一起探索车载以太网协议的基本面貌

正文

车载以太网发展历史

自1980年至今，IEEE组织、OPEN Aliance SIG组织、宝马、博通公司等为传统以太网到汽车领域的应用拓展发挥了十分关键的作用，重要里程碑事件记录如下： 1980年，Ethernet 1.0成功发布； 1985年，IEEE 802小组公布802.3协议，推出了基于CSMA/CD的10M以太网技术； 2004年，BMW公司考虑采用博通公司的以太网技术并于2008年在宝马7系上成功量产以太网刷写技术，其中关键点在于博通公司的单对非屏蔽以太网全双工技术，并保证EMC测试全部PASS； 2013年，BroadR-reach技术成功在宝马5系的环视系统中成功量产； 近年来由著名汽车整车厂与供应商组成的OPEN Aliance SIG相继发布了TC8（车载以太网ECU测试规范）以及TC10（车载以太网休眠唤醒规范），同时携手IEEE将车载以太网标准转化为通用标准。

车载以太网总体架构

  正由于上述IEEE组织，OPEN Aliance SIG组织, AVNU组织，AUTOSAR组织的共同发展与合作，进而规范了车载以太网符合OSI模型的整体架构，如下图1所示：



图1 车载以太网OSI总体架构

首先针对图1中AVNU，IEEE，AUTOSAR以及OPEN Aliance SIG组织做简要介绍，以便能够较为清晰地了解各组织在车载以太网总体架构的主要贡献及主要目标。 AVNU： 致力于推进AVB/TSN时间敏感网络在汽车领域的应用，使以太网成为一种时间确定性的实时网络； IEEE： 电气与电子工程师协会，其中802.3工作小组致力于推进以太网相关标准的制定与完善； AUTOSAR: 汽车开放式系统架构组织，致力于实现汽车软硬之间解耦的标准同时也为车载以太网软件层级作出了相关规范说明； OPEN Aliance SIG: 为非盈利性的汽车行业和技术联盟，旨在鼓励大规模使用以太网作为车联网标准； 同时，从上图中可以看出标记为“IT”则为传统以太网技术协议规范，而标记为“Automotive”则为车载以太网技术协议规范。   显而易见，除了物理层、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD这五个模块为车载以太网技术协议规范之外，其余均为传统以太网技术。

物理层

  车载以太网与传统以太网相比，车载以太网仅需要使用1对双绞线，而传统以太网则需要多对，线束较多。   同时，传统以太网一般使用RJ45连接器连接，而车载以太网并未指定特定的连接器，连接方式更为灵活小巧，能够大大减轻线束重量。除此以外，车载以太网物理层需满足车载环境下更为严格的EMC要求，对于非屏蔽双绞线的传输距离可达15m（屏蔽双绞线可达40m）。   虽然车载以太网只采用单对差分电压传输的双绞线，但是100M/s以太网可以通过回音消除技术来实现全双工通信。下面就通过表格形式列举出当前主流的物理层标准：



表1 车载以太网物理层标准

从上表可知，当下主流的车载以太网协议主要为IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1，常规使用可采用100BASE-T1,如果需要更高带宽，可选择1000BASE-T1。  

不过因为速率越高，对车载以太网物理层一致性测试就更为严格。  

其中以太网所有物理层的功能全部集中在一个称为“PHY”的模块中，它将以太网控制器以及物理介质连接在一起，并且通过一个标准化接口MII连接，同时PHY模块与底层介质通过MDI接口连接，以100BSASE-T1所示，如下图2所示：



图2 物理层PHY接口结构图 （来源：Vector）   模块接口定义见上图2  

数据链路层

  数据链路层可细分为LLC(Logic Link Control)以及MAC（Media Access Control）两个层级。此两层级定义与作用如下： LLC：负责向上层提供服务，管理数据链路通信，链接寻址定义等，与所用物理介质没有关系； MAC：负责数据帧的封装，总线访问方式，寻址方式以及差错控制等，MAC层的存在则可以使得上层软件与所用物理链路完全隔离，保证了MAC层的统一性； 其中LLC子层的服务与服务在IEEE 802.2 LAN协议中有所定义，MAC层的主要功能作用则在IEEE 802.3中定义，并采用CSMA/CD访问控制方式，一般MAC层协议在俗称的“网卡”中实现。  

以太网帧格式   以太网随着历史发展总共存在5种帧格式，不同的以太帧存在不同的类型及MTU值(最大传输数据长度)，且可以在同一物理介质上同时存在。   目前广泛使用的以太网帧格式主要有2种，分别为Ethernet II帧格式与IEEE802.3帧格式。其中车载以太网主要采用Ethernet II帧格式。

完整Ethernet II帧格式

 

图3 Ethernet II帧格式

完整IEEE802.3帧格式

图4 IEEE 802.3帧格式  

如上图3与图4进行对比可知，Ethernet II帧格式中的“类型”位置被802.3帧格式的“长度”所替代。上述不同字段的具体含义如下表2所示：



表2 以太网帧字段定义说明

特别的，我们可以通过判别“类型/长度”字段来进一步判断当前帧的类型。若该字段值小于等于0x5DC，那么该帧为IEEE 802.3格式，若该字段值大于等于0x600，则该帧为Ethernet II帧格式。  

同时需要注意Ethernet II帧格式并没有LLC子层的概念，只有MAC层来处理数据服务等内容，而IEEE 802.3则可以。  

MAC帧格式  

对于MAC帧格式则是从“目标物理地址”开始至“帧校验”结束为一完整的MAC帧。如下图4所示为MAC的完整帧，包括目标物理地址，源物理地址，类型/长度，数据以及帧校验CRC组成。



图4 MAC完整帧格式

特别地，如图中4所示，“VLAN Tag”字段可选，当没有VLAN Flag则为Basic MAC帧，当存在该字段时，则为VLAN MAC帧，即MAC帧可分为基本MAC帧(无VLAN)和标记MAC帧(包括VLAN)两种。  

其中“类型”字段通常可以为以下几种类型，且该类型列表由IEEE组织来维护，如下表3所示列举了车载以太网领域常用的Ethernet Type：



表3 车载以太网常用类型

MAC寻址方式  

MAC地址作为每个以太网接口的固定地址，一般由供应商出厂就固定下来不可更改。地址长度为6Byte，例如00-17-4F-08-78-88，其中前3个字节为组织编号，如下图5所示为MAC地址的寻址方式以及字节定义：



图5 MAC寻址方式(来源：Vector)

如上图所示：前3个字节为组织唯一标识号，由IEEE分配给到网卡生产厂商,其中Byte5/Bit1表示该MAC地址是全球地址还是本地地址，Byte5/Bit 0 用于表示该帧为组播MAC地址，单播地址还是广播地址；

0：单播地址(1对1)，普通终端设备接收；

1：组播地址(1对多)，仅交换机会接收，普通终端设备不会接收；

48个bit全为1：表示为广播地址，所有设备均会接收；

MAC VLAN   VLAN作为一种分割广播域的技术手段，能够有效降低网络不必要的开销，全称为虚拟局域网技术。该技术分割广播域的方法有很多种，在此仅简要介绍下基于MAC的动态VLAN技术，如下图6所示：



图6 基于MAC的动态VLAN技术(来源 Vector)

如上图所示，ECU1与ECU2被划分为属于同一VLAN1，而ECU2与ECU4则被划分为属于同一VLAN2。只需要提前配置好各ECU所属的VLAN即可，基于MAC的VLAN的优点在于即使换了连接端口或者交换机都可以自动重新识别，不需要重复进行配置，主要用于DHCP或者ARP协议发送广播帧的场景。  

正如前面所述MAC帧可分为基本MAC帧(无VLAN)和标记MAC帧(包括VLAN)两种，而如果为如果时标记MAC帧，那么就会使用到VLAN Tag，同时“数据”字段的最小长度为不带VLAN标记的46Byte与带VLAN标记的42Byte，因为VLAN Tag占用了4个字节，最大数据长度均为1500Byte。  

如下图7所示则为VLAN Tag的含义说明：



图7 VLAN Tag定义说明 (来源：Vector)

如上图7所示，VLAN Tag总共可以分为以下3个部分： PRI(3Bit)：帧优先级，就是通常所说的802.1p； CFI(1Bit)：规范标识符，0为规范格式，用于802.3或Ethernet II以太网帧； VLAN ID：就是VLAN的标识符ID；  

网络层

  网络层就是IP协议所在的层级，IP协议可以分为IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4，IP协议的主要作用就是基于IP地址转发分包数据。  

同时IP也是一种分组交换协议，但是IP却不具备自动重发机制，即使数据没有达到目的地也不会进行重发，所以IP协议属于非可靠性协议。  

车载以太网主要使用IPV4协议，同时由于该协议也属于传统以太网范畴，所以不会对该模块做过多细节性阐述。  

IPV4协议头



图8 IPV4协议头

由上可知，IP首部为20Byte。  

该协议头的各部分解释如下图：



图9 IPV4 协议头信息表 IPV6协议头



图10 IPV6 协议头

需要注意的是IPv6 数据报文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 数据报文主要由两个部分组成：Header（首部）和 Payload（负载）。其中，IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。该协议头的各部分解释如下图：



图11 IPV6协议信息表  

传输层

  传输层的协议就是TCP/UDP，这两者协议彼此独立，也可以同时存在，看具体使用场景需求。TCP/UDP作为传统以太网的标准协议，在这里同样不做过多展开，仅整体介绍下TCP与UDP的特点及区别。  

TCP协议

TCP协议头

图12 TCP协议头

如下图13所示为TCP协议头的字段解释：

 

图13 TCP协议头信息表

TCP建立连接过程

TCP是面向连接的可靠的网络通信，因此要通信双方建立通信连接，必须经过我们常说的“三次握手”才能够开启以太网通信，如下图14所示为TCP的“三次握手”连接过程。



图14 TCP ”三次握手“过程  

TCP断开连接过程

TCP已经连接的双方如果需要断开，则需要“四次挥手“来完成此过程”，如下图15所示：

TCP协议特点

从上述的TCP建立连接以及断开连接的过程，不难得出TCP是一种面向连接可靠的传输层协议。具体总结有以下一些特点：  

面向连接；仅支持单播传输，点对点方式，不支持多播或者广播方式；

面向字节流；

可靠传输；

提供拥塞控制；

全双工通信；

  UDP协议  

UDP全称为用户数据包协议，在网络中与TCP协议一样用来处理数据包，是一种无连接的协议。同时UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。   UDP协议头   如下图所示为UDP 协议头的组成：  



图16 UDP协议头

如上图所示，UDP首部为8Byte。  

各字段的具体含义如下表所示：  



图17 UDP协议字段信息表

UDP协议特点

对比TCP协议，UDP具备以下一些特点：  

面向无连接，即不需要建立连接便可以直接进行通信；

存在单播，多播，广播的功能；

UDP是面向报文的，UDP的报文报经过IP层不会进行任何拆分或重组

不可靠性：由于没有像TCP的拥塞控制以及出错自动重传等机制，则会导致发送的报文无法保证接收方是否收到，因为网络本身就存在诸多的不确定性；

TCP与UDP区别   如下图所示，较为清晰的解释了TCP与UDP两者之间的区别，这让我们选择何种传输层协议提供了判断标准。



图18 UDP与TCP区别关系表

TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ，UDP向上层提供无连接不可靠服务;   虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为;   对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP。  

应用层

  在车载以太网领域，目前主流涉及到的应用协议主要有UDP-NM，DOIP，Some/IP，SD以及传统以太网需配合支持的ICMP，ARP，DHCP等协议。  

在本文我不会针对这些协议具体展开，因为每种协议内容不少，后续会专门针对这些应用层协议给大家讲解分享，敬请大家多多关注。  

如下图19是我列举车载以太网中这些应用协议的基础特点以及作用场景给大家一个整体的认识。



图19 车载以太网应用层协议一览

审核编辑：刘清