ABOUT Ethernet 汽車以太網(wǎng)協(xié)議

智能網(wǎng)聯(lián)技術井噴發(fā)展，新能源產品集中亮相，汽車產業(yè)正處于一個巨大的變革時期，而推動這個變革的觸發(fā)點正是汽車自動駕駛與智能化。這一變革帶動了車聯(lián)網(wǎng)與智能駕駛技術的急速發(fā)展，大量的數(shù)據(jù)交互對于數(shù)據(jù)傳輸帶寬的要求也越來越高，顯然這已超出傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡（CAN或FlexRay等）所能負荷的范圍。因此，車載以太網(wǎng)及上層協(xié)議應運而生。

OSI七層網(wǎng)絡模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中一個很重要的模型。OSI是一個開放性的通信系統(tǒng)互連參考模型，其含義就是建議所有公司使用這個規(guī)范來控制網(wǎng)絡。只有統(tǒng)一通信規(guī)范時，才能實現(xiàn)真正的互聯(lián)化。

OSI的七層模型及通信互聯(lián)的傳輸過程，如下圖所示：

汽車以太網(wǎng)參考OSI分層結構，其相關協(xié)議如下圖所示：

以下我們會按照不同分類，向大家簡單介紹一下汽車以太網(wǎng)的協(xié)議內容。

Ethernet：

由OPEN聯(lián)盟倡議的BroadR-Reach標準得到了大多數(shù)的業(yè)界支持，IEEE根據(jù)BroadR-Reach標準發(fā)布了“更通用的標準”。這些標準包括100Base-T1和1000Base-T1及尚未發(fā)布的10Base-T1S。

BroadR-Reach技術是一種汽車專用的以太網(wǎng)標準，車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)最大的不同就是PHY的不同，專用汽車的PHY（收發(fā)器芯片）實現(xiàn)了在一對非屏蔽雙絞線（UTP）上能夠進行雙向傳輸，提供100Mbit/s 及更高的寬帶性能，并進行了優(yōu)化處理以滿足車載EMC要求。與此同時，保留了標準的IEEE MAC接口，用于支持AVB、TCP/IP、DoIP等多種協(xié)議或應用形式。

TCP/IP協(xié)議簇：

TCP/IP是（Transmission?Control?Protocol/Internet?Protocol）的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡通訊協(xié)議，是Internet最基本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎，能為基于IP數(shù)據(jù)幀的傳輸提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。采用TCP/IP協(xié)議的好處就是除了實現(xiàn)多點傳輸控制和傳輸數(shù)據(jù)量大之外，具有很好的拓展空間，還可以與因特網(wǎng)無縫連接，能方便快速的實現(xiàn)車內與車外的信息交互。

IP：TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有TCP、UDP、ICMP、IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務。

ARP：地址解析協(xié)議，為IP地址到對應的硬件地址之間提供動態(tài)映射。在以太網(wǎng)環(huán)境中數(shù)據(jù)的傳輸所依賴的是MAC地址而非IP地址，而將已知IP地址轉換為MAC地址的工作是由ARP協(xié)議來完成的。

ICMP：IP數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)耐局幸坏┌l(fā)生異常導致無法到達目的地址時，需要給發(fā)送端發(fā)送一個異常通知。ICMP就是為了這個功能制定的。我們平時ping包就是其中的一個功能。

TCP：一種面向連接的傳輸層協(xié)議。它可以保證兩端通信主機之間的通信可達。TCP能夠正確處理傳輸過程中丟包、傳輸順序亂掉等異常情況。

UDP：一種面向無連接的傳輸層協(xié)議。UDP不關心對端是否真正收到了傳送過去的數(shù)據(jù)。如果需要檢查對端是否收到分組數(shù)據(jù)包，或者對端是否連接到網(wǎng)絡，則需要在應用程序中實現(xiàn)。

UDP常用在分組數(shù)據(jù)較少或多播、廣播通信以及視頻通信等多媒體領域。

DHCP：動態(tài)主機配置協(xié)議，主要用途是集中的管理、分配IP地址。

TSN/AVB：

AVB是Audio Video Bridging的縮寫，AVB協(xié)議對傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議進行了擴展，通過增加精確時鐘同步、帶寬預留等協(xié)議增強傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶崟r性。實際上，IEEE 802.1任務組在2012年11月的時候正式將AVB更名為TSN–Time Sensitive Network時間敏感網(wǎng)絡。也就是說，AVB只是TSN中的一個應用。TSN主要用于專業(yè)音視頻領域、汽車控制領域、商用電子領域以及所有需要實時監(jiān)控或是實時反饋的工業(yè)領域。

原有的AVB協(xié)議主要包括以下幾部分：

IEEE 802.1AS 時間同步協(xié)議（gPTP協(xié)議）：AVB上的時間同步協(xié)議是對IEEE 1588協(xié)議的改進協(xié)議。AVB協(xié)議也稱為gPTP協(xié)議。這個協(xié)議保證AVB網(wǎng)絡中的所有設備采用和主時間同步的時間，保持了視頻音頻流的同步傳輸和播放。

IEEE 1722AVB 傳輸層協(xié)議（AVTP協(xié)議）：這個協(xié)議用于定義流的媒體格式封裝、媒體的同步機制以及多播地址的分配。各種壓縮的與非壓縮的原始音視頻數(shù)據(jù)流經由AVTP協(xié)議進行打包，通過AVTP專用的以太網(wǎng)幀類型進行組播，自流媒體源發(fā)出，由AVB交換機進行轉發(fā)，再被注冊過此AV流的接收者接收并解包、解碼然后輸出。

IEEE802.1Qat 流預留協(xié)議（SRP協(xié)議）：主要是根據(jù)不同的流來控制對應流占用的帶寬，保證AVB網(wǎng)絡中端到端的帶寬可用性。SRP協(xié)議利用IEEE 802.1ak多注冊協(xié)議來傳遞消息，以交換AV流的帶寬描述消息并對帶寬資源進行預留。符合AVB標準的AVB交換機能夠將整個網(wǎng)絡的75%的帶寬資源用于AVB鏈路，剩下的25%用于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)流量。

IEEE 802.1Qav 隊列及轉發(fā)協(xié)議（FQTSS協(xié)議）：主要用于流的優(yōu)先級管理和流量整形。

TSN標準由IEEE 802工作組開發(fā)，拓寬了以太網(wǎng)的能力，使其成為真正的工業(yè)級實時通信協(xié)議，簡單介紹其中幾個適用于汽車領域的協(xié)議：

802.1Qbv 使用時間感知整形器：該整形器使用802.1AS得到的同步時間，定時的調度幀的發(fā)送。消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)的影響，也意味著時間敏感幀的發(fā)送是固定的，并且其延遲也是確定的。

802.1CB 幀復制和消除：主要是為了增加TSN網(wǎng)絡的可靠性而增加的幀復制和幀消除，它可以識別重復的幀也可以消除重復的幀，有了這個機制，TSN網(wǎng)絡可以靈活的連接成環(huán)形網(wǎng)絡、冗余網(wǎng)絡，從而無論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能保持可靠的通信；

802.1Qcr 異步流量整形：它的主要作用是可以將數(shù)據(jù)流在交換機的輸出端口的輸出隊列里進行合并，以減少數(shù)據(jù)幀在輸出隊列里的等待時間，它不依賴于時鐘同步機制，但比時鐘同步機制具有更高的鏈路利用率；

802.1Qci 逐一串流過濾與管理：簡單理解為流量控制，用于避免流量過載的情況下影響接收節(jié)點。流量管制也可用于阻擋惡意的裝置或攻擊；

802.1Qbu 幀搶占：指的是時間關鍵幀可以請求發(fā)送器暫停非時間關鍵幀的發(fā)送，并發(fā)送一個或多個時間關鍵幀。時間關鍵幀發(fā)送完成后，再繼續(xù)發(fā)送被搶占的非時間關鍵幀的發(fā)送。非時間關鍵幀可以多次被搶占。目的是保證時間關鍵幀的時間效應。

Middleware/APP：

主要是一些應用層協(xié)議，簡單介紹下這些協(xié)議在汽車網(wǎng)絡中的應用。

SOME/IP（Scalable Service-Oriented MiddlewarE over IP）：是一種用于傳輸服務（Service）信息的基于IP的可伸縮中間件，能夠適應基于不同操作系統(tǒng)的不同大小的設備，小到攝像頭，大到車機或自動駕駛模塊；相比于傳統(tǒng)的CAN總線的面向信號的通信方式，SOME/IP是一種面向服務的通信方式。

DoIP：基于以太網(wǎng)的診斷傳輸協(xié)議，能夠將UDS進行封裝并基于IP網(wǎng)絡進行傳輸；應用于車輛檢查和維修、車輛或ECU軟件的重編程、車輛或ECU的下線檢查和維修等，其主要工作原理類似于Diagnostic over CAN（或稱為DoCAN）。

XCP：XCP on Ethernet能夠基于以太網(wǎng)進行車載控制器的標定，主要用于標定、測量、少量的編程和刷新（大部分刷新會利用診斷協(xié)議）、ECU旁路功能等。

UDPNM：是AUTOSAR組織制定的基于汽車以太網(wǎng)的網(wǎng)絡管理協(xié)議，能夠有效的實現(xiàn)車載以太網(wǎng)節(jié)點的協(xié)同睡眠和喚醒，其主要工作原理類似于AUTOSAR的CAN NM。

除以上我們所介紹的協(xié)議內容外，我們在汽車以太網(wǎng)中還會應用到其他的一些協(xié)議，如HTTP、MQTT、L2TP等。后續(xù)我們會針對每種協(xié)議陸續(xù)推出專題介紹，歡迎大家繼續(xù)關注我們。

關于懌星科技：國內最早從事汽車以太網(wǎng)相關技術研究的本土科技公司之一，同時也是多家全球領先的汽車以太網(wǎng)科技公司的合作伙伴，為整車廠及供應商提供汽車以太網(wǎng)相關的設計、開發(fā)、測試、培訓等解決方案。