图 来源于Rohde & Schwarz Automotive Ethernet The Future for In-Vehicle Networks
新汽车电子电气架构的变革需求
首先汽车新四化的趋势，使汽车电子电气架构从当前分布式向域集中甚至中央计算单元发展。
图1 BOSCH汽车电子电气架构演进
平均来说当前汽车大约采用几十甚至超过上百个ECU连接到各种总线上，一直遵循着“一块功能一个盒子”的分布式架构模式。在这样的分布式架构下，每增加一个复杂功能，就需要升级相关多个控制器，增加了多方的交流和维护成本并进一步增加系统的复杂性。
图2 传统分布式汽车电子架构
图3 奥迪 S5车身线束
图3来源Autonom网站
随着新四化的发展，软件在汽车中的价值比重将越来越高，以当今汽车包含的软件代码行数（SLOC）为例，2010年，主流车型的SLOC约为1000万行；到2016年达到1.5亿行左右。面对汽车功能和软件复杂度的提升，电子电气架构必须先行变革，因此域控制的概念近两年来越来越热，所谓的域控就是将整车划归为不同的区，如动力域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）、自动驾驶域（ADAS），每个域只挂载单个控制器来负责所在域的功能，从而降低控制器数量和整车网络拓扑复杂度。而近年来多核异构芯片、Hypervisor等技术都从软硬件方面为域控制发展和应用提供了支持。
图4 汽车软件计算演进
图4来源Delphi
将来随着功能的进一步整合，硬件计算能力的进一步提升以及先进传感器等技术的发展，整车架构将向中央计算单元发展。
图5 汽车电子架构由分布式向域控制器架构转变
图6 汽车电子架构由域控制器向中央计算转变
新电子电气架构的变革需要车载以太网的技术支撑。
车载以太网将成为整车通讯网络的主干网
基于上述汽车E/E架构和功能的复杂度提升而带来的对车辆数据传输带宽提高和通讯方式改变（基于服务的通讯-SOA）的需求，车载以太网将逐渐成为汽车总线的主干网。
图7 车载以太网的发展趋势
图7来源于Rohde & Schwarz Automotive Ethernet The Future for In-Vehicle Networks
车载以太网 是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术，与传统以太网使用4对非屏蔽双绞线电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s，甚至1Gbit/s的传输速率，同时还满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。车载以太网的物理层采用了博通公司的BroadRReach 技术，BroadR-Reach 的物理层（PHY）技术已经由单线对以太网联盟（One- pair Ethernet Alliance，OPEN）标准化，因此有时也称车载以太网为Broad RReach（BRR）或OABR（Open Alliance BroadR-Reach）。车载以太网的MAC 层采用IEEE 802.3 的接口标准，无需做任何适配即可无缝支持广泛使用的高层网络协议（如TCP/IP）。
车载以太网标准化
车载以太网标准化方面，IEEE802.3和IEEE802.1工作组，AUTOSAR、OPEN联盟以及AVnu联盟起到了主要了推动作用。
IEEE
其中IEEE802.3制定的局域网标准代表了业界主流的以太网标准，车载以太网技术是在IEEE802.3基础上开始研制的，因此IEEE是目前最为重要的车载以太网国际标准化机构。为了满足车内的要求，涉及到IEEE802和802.1两个工作组内的多个新规范的制定和原有规范的修订，包括PHY规范，AVB规范，单线对数据线供电等。另外AVB中有关AV的传输、定时同步等规范还需要IEEE的其他技术委员会的标准化，如IEEE1722、IEEE1588。
OPEN联盟
OPEN联盟于2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及宝马（BMW）公司发起成立的开放产业联盟，旨在推动将基于以太网的技术标准应用于车内联网。其主要标准化目标是制定 100Mbit/s BroadR-R 的物理层标准、制定OPEN的互通性要求。
AUTOSAR
AUTOSAR 是由汽车制造商、供应商以及工具开发商发起的联盟，旨在制定一个开放的、标准化的车用软件架构，目前AUTOSAR 规范已经包含车用 TCP/UDP/IP协议栈。
AVnu
AVnu 联盟是由博通联合思科、哈曼和英特尔成立，致力于推广IEEE 802.1的AVB标准和时间同步网络（TSN）标准，建立认证体系，并解决诸如精确定时、实时同步、带宽预留以及流量整形等重要的技术和性能问题。
车载以太网协议架构
车载以太网及其支持的上层协议架构如图1所示，车载以太网主要涉及OSI的1、2层技术，同时车载以太网同时支持AVB、TCP/IP、DOIP、SOME/IP等多种协议或应用形式。
图8 车载以太网协议架构
车载以太网协议——物理层
物理层的内容我们在前边的内容中提过了很多，这也是车载以太网和常规以太网的重要的区别点：PHY芯片的不同。
Automotive ethernet的现阶段的物理层协议主要是100Mbase-T1的IEEE802.3bw；1000Mbase-T1的IEEE802.3bp；IEEE802.3ch对应的2.5G 5G10G。【备注：现阶段的10M车载以太网还没有开始推进使用对应的物理层协议IEEE 802.3cg】
图9 车载以太网物理层协议规范
车载以太网与传统以太网的区别
主要区别1：一对双绞线
虽然是一对双绞线，但是支持全双工，在工业领域，是两队双绞线，一对是TX，一对是RX。
图10 车载以太网与传统以太网PHY区别
图10来源于Putting The Future In Motion With Automotive Ethernet And Mainstream Serial Buses_Gary Hsiao
也就是说发送和接收的数据是混叠在一起的，需要一些特殊的调制解调技术才能分辨出发送和接收的数据。用一对双绞线的主要目的较小整车线束重量。
这里提及一些power over data line 技术，据我目前了解到，好像用的不多，PODL是在POE上的升级，看图便知一二。
图11 power over data line 技术
图11来源于100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
主要区别2：没有自主协商
工业PHY是不需要指定PHY的master/slave角色的，两个PHY可以自己协商确定角色。但是在汽车PHY中，角色需要静态配置，一个PHY事先设定为slave，另一个为master，这么做的主要目的是减小link up的时间，因为汽车对启动时间有要求。
图12 100BASE-T1非自主协商 来源于Vector
物理层编码原理
对于车载百兆以太网100BASE-T1来说，控制器在MII接口的时钟频率是25MHz，每个时钟周期发出4个bit（25MHz * 4bit = 100Mbit/s）。下面介绍一下PHY接收到MII接口来的数据流之后的编码过程。在发送端ECU，PHY接收到来自MII的数据之后，要经过三个步骤进行编码，才能形成最终发送到双绞线上的电信号。过程下如图：
图13 100BASE-T1 物理层编码
图13来源于100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
在微控制器的每个时钟周期中，MII接口到来的数据是4个bit，PHY从MII接口收到数据后，会首先进行一个4B3B的转换，为了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY的MII接口时钟周期应该是33.3333M，每次接收3bit，也实现了33.3333M * 3bit = 100Mbit/s的速率。之后PHY要再进行3B2T的操作，将每次接收到的3个bit转化为2个电平值（取值范围是-1，0，1），具体的对应关系如上图中的表所示。3个bit有8种组合（即2的三次方），两个电平值有9种组成（即3的平方），所以后者可以覆盖前者。此时时钟周期仍然是33.333M，但是每个时钟周期中的两个电平就能够表示3个 bit了，所以此时的数据速率仍然是100Mbit/s，每个电平实际上包含了1.5bit信息。最后一步是PAM3，将逻辑的-1，0，1转化为在双绞线上的电压，所以，最终在总线上信号的波特率是66.666MHz，但是它实现了100Mbit/s的通信速率。
回声消除技术
10BASE-T和100BASE-TX有两对信号线，分别进行收和发，但是100BASE-T1是也是物理全双工接口，却允许在同一对上进行发送和接收。 这个物理全双工通过叠加原理完成，100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能，并使用回声消除功能来消除其自身的发送信号并从链路伙伴中提取接收到的信息。 为了做到这一点，一个PHY专门用作主机，另一个作为从机。 当两个100BASE-T1 PHY连接时，它们会经过训练过程，从而使被测设备（DUT）和链路伙伴以相同的频率以相同的相位传输信息。下图说明了每个PHY内的混合和回声消除的简化框图。
图15 回声消除技术
图15来源于100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
xMII接口
100BASE-T1在MAC中是透明的，因为现有的媒体独立接口（MII）没有改变。 目前有100种主要的xMII用于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
图2显示了MAC和PHY的信号连接，具体取决于接口。在从MAC接收数据之后，以太网PHY对数据进行编码，加扰和串行化[5]。 这些过程为PHY的模拟前端准备数据，然后将数据传输到单双非屏蔽绞线电缆上，并传输到链路伙伴。
MII/RMII/RGMII/SGMII 连接如下：
图17 MII/RMII/RGMII/SGMII连接接口
图17来源于100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
车载以太网协议——数据链路层
数据链路层的协议对应的内容就多起来了，主要是分成三个大部分：
1、Etherent MAC，对于介质访问控制协议的了解大家可以参考常规以太网的协议标准来学习；
- 数据发送，MAC协议会判断当前是否适合发送数据，若能，它会在将要发送的数据上附加一些控制信息，最终使数据以规定的格式到达物理层；
- 数据接收，它会判断数据是否有错误，如果没有错误的话，它会去掉附加的控制信息发送至LCC（逻辑链路控制）子层；
- SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以获取PHY的状态）和MDC（为MDIO提供时钟）；
- MDC由MAC提供，MDIO是一根双向的数据线。用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息；
- MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效；
2、VLAN协议，局域网协议保持跟常规以太网的完全一致，因此这部分大家也可以参考常规以太网的内容来学习；
VLAN将一个物理的LAN在逻辑上划分成多个广播域的通信技术。VLAN内的主机间可以直接通信，而VLAN间不能直接通信，从而将广播报文限制在一个VLAN内；
当Node数目较多时会导致冲突严重、广播泛滥、性能显著下降甚至造成网络不可用等问题，通过VLAN可以解决冲突严重的问题，隔离广播报文和提升网络质量；
用VLAN可以划分不同的用户到不同的工作组，同一工作组的用户也不必局限于某一固定的物理范围，网络构建和维护更方便灵活。
3、AVB&&TSN协议，更应该称之为协议簇，正常的AVB协议发展成为今天的TSN协议，这部分内容是车载以太网相对比较独特的部分，TSN协议族包含了定时与同步、延时、可靠性、资源管理这四个类别的子协议。
图18 TSN对应协议标准
TSN协议相对而言包含了众多的协议内容，但是TSN协议是在二层以上，建立在数据链路层的上的协议簇：
| 标准 | 名称 | 说明 | 发布时间 |
|---|---|---|---|
| IEEE 802.1Qbv | Enhancements for Scheduled Traffic | 预定流量的增强功能 | 2015 |
| IEEE 802.1Qbu | Frame Preemption | 帧抢占 | 2016 |
| IEEE 802.1Qca | Path Control and Reservation | 路径控制和预留 | 2015 |
| IEEE 802.1Qch | Cyclic Queuing and Forwarding | 循环队列和转发 | 2017 |
| IEEE 802.1CB | Frame Replication and Elimination for Reliability | 无缝冗余 | 2017 |
| IEEE 802.1Qci | Per-Stream Filtering and Policing | 单个流过滤和管理 | 2017 |
| IEEE 802.1CM | Time-Sensitive Networking for Fronthaul | 适用于向前回传的时间敏感网络 | 2018 |
| IEEE 802.1Qcc | Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements | SRP增强功能和性能改进 | 2018 |
| IEEE 802.1Qcp | YANG Data Model | YANG数据模型 | 2019 |
表1 已发布TSN标准
| 标准 | 名称 | 说明 | 发布时间 |
|---|---|---|---|
| IEEE 802.1AS-Rev | Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications | 时间敏感应用的定时和同步 | 2011 |
| IEEE 802.1Qat | Stream Reservation Protocol (SRP) | 流管理协议 | 2010 |
| IEEE 802.1Qav | Forwarding and Queueing Enhancements for Time-Sensitive Streams | 队列及转发协议 | 2009 |
| IEEE 802.1BA | Audio Video Bridging (AVB) Systems | AVB规范 | 2011 |
| IEEE 1722-2011 | Transport Protocol for Time Sensitive Applications (AV Transport Protocol, AVTP) | 时间敏感应用传输协议 | 2011 |
| IEEE 1722.1 | Device Discovery, Enumeration, Connection Management and Control Protocol (AVDECC) | 设备发现、枚举、连接管理和控制协议 | 2013 |
表2 AVB标准
车载以太网协议——网络层
车载以太网的网络层支持的协议应该有很多，但是我们实际的使用中主要是两个：ARP协议和IP协议。
ARP协议：控制报文协议，也称地址解析协议，是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。它可以解决同一个局域网内主机或路由器的IP地址和MAC地址的映射问题。
IP协议：主要是包含了IPv4和IPv6两个版本，工作中IPv4最为主要和常用。IP主要包含三方面内容：IP编址方案、分组封装格式及分组转发规则。
对于CIDR（无类域间路由），无类域间路由（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）它不区分A 类、B 类、C 类地址，而是使用CIDR 前缀的值指定地址中作为网络ID 的位数。这个前缀可以位于地址空间的任何位置，让管理者能够以更灵活的方式定义子网，以简便的形式指定地址中网络ID 部分和主机ID 部分。基本上网络层的协议保持了一致性，只是在一定程度上禁用了部分功能，但是主体上车载和非车载协议内容保持了完全的一致性。IP协议最为重要，应用层的大部分协议是基于IP协议来作为基础的。
车载以太网协议——传输层
传输层的情况基本上是类似网络层，保持了车载和非车载的一致性，主要是支持ICMP、UDP、TCP。
ICMP保持了我们最基础的测试命令的使用场景：PING和tracert功能，本身相对使用情况比较单一，大家可以熟悉一下逻辑即可；
UDP和TCP协议两者的区别和使用场景有很多的文章展示这部分内容，后期有时间可以好好的总结一下相关的内容；
传输层的主要是UDP和TCP两种传输协议，大家对于这部分内容可以查阅协议，内容较多，在此就不展开描述了。
车载以太网协议——应用层
应用层的协议多数是依托网络层的IP协议，传输层的TCP/UDP协议来展开的，车载以太网的应用层协议主要是：UDPNM（网络管理协议）、DHCP（动态主机配置协议）、SOME/IP（服务中间件）、DoIP（诊断协议）以及XCP（标定协议）等。
DoIP：基于以太网的诊断传输协议，能够将UDS进行封装并基于IP网络进行传输；应用于车辆检查和维修、车辆或ECU软件的重编程、车辆或ECU的下线检查和维修等，其主要工作原理类似于Diagnostic over CAN（或称为DoCAN）。
备注：现阶段的OBD的诊断接口是使用的常规以太网TX协议来完成，后期可以完全实现车载系统，并需要诊断设备的支持。
图19
XCP全称UniversalCalibration Protocol，是由ASAM (Association for Standardization ofAutomation and Measuring Systems,简称ASAM)组织在2003年提出的可在不同的通信总线上进行标定的新型标定协议，这里的X代表不同的传输层上传输(CAN、Ethernet、FlexRay、SCI、SPI、USB)。XCPon Ethernet能够基于以太网进行车载控制器的标定，主要用于标定、测量、少量的编程和刷新（大部分刷新会利用诊断协议）、ECU旁路功能等。基于以太网的XCP既可以使用TCP也可以使用UDP。
那么XCP主要的用处以下总结为四点：
a.标定
b.测量（反馈一些变量的值供上位机或测试系统查看，如转速等）
c.编程和刷新（例如更新一部分地址的数据值，甚至重编程等，这部分用的较少一般用UDS）
d.对ECU功能进行旁路，简单来说就是模拟ECU的数据
UDPNM：是AUTOSAR组织制定的基于汽车以太网的网络管理协议，能够有效的实现车载以太网节点的协同睡眠和唤醒，其主要工作原理类似于AUTOSAR的CANNM。正常情况下：应用层的UDPNM+物理层TC10完成整个汽车以太网系统的休眠唤醒设计。
SOME/IP全称(Scalable Service-Oriented Mid dlewarE over IP):是一种用于传输服务(Se rvice)信息的基于IP的可伸缩中间件，能够适应基于不同操作系统的不同大小的设备，小到摄像头，大到车机或自动驾驶模块;相比于传统的C AN总线的面向信号的通信方式，SOME/IP是一种面向服务的通信方式。
SOME/IP协议作为和DDS同类的中间件协议，也成为SOA架构下重要协议类型。
特点：
基于服务的通信方式；
占用空间小；
与autosar兼容；
可伸缩性（大小平台都可以使用）；
兼容性——可用于车内各种操作系统（Autosar 、OSEK、QNX以及Linux）
参考文献：
车载以太网——新一代EEA的主干网
车载通讯系统——车载以太网的协议簇泛读
Putting the Future in Motion with Automotive Ethernet
100BASE-T1 Ethernet: the evolution of automotive networking
Zonal Architecture for Future Cars