01前述

前段时间有幸参加了由涅槃汽车主办的《2021智能汽车电子电气架构与软件开发者大会》，会议上英特佩斯（IntrepidControl Systems）分享了《车载以太网测试场景及方案》的专题，让我受益和感想颇多，我们知道，近年来，汽车电子电气架构、新软件架构及车载网络的发展都非常迅速，我们这些汽车电子从业者应该感受最为真切，技术发展的日新月异主要由这几年汽车智能化、网联化、电动化和共享化的发展趋势推动。而车载以太网技术就是支撑新四化的重要一环，下面我将从原因和技术两方面做下简要总结。

2.1  新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。

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。

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、车身域、底盘域、娱乐域等，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。

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。

新电子电气架构的变革需要车载以太网的技术支撑。

2.2在基于信号通讯的基础上引入面向服务（SOA）的通讯

未来的汽车将成为搭载全新差异化元素的平台。这些差异化元素可能包括最新的车载娱乐系统、自动驾驶和智能安全等以“高容错性”为根本的功能。软件将通过智能传感器与硬件整合，进一步深入数字堆栈。堆栈之间将完成水平整合，并添加新层，从而将整体结构转化为SOA。

基于信号的通讯是目前车载总线普遍采用的，如控制器之间通过CAN总线进行的信息传输就是典型的基于信号的通讯。

而SOA是一种软件架构，同时也是一种软件设计方法和理念，在IT领域已有数十年的应用经验。SOA具备“松耦合”、”接口标准可访问”和”易于扩展”等特点，使得开发人员能以最小的软件变更应对迭代多变的客户需求。汽车引入SOA主要有如下优点：

1、服务高内聚，软件易重用。

2、服务的灵活部署。

3、软件更新升级更快捷。

基于上面的介绍，基于信号的通讯方式支持的数据类型简单且可扩展性差，适用于有限大小数据交互的应用场景。而诸如自动驾驶等先进应用场景加入后，大量数据的动态交互必须采用面向服务的通讯方式以提高通讯速度和效率。因此整车通讯在基于信号通讯的基础上，必须引入SOA的通讯支持。而SOA的支持则必须需要车载以太网技术。

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。

而车载以太网由于其特殊的应用场景，其跟我们常接触的以太网有什么区别和联系呢？下面我简单介绍下，首先在介绍车载以太网的网络分层模型时，我们说下OSI七层网络模型（OSI=OpenSystems Interconnection），OSI 七层网络模型互联网发展过程中一个很重要的模型。作为一个理想的网络参考模型，TCP/IP模型是已经被实际广泛应用于因特网的网络分层模型。TCP/IP 模型没有对 OSI 的 5~7 层做严格区分，统称为应用层。

车载以太网是基于 TCP/IP 的网络分层模型，并由 OPEN 和 AUTOSAR 等联盟对以太网相关协议进行了规范和补充。

车载以太网的物理连接：从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理层接口PHY（Physical Layer，PHY）两大部分构成， MAC及PHY工作在OSI七层模型的数据链路层和物理层，PHY和MAC之间是如何传送数据和相互沟通的呢？MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为SMI接口和MII接口。

MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口，以太网MAC通过该接口发出数据帧经过PHY后传输到其他网络节点上，同时其他网络节点的数据先经过PHY后再由MAC接收。MII是IEEE-802.3定义的以太网行业标准，MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。"媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。

SMI叫串行管理接口，以太网MAC通过该接口可以访问PHY的寄存器，通过对这些寄存器操作可对PHY进行控制和管理。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。

由此可见，MAC 和PHY，一个是数据链路层，一个是物理层；两者通过MII传送数据。 因此Ethernet的接口实质是MAC通过MII总线控制PHY的过程。

MII接口后续又衍生了很多其他版本，如RMII、GMII、SGMII、RGMII等。这里简要介绍其中的MII和RMII，如下图所示。MII共使用了16根线。其中CRS与COL只在半双工模式有效，而车载以太网固定工作在全双工模式下，故应用在汽车环境需要14根线。

RMII是精简版的MII，数据发送接收均为两根，相比MII减少了4根，另外它整合或减去了一些线，最终RMII只有8根线RMII的接口如下：

在实际的设计中，以上三部分并不一定独立分开的。由于，PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件。考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，通常，将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外。更灵活、密度更高的芯片技术已经可以实现MAC和PHY的单芯片整合，可分为下列几种类型:

CPU集成MAC与PHY，目前来说并不多见：

CPU集成MAC，PHY采用独立芯片，这种在车载以太网上是主流方式，因嵌入式芯片厂商一般都将MAC集成在MCU内部，而PHY芯片则由OEM或控制器供应商自己选择：

CPU不集成MAC与PHY，MAC与PHY采用集成芯片。这种在消费用以太网上比较比较常见，如电脑的网卡有这种方式的。

在以太网连接线束上，车载以太网与消费用以太网也是不同的，首先消费用以太网的标准主要采用10BASE-2、10/100BASE-TX和1000BASE-T，其中1000BASE-T是使用RJ45接口，需要四对双绞线共8根线进行数据传输，而10/100BASE-TX则是只使用四对双绞线其中的两对共4根线进行数据传输，如下是100BASE-TX的示意图（使用了两对双绞线）。在很早之前的10BASE-2则是同轴电缆进行数据传输，因此消费类以太网采用线束总结如下：

而车载以太网一般都基本采用带T1的标准，如IEEE 100BASE-T1（以前称为OABR）、IEEE1000BASE-T1，这些都使用一对双绞线共两根线进行数据传输：

从上面可知，车载以太网主要采用基于一对双绞线进行数据传输的100BASE-T1或1000BASE-T1标准，而我们电脑则使用RJ45接口采用基于4对双绞线进行数据传输的1000BASE-TX标准，因此当我们用电脑测量控制器以太网时，需要转换器，如下：

车载以太网是一种点对点通讯，当多个节点的车载以太网互联互通需要交换机，交换机作用如下：

车载以太网帧结构：以太网帧的格式如下：

以太帧有多种类型，不同类型的帧具有不同的格式和MTU值，但在同种物理媒体上都可同时存在。常见有两种帧格式，第一种是上世纪80年代初提出的DIXv2格式，即Ethernet II帧格式。Ethernet II后来被IEEE802标准接纳，并写进了IEEE802.3x-1997的3.2.6节。第二种是1983年提出的IEEE802.3格式。

这两种格式的主要区别在于，Ethernet II格式中包含一个Type字段，表示以太帧处理完成之后将被发送到哪个上层协议进行处理。IEEE802.3格式中，同样的位置是长度字段。

汽车行业通常使用Ethernet  II格式，该格式还可包含VLAN信息作为扩展，因此，又分基本MAC帧（无VLAN）和标记MAC帧（包括VLAN）两种。

车载以太网帧传输过程：上面我们已经提到，车载以太网是基于TCP/IP的网络模型，因此我们先不考虑应用层数据是根据哪种应用层协议组织的，从应用层来的数据，经过传输层会加上TCP/UDP报头，再到网络层的IP报头，然后到链路层增加MAC地址等信息，最后由PHY转换成线路上的二进制流实现在发送端和接收端的数据传输。

其中上面传输层的TCP协议和网络层的IP协议，而应用层协议有不少，车载以太网应用协议主要有AVB/TSN/DoIP和SomeIP。

首先DoIP即Diagnosticsover IP，我们接触最多是DoCAN（Diagnostics over CAN）,两者之间的协议差异是不大的，差一点主要体现在两方面：

1、取代了ISO 11898 (CAN) with Ethernet

2、取代了ISO 15765-2 with TCP/IP

AVB主要用于流媒体的数据传输，因流媒体数据的传输必须以正确的顺序(必须按照顺序表示出来)，同时以定时的方式(不能超时)，此外AVB具有灵活，开发标准，广泛接收，运行在任何以太网PHY的优点。

AVB的范畴仅限于流媒体，而新兴的技术支持ADAS和自动驾驶车辆需求远大于流媒体的需求，因此为了适用汽车智能化的发展趋势，有了TSN。

因此车载以太网在现有的基础上，为符合未来的新的应用场景其实也是不断在演进。同时车载以太网的测试技术也会越来越重要，例如此次的英特佩斯控制系统有限公司所介绍的产品则覆盖了以太网各场景的测试设备支持。

数据量的提升、OTA更新、HAD的冗余要求、互联环境下的安全保障，以及跨行业标准协议的需求会推动汽车以太网的快速发展，并使其成为冗余中央数据总线的关键助推因素。以太网解决方案可以实现跨域通信，并通过添加以太网扩展，例如音-视频桥接（AVB）和时间敏感网络（TSN）等，来满足实时性要求。

本地互联网络、控制器区域网络等传统网络将继续在车辆上运用，但仅用于封闭式的低级网络，如传感器和执行器等。FlexRay和MOST等技术有可能被汽车以太网及其扩展（如AVB、TSN等）取代。“汽车以太网”在以后将成为整车支柱。

参考资料：

1、英特佩斯控制系统有限公司技术资料

2、Vector技术资料

3、麦肯锡分析文档

4、CSDN及有关以太网的技术资料。

文章来源于 公众号 汽车电子与软件