基于以太网的汽车网络架构解决方法

摘要

对传统汽车网络总线类型及网络架构特点进行分析，结合智能网联汽车特点智能化和网联化、以及智能网联汽车对传统汽车网络架构的挑战，提出基于以太网的汽车网络架构解决方法、并阐述了应用以太网网络架构的应用推进过程、介绍了汽车以太网应用协议的分类，解决了汽车大数据传输问题。

1 汽车网络介绍

汽车网络，是指将汽车上的所有电子传感器、电子执行器、电子控制单元（ECU）连接在一起的通信形式。汽车功能简单、每辆汽车上ECU数量少的情况下，可通过点对点通讯。随着汽车功能的增多，汽车上传感器、执行器、ECU数量增多，点对点通信已不满足需求。1991年，第一辆取代点对点通信，通过CAN总线传输的车载网络在奔驰S级汽车上诞生。经过二十多年的发展，几乎每辆汽车上都装配有车载总线网络，车载总线网络以CAN、LIN总线网络为主，部分高端汽车搭载MOST、FlexRay总线等。

2 传统汽车网络架构

2.1 传统汽车网络总线类型 

车载总线按照传输类型不同分为CAN、LIN、MOST、FlexRay。

图1 传统汽车总线类型

CAN（Controller Area Network），汽车最常用的车载总线类型，具有低成本、可靠的错误检测和处理机制、基于仲裁式发送方式、最大传输8Byte数据等特点，可应用于车身电子部件控制、发动机控制、底盘电子控制等。

CAN FD（CAN with Flexible Data rate）是CAN的升级，CAN FD总线弥补了CAN总线带宽的制约缺陷。CAN FD数据场部分最大传输速率5Mbps，最大数据长度64Byte。

LIN（Local Interconnect Network）总线，是一种低成本、低速率的主从式串行通信总线。在不需要CAN总线带宽和多功能的场合，如电动门窗、座椅调节、电动天窗、电动雨刮、部分传感器信号采集等，使用更低成本的LIN总线是对CAN总线通信的一种补充。   FlexRay起源于“X-By-Wire”的一种基于“时间触发”协议的高性能、高可靠性实时总线。FlexRay报文最大可传254Byte数据，可以在精确的时间内(可达1us)发送至目标地址。FlexRay总线传输速率可达10M，主要应用于对安全实时性要求较高的线控转向、线控刹车等系统。

Most (Media Oriented System Transport)是面向媒体系统的传输总线，采用光纤作为传输介质，最大传输速率150Mbps，传输可靠性低，主要应用于娱乐系统(CD/DVD、导航等)。

2.2 传统汽车网络架构类型

传统汽车网络架构以CAN总线为主， LIN总线为辅，如图1，典型双CAN网段汽车网络架构，分车身CAN（B-CAN）和动力底盘CAN（PCAN），B-CAN和P-CAN通过网关进行数据交互，B-CAN选用LIN网络作为辅助网络。

图1 以CAN总线为主的汽车网络架构
 

图2 带有MOST/FlexRay总线的网络架构   部分汽车动力底盘系统网络选用FlexRay总线，娱乐系统网络选用MOST总线。如图2，车辆主网络架构分为车身CAN（B-CAN）、动力底盘CAN（P-CAN）和一路MOST总线，P-CAN、BCAN和MOST网段通过网关进行数据交互。MOST总线实现娱乐系统数据传输，FlexRay总线作为动力底盘CAN的补充，实现线控转向控制功能。

3 智能网联汽车网络架构

3.1 智能网联汽车的特点

智能网联汽车的特点是智能化和网联化。智能网联汽车的目地是增强乘员的舒适性、优化乘员的安全性、提供最现代的信息娱乐服务及更便利的汽车服务。

智能化，分为：对外界环境感知的智能化（含行人监测、路标监测、前方车辆碰撞预警等）、对驾驶员状态感知智能化（驾驶疲劳监测等）、车辆控制的智能化（自适应巡航、自动泊车）、娱乐信息系统的智能化、汽车软件升级智能化等。感知智能化意味着车辆上配备更多智能化的探测设备，如：高清摄像头、毫米波雷达、激光雷达。车辆控制智能化意味着车辆有大量的控制相关的精准数据需要交互。娱乐信息系统智能化意味着车辆上有更多高清音视频数据。

网联化即车联网：可通过网联化实现智能交通、大数据、云等。网联化意味着将汽车众多的车辆行驶状态数据、车辆故障数据、车辆采集的外界环境感知数据通过无线网络传输给外界媒体或云端。3GPP会议上定义的5G三大场景：eMBB（3D/超高清视频等大流量移动宽带业务），mMTC（大规模物联网业务） 和 URLLC（无人驾驶、工业自动化等需要低时延高可靠连接的业务）。以及工信部[2016]450号文件《关于同意车载信息服务产业应用联盟开展智能交通无线电技术频率研究批复》，中国将5905-5925MHz作为LTE-V2X的研究实验工作频段。意味着汽车的网联之路是必然趋势。

3.2 智能网联汽车对传统汽车网络架构的挑战

汽车的智能网联化意味着车辆上有高于传统汽车百倍、千倍、万倍的数据需要传输，需要更高带宽的车载网络来适应大数据传输。传统的CAN总线常用传输速率500kbps，最大传输速率1Mbps；新型CANFD总线最大传输速率5Mbps；FlexRay总线，传输速率可达10Mbps，但价格昂贵，除了奥迪、宝马，多数汽车厂商未使用；MOST总线采用价格昂贵的光纤，仅宝马等少数车厂应用。急需一种廉价、可靠、高带宽的车载网络，解决大数据传输问题。

3.3 应用于智能网联汽车的新型总线以太网

引进并改进成熟民用以太网，承担汽车大数据传输，成为必然趋势。如图4，未来智能网联汽车的网络架构将以以太网作为主网络，娱乐系统和辅助驾驶系统选用以太网充当子网络，兼容传统动力底盘系统CAN（P-CAN）及车身舒适系统CAN（B-CAN）子网络。辅助驾驶系统选用以太网传输高清摄像头、高精度雷达的大数据，娱乐系统选用以太网传输音视频影音数据。车辆的相关数据（车辆状态数据、道路环境高清视频数据 、 雷达数据）可通过 Telematics模块 或V2X（Car2X）方式等传输到外界云端、基站、数据控制中心等。车辆的娱乐系统控制器可通过Wi-Fi、蓝牙等方式下载音视频，使乘客在汽车上就可以享受家庭影院的效果。

图3 总线类型及成本消耗图
 

图4 智能网联汽车网络架构  

3.4 基于以太网的汽车网络架构应用发展过程

以太网在汽车网络架构上的引进是一个由点到面发展的过程，可分两代进行发展。 第一代智能网联汽车网络架构如图5所示，在辅助驾驶系统和娱乐系统中引进汽车以太网，应用以太网传输高清摄像头、雷达、音视频数据，动力底盘系统和车身系统使用传统CAN、CANFD进行数据交互。

使用中央网关进行辅助驾驶、娱乐系统、动力底盘系统、车身系统间数据交互，中央网关兼有CAN、CAN-FD、Ethernet数据转换功能。Telematics模块布置在娱乐系统域，具有4G、5G网络收发功能，可通过Telematics模块下载或上传车载数据。用于实现智能交通功能的V2X模块布置在PTCAN，V2X模块可通过LTEV2X网络接收基站或其它车辆发生的DSRC或ITS数据。

第二代智能网联汽车网络架构如图6所示，在第一代智能网联汽车网络架构基础上引入动力底盘域网关、车身域网关。动力底盘系统和车身系统通过动力底盘域网关、车身域网关实现和其它网段、域之间的数据交互，域网关兼有CAN、CAN-FD、Ethernet数据转换功能。中央网关仅需支持Ethernet数据交互功能即可。
 

图5 第一代智能网联汽车网络架构
 

图6 第二代智能网联汽车网络架构  

3.5 汽车以太网传输协议

智能网联汽车网络架构对以太网的应用主要在三方面：主网络、辅助驾驶、娱乐系统。其中辅助驾驶和娱乐系统主要传输AV数据(Audio Video数据)，主网络主要传输各域、各网段间交互的汽车数据。按照OSI参考模型，结合汽车应用特性，智能网联汽车以太网应用到的协议标准如下，如图7所示：

图7 汽车以太网所用协议标准   辅助驾驶、娱乐系统传输AV数据，数据间需要 同 步 ， 选 用 汽 车 AVB（Audio Video Broadcasting）协议模型，两层以太网协议模型（主要包括Layer1、Layer2）。其中Layer1物理层选用百兆快速以太网，应用BroadR–Reach技术采用一对5类非屏蔽双绞线。layer2数据链路层选用AVB特 有 的 IEEE1722、 IEEE802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS协议。

802.1Qat流预留协议，解决网络中A/V实时流量与普通异步TCP流量之间的竞争问题。IEEE802.1Qav队列及转发协议，确保传统的异步以太网数据流量不会干扰到实时音视频流。IEEE1722，音视频传输协议，定义了局域网内提供实时音视频流服务所需的二层包格式，A/V流的建立、控制及关闭协议等。对应于OSI参考模型的3-7层，用于放置A/V音视频流数据，即IEEE1722数据流中的数据内容。IEEE802.1AS，高精度的时钟同步协议，实现A/V音视频流间的时钟同步。

主网络，传输各域、各网段间交互的车辆状态数据。选用七层以太网模型，其中Layer1物理层选用百兆快速以太网，应用BroadR–Reach技术采用一对5类非屏蔽双绞线。layer2数据链路层应用通用IEEE802.3协议。Layer3-7不仅应用TCP/IP协议簇中的IPv4、UDP、TCP、ARP、ICPM，还增加了汽车特有的DoIP、SOME/IP、DHCP、UDS、XCP协议。其中DoIP实现以太网协议的诊断通讯，SOME/IP实现基于以太网协议的动态处理及软件架构，DHCP协议实现动态主机IP分配，UDS实现汽车诊断功能，XCP完成基于以太网的标定功能。

3.6 新型汽车网络架构所面临的挑战

新型汽车网络架构在满足大数据传输需要的同时，使越来越多的汽车电子部件暴露在外。更广阔的外延带来更好的应用和体验，也带来了更多的攻击入口。如何进行系统综合防护及防护功能的划分，成为汽车网络未来需要解决的问题。建立建全智能网联汽车信息安全管理需求，制定智能网联汽车信息安全技术标准和信息安全测试规范，建立智能网联汽车信息安全应急响应体系，成为未来智能网络汽车需要长远解决的问题，需要政府、企业都要积极应对的一场旷日持久战。

未来更高清视频数据的传输，需要采用千兆及千兆以上以太网传输，千兆以太网对汽车电磁兼容性问题是未来汽车技术需要解决的。

4 结语

智能网联汽车网络未来会迎来众多挑战，但任何问题和困难都阻挡不了汽车科技的进步与技术的发展。相反，挑战会促进汽车技术的进步、汽车安全法规的完善，给用户一个更舒适、更先进的驾车体验和乘车感知。

审核编辑：刘清