汽车以太网网关设计研究

张招贤

（同致电子科技有限公司，厦门 361000）

0 引言

如今，汽车网络主要由几种不同网络组成，主要有如下几种：一是CAN 总线，目前车载网络骨干网；二是LIN 总线，主要应用于对时间不敏感的功能（如车窗控制、脚踢感应等）；三是MOST 总线，针对信息娱乐系统开发的面向媒体的系统传输；四是FlexRay总线，用于防抱死制动ABS，电子助力转向EPS等系统。由于采用了不同的网络协议，故需要使用网关，以实现在不同网络设备中进行通信数据的传输交互。

随着汽车电子的发展，汽车电子控制单元（ECU）的数量不断增加。同时，为支持无人驾驶系统（ADAS）的实施，越来越多的传感器、摄像头、激光雷达等新技术被集成进汽车，车辆每时每刻都在产生着大量的数据，因此，数据通信速率急需大幅提高。从整体技术上来讲，目前车载网络的改进需要根本性的改变。首先是它所使用的拓扑结构，其次是它所依赖的底层技术。以太网作为一种历史悠久且广为人知的技术，已在数据通信和工业领域得到广泛应用，而今顺势被引入到汽车中来。展望未来，以太网技术将成为汽车数据传输的基础，通过提供一个共同的协议栈，减少不同协议之间的转换需求。

1 以太网互联设备介绍

以太网互联设备主要有中继器（Repeater）、集线器（Hub）、网桥（Bridge）、交换机（Switch）、路由器（Router）。

中继器是一个有两个端口的设备，在OSI 模型的物理层运行。中继器是最简单的互连设备，当某端口检测到输入信号，则将该信号转发到另一个端口上。它的作用是放大信号，补偿信号衰减，加大线缆的传输距离。

集线器是一种具有多个端口的设备，在OSI 模型的物理层运行。集线器其实是一种有两个以上端口的中继器。

网桥是一个有两个端口的设备，在OSI 模型的数据链路层运行。因此，网桥并非盲目地将一个端口的信号复制到另一个端口，实际上它检查了第二层的以太网数据，根据其目的MAC 地址，决定往哪个端口进行转发。

交换机是一个多端口的设备，在OSI 模型的数据链路层运行。交换机实际是一种有两个以上端口的网桥。交换机又可分为二层交换、三层交换、四层交换。

路由器是一种有两个或多个端口的设备，运行在OSI 参考模型的网络层。它检查了第三层的以太网数据，根据第三层的IP地址，决定往哪个端口进行转发。

汽车网关控制器是整车电子电气系统架构中的核心部件，是整车网络的数据交互枢纽。目前在以太网方面主要实现交换机方面的功能，同时在CAN，LIN，Ethernet 等不同网络上进行数据通信路由。

2 车载网关系统功能简介

汽车网关承担不同总线类型之间的协议转换工作，并参与各网段的网络管理，主要具有如下功能：

（1）通信路由。通信路由指的是各个网段之间信息通过网关转发。这种转发有报文路由、信号路由两种方式。报文路由分为事件报文路由和周期报文路由。事件报文具备事件触发特性，即收到才转发。周期报文按照固定周期发送，超时后采用失效值填充。

（2）对整车各电子器件的故障诊断。网关可以自动转发来自外部设备的诊断报文，并可以将各个控制器反馈的诊断信息发回外部设备。

（3）安全隔离，防火墙。网关除了降低网络负载外，另一个很大的功能就是安全性。我们利用网关来隔离车辆内部网络与外部网络。诊断通路一般单独使用一个通道，与其他通信通道隔离，另外还需经过一系列的认证关卡，以防止车辆被恶意入侵。网关还提供防火墙功能，针对某些敏感信息，直接过滤。

（4）克隆转发功能。但隔离工作会让调试工作受到一定限制。为方便调试，网关一般会引入克隆转发功能。即通过诊断命令控制，把其中一路报文在满足正常转发的同时，动态的复制一份到诊断口，以方便调试。

3 以太网网关软件协议层架构

图1 以太网网关软件协议层架构

整个软件协议层非常庞大，限于篇幅，本文仅对DOIP 协议层展开说明。

3.1 DoIP 原理框架

DoIP（Diagnostic over IP）是基于太网的诊断传输协议，将UDS 进行封装，并基于IP 网络进行传输。应用于车辆售后检查和维修、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DoCAN）。即在UDS 诊断服务的基础上，通过TCP/IP 来进行车辆信息诊断。

3.2 DoIP 节点类型

DoIP 实体分为普通DoIP 节点及DoIP 边缘节点。

以太网网关为DoIP 边缘节点。需具有如下特性：支持IPv4；包含DHCP 客户端功能，以实现外部动态IP 地址，内部静态IP 地址；需包含防火墙功能，且需将外部IP 地址转换内部IP 地址以保护内部通信安全；需支持VLAN 功能；需支持多个IP 地址；监听TCP/UDP 协议层数据。

图2 DoIP原理框架

而普通DoIP 节点具有如下特性即可：监听TCP 协议层数据；接收属于本VALN 的DoIP 信息，并作出响应。

3.3 DoIP 应用场景

（1）售后模式：在售后维修厂，外部诊断仪无需使用传统的OBD 口硬件线连接，可通过TCP/IP 协议与车辆建立直接链接，并按照要求的指令，将请求命令发送给车辆的DoIP 实体，然后相应的DoIP 实体也通过TCP/IP 反馈车辆的相关信息。

（2）产品/工厂模式车辆ECU 刷新：外部软件刷新设备，根据既定的软件刷写流程，通过以太网TCP/IP 协议与车辆内部模块IP 网络建立通信。在产品模式下，开发工具一般是实现工具与DoIP 实体点对点的通信与刷新。而在工厂模式下，采取的则是软件刷新设备对整车进行的并行刷新操作。

（3）工厂模式总装检测维修：在工厂生产制造时，外部检测设备会按照指定顺序，对接入IP 网络的车辆进行终检工位的完整性测试。与售后模式下的不同之处在于，在工厂环节，外部检测设备通常会与整车多个模块的多个DoIP 实体进行连接以及并行通信。

3.4 DoIP 激活线

激活线（Activation line）主要用于激活及禁止以太网控制器，目的如下：降低静态睡眠功耗；减少电磁干扰。若供电电压小于2 V，则关闭激活线输出，即禁止以太网控制器。若供电电压大于5 V，则开启激活线输出，即激活以太网控制器。

4 汽车以太网网关测试要求

表1 汽车以太网网关测试要求

TC8 2～7协议层一致性测试TC10 睡眠唤醒测试

4.1 物理层测试

主要针对100Base-T1，100Base-TX，参考标准为TC8。

（1）PMA 测试内容，主要包含：发送器电压降（TM1）、发送器Jitter（TM2）、发送器时钟频率（TM2）、发送器功率频谱密度（TM5）、回波损耗（TM4）、MDI 模式转换（TM4）、MDI共模发射（TM5）、发送器失真（TM4）。

（2）IOP 测试，主要包含：链接建立时间、信号质量SQI、远端开路、近端开路、远端短路、近端短路、接地检测。

（3）接收器测试，主要包含：差分信号&频偏容忍。

4.2 协议层测试

（1）协议一致性测试，依照TC8测试规范展开测试。

（2）交换机性能测试，依照RF2544及RF2889，进行测试，主要包含：端到端向导、运行背景流量、吞吐量和延迟、帧丢失、背对背测试、地址缓存、地址速率、广播速率、拥塞控制、帧误差过滤。

（3）拓扑性能测试，主要包含：全互联、多对一、一对多、部分互联。

（4）协议层测试主要包含对如下协议层的测试：VLAN，ARP，ICMPv4，ICMPv6，IPv4，Dynamic IPv4，UDP，DHCPv4，TCP，SOME/IP 等。

5 结束语

在汽车的智能网联时代，汽车智能网关无缝地集成了车辆与环境周边网络系统，将整个车辆与外部数字世界连接在一起，是连接车辆内部环境与外部通信网络的重要纽带。为适应高速发展的车载网络，同致电子科技将贡献自已的力量，推动新一代以太网网关的顺利开发，实现传统网关到未来的智能网关快速迭代。