU的數據

UDPNM：是AUTOSAR組織制定的基於汽車以太網的網絡管理協議，能夠有效的實現車載以太網節點的協同睡眠和喚醒，其主要工作原理類似於AUTOSAR的CANNM。正常情況下：應用層的UDPNM+物理層TC10完成整個汽車以太網系統的休眠喚醒設計。

SOME/IP全稱(Scalable Service-Oriented Mid dlewarE over IP):是一種用於傳輸服務(Se rvice)信息的基於IP的可伸縮中間件，能夠適應基於不同操作系統的不同大小的設備，小到攝像頭，大到車機或自動駕駛模塊;相比於傳統的C AN總線的面向信號的通信方式，SOME/IP是一種面向服務的通信方式。

SOME/IP協議作爲和DDS同類的中間件協議，也成爲SOA架構下重要協議類型。

特點：

基於服務的通信方式；

佔用空間小；

與autosar兼容；

可伸縮性（大小平臺都可以使用）；

兼容性——可用於車內各種操作系統（Autosar 、OSEK、QNX以及Linux）

參考文獻：

車載以太網——新一代EEA的主幹網
 車載通訊系統——車載以太網的協議簇泛讀
 Putting the Future in Motion with Automotive Ethernet
100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
Zonal Architecture for Future Cars