ABOUT Ethernet 汽車以太網(wǎng)協(xié)議

智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)井噴發(fā)展，新能源產(chǎn)品集中亮相，汽車產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)巨大的變革時(shí)期，而推動(dòng)這個(gè)變革的觸發(fā)點(diǎn)正是汽車自動(dòng)駕駛與智能化。這一變革帶動(dòng)了車聯(lián)網(wǎng)與智能駕駛技術(shù)的急速發(fā)展，大量的數(shù)據(jù)交互對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸帶寬的要求也越來(lái)越高，顯然這已超出傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)（CAN或FlexRay等）所能負(fù)荷的范圍。因此，車載以太網(wǎng)及上層協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中一個(gè)很重要的模型。OSI是一個(gè)開(kāi)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(gè)規(guī)范來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)。只有統(tǒng)一通信規(guī)范時(shí)，才能實(shí)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(guò)程，如下圖所示：

汽車以太網(wǎng)參考OSI分層結(jié)構(gòu)，其相關(guān)協(xié)議如下圖所示：

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

Ethernet：

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

BroadR-Reach技術(shù)是一種汽車專用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)了在一對(duì)非屏蔽雙絞線（UTP）上能夠進(jìn)行雙向傳輸，提供100Mbit/s 及更高的寬帶性能，并進(jìn)行了優(yōu)化處理以滿足車載EMC要求。與此同時(shí)，保留了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE MAC接口，用于支持AVB、TCP/IP、DoIP等多種協(xié)議或應(yīng)用形式。

TCP/IP協(xié)議簇：

TCP/IP是（Transmission?Control?Protocol/Internet?Protocol）的簡(jiǎn)寫(xiě)，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(luò)通訊協(xié)議，是Internet最基本的協(xié)議、Internet國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，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(wù)。采用TCP/IP協(xié)議的好處就是除了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)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(wú)縫連接，能方便快速的實(shí)現(xiàn)車內(nèi)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(bào)格式傳輸。IP提供不可靠、無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù)。

ARP：地址解析協(xié)議，為IP地址到對(duì)應(yīng)的硬件地址之間提供動(dòng)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(zhuǎn)換為MAC地址的工作是由ARP協(xié)議來(lái)完成的。

ICMP：IP數(shù)據(jù)包在傳輸?shù)耐局幸坏┌l(fā)生異常導(dǎo)致無(wú)法到達(dá)目的地址時(shí)，需要給發(fā)送端發(fā)送一個(gè)異常通知。ICMP就是為了這個(gè)功能制定的。我們平時(shí)ping包就是其中的一個(gè)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(jī)之間的通信可達(dá)。TCP能夠正確處理傳輸過(guò)程中丟包、傳輸順序亂掉等異常情況。

UDP：一種面向無(wú)連接的傳輸層協(xié)議。UDP不關(guān)心對(duì)端是否真正收到了傳送過(guò)去的數(shù)據(jù)。如果需要檢查對(duì)端是否收到分組數(shù)據(jù)包，或者對(duì)端是否連接到網(wǎng)絡(luò)，則需要在應(yīng)用程序中實(shí)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(lǐng)域。

DHCP：動(dòng)態(tài)主機(jī)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(xiě)，AVB協(xié)議對(duì)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，通過(guò)增加精確時(shí)鐘同步、帶寬預(yù)留等協(xié)議增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。實(shí)際上，IEEE 802.1任務(wù)組在2012年11月的時(shí)候正式將AVB更名為T(mén)SN–Time Sensitive Network時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。也就是說(shuō)，AVB只是TSN中的一個(gè)應(yīng)用。TSN主要用于專業(yè)音視頻領(lǐng)域、汽車控制領(lǐng)域、商用電子領(lǐng)域以及所有需要實(shí)時(shí)監(jiān)控或是實(shí)時(shí)反饋的工業(yè)領(lǐng)域。

原有的AVB協(xié)議主要包括以下幾部分：

IEEE 802.1AS 時(shí)間同步協(xié)議（gPTP協(xié)議）：AVB上的時(shí)間同步協(xié)議是對(duì)IEEE 1588協(xié)議的改進(jìn)協(xié)議。AVB協(xié)議也稱為gPTP協(xié)議。這個(gè)協(xié)議保證AVB網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備采用和主時(shí)間同步的時(shí)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(gè)協(xié)議用于定義流的媒體格式封裝、媒體的同步機(jī)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(jīng)由AVTP協(xié)議進(jìn)行打包，通過(guò)AVTP專用的以太網(wǎng)幀類型進(jìn)行組播，自流媒體源發(fā)出，由AVB交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，再被注冊(cè)過(guò)此AV流的接收者接收并解包、解碼然后輸出。

IEEE802.1Qat 流預(yù)留協(xié)議（SRP協(xié)議）：主要是根據(jù)不同的流來(lái)控制對(duì)應(yīng)流占用的帶寬，保證AVB網(wǎng)絡(luò)中端到端的帶寬可用性。SRP協(xié)議利用IEEE 802.1ak多注冊(cè)協(xié)議來(lái)傳遞消息，以交換AV流的帶寬描述消息并對(duì)帶寬資源進(jìn)行預(yù)留。符合AVB標(biāo)準(zhǔn)的AVB交換機(jī)能夠?qū)⒄麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)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(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（FQTSS協(xié)議）：主要用于流的優(yōu)先級(jí)管理和流量整形。

TSN標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802工作組開(kāi)發(fā)，拓寬了以太網(wǎng)的能力，使其成為真正的工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)通信協(xié)議，簡(jiǎn)單介紹其中幾個(gè)適用于汽車領(lǐng)域的協(xié)議：

802.1Qbv 使用時(shí)間感知整形器：該整形器使用802.1AS得到的同步時(shí)間，定時(shí)的調(diào)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(shí)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(fù)制和消除：主要是為了增加TSN網(wǎng)絡(luò)的可靠性而增加的幀復(fù)制和幀消除，它可以識(shí)別重復(fù)的幀也可以消除重復(fù)的幀，有了這個(gè)機(jī)制，TSN網(wǎng)絡(luò)可以靈活的連接成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、冗余網(wǎng)絡(luò)，從而無(wú)論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯(cuò)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(jī)的輸出端口的輸出隊(duì)列里進(jìn)行合并，以減少數(shù)據(jù)幀在輸出隊(duì)列里的等待時(shí)間，它不依賴于時(shí)鐘同步機(jī)制，但比時(shí)鐘同步機(jī)制具有更高的鏈路利用率；

802.1Qci 逐一串流過(guò)濾與管理：簡(jiǎn)單理解為流量控制，用于避免流量過(guò)載的情況下影響接收節(jié)點(diǎn)。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(shí)間關(guān)鍵幀可以請(qǐng)求發(fā)送器暫停非時(shí)間關(guān)鍵幀的發(fā)送，并發(fā)送一個(gè)或多個(gè)時(shí)間關(guān)鍵幀。時(shí)間關(guān)鍵幀發(fā)送完成后，再繼續(xù)發(fā)送被搶占的非時(shí)間關(guān)鍵幀的發(fā)送。非時(shí)間關(guān)鍵幀可以多次被搶占。目的是保證時(shí)間關(guān)鍵幀的時(shí)間效應(yīng)。

Middleware/APP：

主要是一些應(yīng)用層協(xié)議，簡(jiǎn)單介紹下這些協(xié)議在汽車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

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

DoIP：基于以太網(wǎng)的診斷傳輸協(xié)議，能夠?qū)DS進(jìn)行封裝并基于IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；應(yīng)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(jìn)行車載控制器的標(biāo)定，主要用于標(biāo)定、測(cè)量、少量的編程和刷新（大部分刷新會(huì)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(luò)管理協(xié)議，能夠有效的實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(nèi)容外，我們?cè)谄囈蕴W(wǎng)中還會(huì)應(yīng)用到其他的一些協(xié)議，如HTTP、MQTT、L2TP等。后續(xù)我們會(huì)針對(duì)每種協(xié)議陸續(xù)推出專題介紹，歡迎大家繼續(xù)關(guān)注我們。

關(guān)于懌星科技：國(guó)內(nèi)最早從事汽車以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究的本土科技公司之一，同時(shí)也是多家全球領(lǐng)先的汽車以太網(wǎng)科技公司的合作伙伴，為整車廠及供應(yīng)商提供汽車以太網(wǎng)相關(guān)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試、培訓(xùn)等解決方案。