车载以太网技术发展与测试方法研究

孟祥坤，张起朋，张宏伟

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

近年来，随着汽车技术的发展，汽车电子产品数量逐年增加，复杂性日益提高，车内IC增长率已超越所有其他的电子领域。现在，越来越多的汽车需要配备高级驾驶辅助系统 （ADAS）、车载信息娱乐系统 （IVI），大量流媒体数据的传输要求总线具备更高的传输能力。随着无人驾驶技术的发展，汽车需要配备更多的摄像头、雷达等传感器，这些感知系统会采集到大量的数据，要将这些数据快速完整地传输到计算处理单元，并及时地做出响应，也对总线的数据传输能力和可靠性提出了非常高的要求。

面对汽车发展的趋势，对汽车电子总线的要求也越来越高，需要汽车总线具备更高的数据传输能力，汽车电子单元的复杂性要求汽车总线具备开发架构，可扩展、支持更多的系统和设备通信，同时要成本更低、抗干扰能力更强、通信更安全，最好可利用现有成熟的总线技术。基于这些考虑，以太网技术进入了人们的视线。但传统的以太网主要应用于工业和消费级领域，汽车电子环境更为严酷，应力条件和EMC要求更高，因此传统的以太网技术在汽车中并不适用。为了解决这些问题，车载以太网应运而生，具备更高的传输速率 （100 Mb／s&1000 Mb／s），适应严苛的汽车电子应用环境 （温度、应力、复杂电子环境），成本更低、质量更轻，高可靠性、低功耗，低电磁辐射、满足特定EMC标准。

2008年，BMW第一次将100Base-T应用到车载诊断系统（OBD）。2011年，博通推出了BroadR-Reach车载以太网技术，实现以太网从OBD应用到车载网络的过渡。2011年11月，由博通、恩智浦、飞思卡尔和哈曼国际发起的OPEN联盟 （One-Pair Ethernet Alliance）成立，旨在推动将基于以太网的技术标准应用于车联网中。2014年，BMW-X5成为首款采用BroadR-Reach以太网技术的量产车型。目前，众多品牌车型上都使用了BroadR-Reach技术，如宝马X3、X4、X5、X6、i3、i8、6系和7系，捷豹XJ、XF，大众帕萨特等。未来，将会有越来越多的量产车型采用车载以太网技术。

1 车载以太网技术

1.1 车载以太网技术简介

车载以太网是一种用以太网连接车内电子控制单元（ECU）的新型局域网技术。与普通以太网技术采用4对非屏蔽双绞线传输数据不同，车载以太网是在单对非屏蔽双绞线上可实现100 Mb／s甚至1 Gb／s的数据传输速率。相比普通的以太网，能够更加适应车辆环境，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。

1.2 车载以太网协议架构

车载以太网协议架构对应OSI参考模型，主要分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，每一层都有各自的功能，车载以太网的协议架构图和支持的应用协议及协议簇见图1。

1.2.1 物理层与数据链路层

车载以太网的物理层采用博通公司的BroadR-Reach技术，源于100Base-TX及1000Base-T技术，由博通公司联合恩智浦、飞思卡尔、哈曼国际等发起成立的OPEN联盟 （One-Pair Ethernet Alliance）进行推动，并成为开放的产业标准。

图1 车载以太网协议架构图

BroadR-Reach技术在一对UTP上全双工传输100 Mb／s原始数据，传输距离可以达到5 m，因此，BroadR-Reach技术也称为百兆以太网技术。BroadR-Reach车载以太网信号具备3电平，采用PAM-3编码，传输频率66.66 MHz，1 bit时间间隔为15 ns。

BroadR-Reach技术与传统以太网物理层100Base-Tx相比，采用高度优化的扰频器，可以更好地分离信号，频谱效率更高。同时，车载以太网的信号带宽为66.66 MHz，只有100Base-Tx的一半，较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，并确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求。

BroadR-Reach提供标准以太网的MAC层接口，因而能够使用与其它以太网类型相同的数据链路层逻辑功能及帧格式，能够通过与其他以太网类型相同的方式运行高层协议和软件。

车载以太网的数据链路层采用IEEE802.3的接口标准，无需做任何示范与修改就可以与普通以太网的数据链路层技术进行无缝接连，并可以支持高层的网络通信协议 （如TCP／IP）。

1.2.2 TCP／IP 协议簇

TCP／IP协议簇主要对应OSI参考模型的网络层和传输层，是一类协议的统称。网络层主要包括ARP（地址解析协议）、ICMP（因特网控制报文协议）、IPv4／v6（因特网协议类型4／6）、IPv4 Autoconfig（IPv4本地地址动态配置）等，传输层主要包括TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）。

TCP／IP协议簇是网络协议栈的中心部分，是上方的应用协议和下方的物理硬件通道之间数据传输的连接点，起到高层应用与网络协议之间的桥梁作用。车载以太网的TCP／IP协议簇所包含的协议，和普通以太网的TCP／IP协议基本相同，可以支持更上层的协议。

1.2.3 应用层协议

车载以太网应用层协议对应OSI参考模型的5-7层，直接面向用户。协议主要包括SOME／IP（基于IP协议的可伸缩面向服务中间件）、DHCP（动态主机配置协议）、DOIP（汽车诊断服务协议）、HTTP（超文本传输协议）、Service Discovery（服务发现）等。应用层协议可以为用户提供多种服务，是用户能够具体应用的部分。如DOIP可以应用到车辆诊断和固件升级。

1.2.4 AVB协议簇

汽车随着技术的发展，增加了越来越多的语音、视频、图像等娱乐功能，同时也增加了辅助驾驶功能，这就对汽车内部的数据传输提出了很高的要求，需要大量的传输语音视频数据，为了满足车内的低延时、高带宽、高可靠的要求，可以使用基于以太网的音视频桥技术 （AVB）。AVB是一系列IEEE 802.1标准集合，主要用于提升信息交换的容量、行业支持和AV产品的标准化。音视频桥通常指交换机，其目的是为音频和视频数据提供时间同步、低延迟和保证带宽预留的流媒体功能。AVB协议簇主要包括时间敏感应用时序和同步协议、流预留协议 （SRP）、队列及转发规则（FQTSS）、音视频传输协议 （AVBTP）。

2 车载以太网标准化

车载以太网为了投入使用，形成一个产业，需要标准化。通过标准化，打通行业上下游的产业链，同时缩短产品的开发周期以及后期的维护。车载以太网标准化的过程中，OPEN联盟、IEEE 802.3和IEEE 802.1工作组、AUTOSAR联盟和AVnu联盟起到了巨大的推动作用［1］，现阶段标准化的情况见表1。

随着智能网联汽车的发展，ISO国际标准化组织也开始关注车载以太网，并将车载以太网标准纳入到网联汽车标准体系中，ISO／TC22工作组目前正在制定车载以太网标准，具体见表2。

表1 车载以太网现阶段标准化

表2 正在制定标准

3 车载以太网测试

现在，汽车行业对可靠性和安全性要求越来越高，车载以太网在应用的过程中，为了保证其可靠性与安全性，就迫切需要对其开展测试工作。传统的以太网测试和车载以太网测试还存在着一定的差异，因此传统以太网测试方法并不适用于汽车以太网测试。汽车行业对测试的要求更高，所以需要由相应的组织或联盟制定车载以太网测试标准。目前，业界通用的车载以太网测试方法参考OPEN联盟制定的TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification［2］和 TC-11 Ethernet Switch Test Specification［3］标准，测试的内容主要包括物理层测试、车载以太网交换机测试、协议层与应用层除了AVB／TSN以外的一致性测试。下面就这些测试内容和测试方法做具体的介绍。

3.1 物理层测试

车载以太网物理层测试主要包括两个方面的测试：PMA（Physical Media Attachment） 测试和IOP （Interoperability）测试，即互操作性测试。物理层测试的目的是为了保证端口的互连互通性能，检测发送器和接受器发送或接收信号是否符合汽车通信标准。

3.1.1 PMA测试

PMA（物理媒质接入层）主要评估车载以太网的电气特性，针对PMA测试方面，OPEN联盟于2014年6月发布"BroadR-Reach Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications V3.2"规范标准，定义了BroadRReach的PMA电气规范。在OPEN TC8规范中，测试的内容主要包括6种常规测试项：传输衰落、传输失真、传输时钟抖动 （Master&Slave）、传输功率谱密度、传输时钟频率、MDI回损，还有其他的测试项：MDI模式转换损耗、共模辐射等。

测试过程中，需要用到的仪器主要有示波器、矢量网络分析仪、分析软件、夹具等，夹具连接在被测设备（DUT）和示波器之间，起到电路转换的作用，设备连接示意图如图2所示。根据被测对象的特点和测试项的不同，分别连接不同的测试仪表。

图2 物理层PMA测试连接示意图

测试过程中，为了完成不同的测试项，需要将DUT PHY通过修改寄存器的方式设置为不同的测试模式，使其发出特定的数据包，BroadR-Reach中定义了4种测试模式［4］。

1） Test mode 1-Transmit droop test mode。

2） Test mode 2-Transmit jitter test in MASTER mode。3） Test mode 4-Transmit distortion test。

4） Test mode 5-Normal operation at full power （for the PSD mask）。

3.1.2 IOP测试

车载以太网物理层IOP测试，即互操作性测试 （Interoperability Tests），用于验证车载以太网PHY（通常也称为收发器）的可靠性和检查PHY能否在给定的有限时间内建立稳定的链路；还用于车载以太网PHY的诊断，如信号质量指数 （SQI）和线束故障的检测。模拟车载以太网远、近端的开、短路故障作为Link Partner，与DUT建立连接，获取两者之间的Link Up时间 （精度可达1ms）、信号品质指数以及电缆诊断信息。IOP测试的内容主要包括以下几项。

1）唤醒时间 （Link-up time）

对Link Partner的PHY进行多次上、下电操作，计算DUT与Link Partner建立连接所需要的时间；对DUT进行多次上、下电操作，计算DUT与Link Partner建立连接所需要的时间；对DUT进行多次唤醒、睡眠操作，计算DUT与Link Partner建立连接所需要的时间。

2）信号品质

逐步提高人工噪声水平，获取信号品质指数SQI的变化曲线；逐步降低人工噪声水平，获取信号品质指数SQI的变化曲线。

3）线束诊断

测试DUT在远端或近端发生一条或两条线路开路时，是否能够可靠地检测到开路故障；测试DUT在远端或近端发生短路时，是否能够可靠地检测短路故障。

测试过程中，采用Golden Device作为Link Partner，测试的连接示意图如图3所示。

图3 物理层IOP测试连接示意图

3.2 交换机测试

车载以太网的交换机测试，是对车载以太网交换机常规数据帧收发相关功能的测试，测试的规范主要是TC-11 Ethernet Switch Test Specification标准，测试的内容如下。

1）通用功能

数据帧正常转发、端口镜像、端口禁用、处理巨型帧、读出设备ID等基本功能。

2）地址解析功能

地址学习、地址老化时间、地址解析表、地址学习配置模式等功能。

3）虚拟局域网功能 （VLAN）

TPID以太类型字段自由配置功能、双标签Q-in-Q功能、非标签数据帧支持、VLAN跳跃攻击抑制、共享VLAN学习等功能。

4）基于时间敏感网络的时间同步功能 （TSN）

对接收到的时间同步的帧正确处理的功能。

5）服务品质 （QoS）

对优先级流量正确处理和实现不同流量整形策略的功能，包括基于优先级的服务品质、基于WRR转发数据包功能、PCP字段覆盖功能、优先级映射功能、支持漏桶算法功能等。

6）配置功能

运行中可重新配置的功能，端口可单独配置功能、配置完成前支持在“禁止转发”模式下启动的功能、读回配置信息功能、支持锁定配置项功能等。

7）过滤功能

在接收端口是否能按照设定，对接收到的数据帧进行过滤的功能，包括端口广播保护功能、通用过滤需求、与VLAN相关的过滤规则、基于上层地址的过滤规则等。

8）诊断功能

计数器能否正确计数诊断、线缆和连接状态反馈功能的诊断等。

测试过程中，可以将测试平台作为流量发生器，发送不同类型的数据报文，由与之相连的计算机上的软件对报文的类型进行配置，在软件上对测试项的结果进行检查。与DUT相连的计算机也对DUT的工作模式进行配置。测试连接示意图如图4所示。

3.3 协议一致性测试

协议一致性测试（protocol conformance test），指的是检验开放系统互连 （OSI）产品的协议实现与OSI协议标准一致性程度的测试。车载以太网2层到7层除了AVB／TSN以外的协议一致性测试的测试项目和测试过程以及测试判据主要依据TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification标准。测试项主要为了验证两个方面的内容：①Conformance test——验证被测设备／系统是否遵循协议标准；②Negative test——通过发送非法报文验证被测设备／系统的稳定性／鲁棒性。

测试时，需要在DUT上安装辅助测试工具Upper Tester。Upper Tester（UT）本质上是一个运行在DUT中的应用，它能够接收测试平台发送的指令，来配置被测协议栈 （IUT）的参数，或触发被测协议栈产生某种行为。UT支持的指令和格式遵循AUTOSAR体系下的“Testability Protocol and Service Primitives”规范。将测试平台与DUT连接，选择对应的协议测试套件与DUT进行特定的通信，配置测试套件的参数，如IP、MAC地址等，结合Upper Tester的辅助作用对指定协议的测试项开展测试，测试平台收集测试数据，生成测试报告。测试设备连接示意图如图5所示。

以一个ARP测试项为例，介绍协议一致性的测试过程。

1）配置DUT以清除ARP缓存中的动态条目。

2）配置DUT以在其ARP缓存中添加一个静态条目，包含测试平台的IP地址和物理地址。

3）配置DUT向测试平台发送UDP请求消息报文。

4）测试平台监控接收到的报文信息。

5）观察DUT的动作。

6）根据判据判断DUT的动作是否能够通过测试。

除此之外，车载以太网测试还包括AVB协议簇的测试，测试的内容和参考标准主要是：时钟同步功能 （IEEE 802.1AS）、流量控制功能 （IEEE 802.1Qav）、流管理功能（IEEE 802.1Qat）、音频／视频传输协议 （IEEE 1722 （a））。

图4 交换机测试连接示意图

图5 协议一致性连接示意图

4 结束语

随着汽车智能化和网联化的快速发展，为了满足大数据量的传输，车载以太网的应用会越来越广泛，对测试的需求会越来越多，测试要求也会越来越高。未来，车载以太网的测试会更加偏重于应用方面的测试，AVB／TSN也会是研究的重点，相关的标准也在不断地制定中，测试方法也需要不断地改进和完善。