基于商用车的车载以太网通信技术应用

符丹丹，赵 杰，美少楠，刘 煜

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

随着汽车智能化、网联化的快速发展，自动驾驶技术、FOTA远程升级等技术的不断革新，传统车载总线CAN和LIN总线通信速率已不能满足数据传输的需求，以太网技术因其高速、带宽覆盖广、协议开放等优势，在以太网电磁兼容问题取得技术突破后，车载以太网迅速应用于实车，应用越来越成熟，车载以太网成为下一代汽车骨干网的趋势日趋明显。

1 车载以太网技术介绍

车载以太网是在传统以太网的基础上，为了解决整车电磁兼容问题，采用双绞线实现通信。与传统的CAN、LIN、FlexRay、MOST相比，有以下几个优势。

1）通信速率高：车载以太网目前成熟的带宽为100M或1000M，未来传输速率有望会更高；CAN最高为1M，FlexRay为10M，MOST最高可达150M。

2）成本低：车载以太网采用与CAN相同的低成本非屏蔽双绞线缆，而通信速率同样比较高的MOST则采用光纤，成本较高。

3）传输实时性强：随着TSN技术的成熟，以太网技术完全可以满足控制级别的通信，确保控制的实时性。

4）带宽覆盖广、可应用场景多：车载以太网带宽从10M~1G，未来可达到10G，可以应用在自动驾驶摄像头数据传输、音视频数据传输、地图下载等各种场景。

车载以太网与传统以太网协议架构相同，采用OSI参考模型，如图1所示。

图1 车载以太网参考模型

车载以太网物理层通过一对双绞线实现物理层传输，满足车内EMC的要求，IEEE802.3将物理层架构定义如下：PCS、PMA和PMD共同构成物理层核心，有时候被统称为“PHY”。但PHY的缩写有时也指整个物理层。BroadR-Reach技术没有PMD子层，将PMD集成到PMA中。

数据链路层分为逻辑链路控制（LLC）子层、媒体接入控制（MAC）子层。采用全双工通信方式，通过点对点通信、特殊硬件和数字处理技术（如回波消除），形成交换式以太网，来实现在一组双绞线上双向发送数据。

交互层（IP协议）为设备分配唯一的IP地址，实现没有连接的2个网络设备之间的通信传输。

传输层是OSI中唯一负责数据传输和数据控制的一层，提供端到端的交换数据机制。可以分为可靠传输（TCP）和不可靠传输（UDP）协议。

应用层和中间层，位于协议架构的5~7层，可使用DOIP、SOME/IP、AVB/TSN等多种协议。

2 车载以太网应用场景介绍及拓扑设计

车载以太网的拓扑设计应从整车功能、成本、信息安全等角度综合考虑。目前车载以太网在商用车重卡的应用场景主要有以下几个方面：自动驾驶数据的传输，音视频数据传输，数据刷写，动力、底盘及部分车身系统继续使用传统的CAN总线通信，根据这4个应用可以设计简单的Demo，实现整车功能。车载以太网架构及场景如图2所示。

图2 车载以太网架构及场景

该架构采用星型拓扑，星型拓扑的结构更加符合现阶段域控制器集成的思路，多个控制模块逐渐集成到域控制器中，通信速度较快，省略了多个ECU之间的通信，交换机只需要放到其中的一个节点中。该架构集成在了网关中，既有交换机的功能，也肩负整车CAN和以太网协议转化的功能。EGW可预留多个接口，其他节点省去了集成Switch的硬件部分设计，成本较低；后期功能扩展，也更加灵活。

对于星型结构影响信号稳定性很重要的因素就是分支长度，分支长度越小，那么产生的信号也就越好，所以当以太网节点之间的距离过长时，可采用多个交换机的树形网络拓扑。

3 车载以太网应用层协议介绍

车载以太网应用层协议很多，本文主要分两类进行介绍，一类是用于实时通信的协议，主要有AVB、SOMEIP，另一类为用于诊断的DoIP协议。

车载以太网很重要的一个特点就是速度高、带宽大，所以可以实现音视频的实时传输。以太网虽然在二层网络引入了优先级（Priority）机制，三层网络也已内置了服务品质（QoS）机制，但由于多媒体实时流量与普通异步TCP流量存在着资源竞争，导致了过多的时延（Delay）和抖动（Jitter）。AVB技术主要应用在语音、多媒体及其它动态实时数据传输过程中，通过保障带宽（Bandwidth）、限制延迟（Latency）和精确时钟同步（Timesynchronization），通过建立高品质、低延迟、时间同步的音视频以太网络，提供各种普通数据及实时音视频流的局域网配套解决方案。

SOME/IP是一种满足汽车需求的开放式协议，位于TCP/UDP协议之上。SOME/IP具有以下特点：①是ECU之间通信序列化和RPC的标准协议；②定义支持远程过程调用（RPC）的头格式；③定义如何将应用程序数据序列化为通信线路上的有效负载数据；④兼容AUTOSAR和非AUTOSAR ECU；⑤多平台支持，可支持不同操作系统，如AUTOSAR、GENIVI。

SOME/IP是一种基于IP协议的可扩展面向服务的设计，它将各种功能以服务的形式提供给最终用户或者其他服务。在传统的CAN时代，所有交互都是直接对信号进行收发，直接、简单、高效。随着IP网络在车内的使用，能提供的带宽越来越高，设计系统愈发复杂，系统工程师们直接操作数据链路层变得越来越不可能。这就需要在做系统设计时更多关注更高层面的抽象，在设计通信的时候，把关注层面从bit/byte/frame抽象到method/service，所以，我们需要一套Serviceorientated的架构（SOA）。面向服务的设计如图3所示，Server提供一个实现服务接口的服务实例，Client使用SOME/IP的服务实例。

图3 面向服务设的设计

DoIP全称为Diagnostic communication Over Internet Protocol，遵循ISO 13400协议。DoIP协议应用中，应了解DoIP实体、DoIP网关、DoIP节点、DoIP边缘节点、网络节点的概念。DoIP实体是实现了DoIP协议的节点，为DoIP网关或者DoIP节点；DoIP网关，是指实现DoIP协议并能进行报文转发的节点；DoIP节点，是指实现DoIP协议但不能进行DoIP协议路由的节点；DoIP是边缘节点，与外部诊断设备直接相连有以太网激活线的节点；网络节点是连接在IP网络上，但不实现DoIP协议的节点。DoIP协议的主要应用场景包括故障诊断、软件刷写和整车配置。

4 车载以太网控制器测试介绍

车载以太网控制器测试主要可分为物理层测试、协议一致性测试、应用层测试及交换机性能测试。

1）物理层测试分为PMA测试和IOP测试。

PMA测试又称发送器和接收器测试，主要分为发送端输出跌落、发送端时钟抖动、发送端失真等测试。PMA测试需使用网络分析仪及以太网专用示波器，控制也要求可以在测试模式下通过串口或诊断等方式调整模式，比如发送端输出跌落测试需要在测试模式1下进行测试，发动端时钟抖动需在模式2下进行测试。

IOP测试又称互操作性测试，主要是对系统的连接时间、信号品质以及线束诊断进行测试。IOP测试需要专用的设备进行测试，比较常用的有Golden Divce，随着车载以太网的普及，目前也有其他测试机构研发的性价比更高的测试设备。

2）协议一致性测试依据OPENTC8标准，包括TCP/IP、AVB、SOME/IP等常用协议，主机厂可以根据整车协议的应用情况选择响应的协议包。应用层大部分是由主机厂自主定义，可以实现DoIP测试、网络管理等测试。交换机性能测试分为2层和3层测试，包括吞吐量、时延、丢包率等测试。车载以太网的测试已有专业的设备及机构进行支持，满足实车应用的基础。

5 结束语

车载以太网在商用车的应用，将为自动驾驶、OTA等提供技术保障，解决带宽不足的问题。车载以太网协议相较于CAN的协议更复杂，但是因其从工业以太网发展而来，协议开放，后期速率扩展也将更加便捷。目前百兆以太网的设计及测试标准已经发布，千兆以太网的设计标准也已发布，国内各大主机厂已经纷纷开展车载以太网的应用及测试的研究，随着技术的不断成熟，将成为整车下一代骨干网络应用的必然趋势。