车载以太网技术及测试方法研究

线束中国 2024-08-06 09:51

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摘要：汽车智能化、网联化的发展对车载网络通讯速度和可靠性提出了更高的需求。车载以太网因其传输速度快、功耗低等优势在汽车上得到了越来越多的应用。车载以太网在传统以太网的基础上进行改进，更符合汽车对通讯质量和电磁兼容的要求。为保证车载以太网在汽车中应用的可靠性与稳定性，需要开展相关测试工作。本文分析了车载以太网物理层、交换机、通讯协议的技术特点以及一致性测试方法，为主机厂和零部件供应商开展车载以太网的可靠性研究提供了有效参考。

0 引言

汽车智能化的提升和功能的复杂化演进对车内网络传输速率、电磁兼容、功耗等性能提出了更高的需求。传统CAN 网络传输速率为125 kB/s~1MB/s，越来越不能满足智能汽车对车内通讯的要求。车载以太网传输速率在10 Mbit/s 至10 Gbit/s之间，同时满足汽车行业高可靠性、低功耗、低电磁辐射以及同步实时性等方面的要求，可以采用单对非屏蔽双绞线进行传输，降低了车辆的成本和重量，在汽车行业得到了越来越多的应用，有望成为车内通信的主干网络。

1 车载以太网概述

1.1 车载以太网架构

如图1 所示，车载以太网沿用了传统以太网的OSI 七层架构模型。在传统以太网的基础上对物理层进行了改进，引入了100BASE-T1、1000BASET1方案。在数据链路层引入了时间敏感网络TSN以满足自动驾驶对高实时性和可靠性的需求。在网络层和传输层保留了TCP/IP 协议族。在应用层引入了SOME/IP、DDS 等中间件，可以在控制器之间实现面向服务的通信。引入了基于以太网的诊断DoIP，通过以太网连接车辆中的电子控制单元，进行诊断、编程和配置。

1.2 车载以太网物理层

车载以太网物理层芯片（PHY）工作于OSI 网络模型的最底层，是一个复杂的数模混合芯片系统，如图2 所示。PHY 定义了数据传送与接收所需要的电光信号、数据编码、时钟基准、电路等，通过接口与MAC 进行数据交换。如图3 所示常规以太网需要两对双绞线分别进行数据的发送和接收，而车载以太网使用的是一对非屏蔽双绞线进行全双工的信息传输。

1.3 车载以太网数据链路层

数据链路层可细分为LLC 以及MAC 两个层级。LLC 与所用物理介质无关，负责向上层提供服务、链接寻址定义、管理数据链路通信等。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，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。

1.4 车载以太网协议

车载以太网网络层和传输层沿用传统以太网网络协议，主要包括ARP、ICMP、IP、TCP 和DUP 协议。在应用层引入了SOME/IP、DDS 等中间件方案，同时支持基于以太网的诊断DoIP。其中SOME/IP 是目前汽车行业实现SOA 架构最核心的通信协议，可以实现服务发现、远程服务调用、读写进程信息，主要通过Method、Event 和Field 三种方式来实现（图4）。

2 车载以太网测试

为了保证车载以太网应用过程中的可靠性与安全性，需要对其开展测试工作。主要包括物理层测试、交换机测试和协议一致性测试等。

2.1 车载以太网物理层测试

车载以太网物理层测试是为了保证端口的互连互通性能，检测发送器和接收器发送及接收信号是否符合汽车通信标准，包括物理介质连接（PMA）测试和互操作性（IOP）测试。PMA 测试主要是对发送器电气指标的测试，将被测件的以太网端口线通过测试夹具连接到示波器或网分，如图5 所示。通过诊断、串口、ADB 等方式设置不同的测试模式使被测件PHY 发出不同的波形，如表1 所示，其中MDI 回波损耗和模式转化损耗需要设置被测件为从模式。

PMA 测试结果如图6 所示。

IOP 测试是对控制器和对端建立链路的测试，包括链路建立时间、链路质量和线缆诊断。链路建立时间测试是为了验证PHY 能否在规定的时间内建立稳定的连接，如图7 所示。链路质量测试是验证寄存器的SQI 值与真实的信号质量是否一致，通过增大和减小链路中注入噪声的幅值实现信号质量递减和递增的SQI 测试，如图8、9 所示。线缆诊断测试通过制造链路故障检验寄存器是否能够准确、可靠地监测到链路近和远端的开路、短路故障。

2.2 车载以太网交换机测试

交换机测试是对车载以太网交换机的功能和性能进行测试。功能测试包括虚拟局域网（VLAN）、镜像、最大帧、地址学习、帧过滤、时间同步等。性能测试包括吞吐量、时延、丢帧率、背靠背、全网状通信、多对一网状通信、一对多网状通信、部分网状、拥塞控制、地址缓存、地址学习速率、错误帧过滤、广播帧转发和延迟。交换机测试时将交换机的外部接口分别与测试站端口连接，如图10所示，通过测试站向被测件发送流量测试交换机的功能和性能。

VLAN 测试时通过测试站发送不带VLAN、带一层VLAN 和带两层VLAN 的流量，并更改VLAN的标签协议标识和VLAN ID，通过检查与被测件相连的测试站端口流量的接收情况，判断该流量被转发还是被丢弃，从而验证交换机的VLAN 设置是否满足需求。如图11 所示，测试仪的5/6/7/8/9 端口分别发送不带VLAN 的广播流量，检查测试站发现每条流量都被转发，对照交换机VLAN 需求判断该条测试通过。

2.3 车载以太网协议一致性测试

协议一致性测试的目的是检验被测设备的协议实现与OSI 协议标准的一致性。一方面检验被测设备和系统是否遵循协议标准，另一方面通过发送非法报文验证被测设备和系统的稳定性和鲁棒性。测试TCP/IP 和SOME/IP 协议时，需要在被测件上分别安装辅助测试工具Upper Tester（UT）和增强可测试性服务（ETS），来接收和回应测试平台的指令，配置被测协议栈的参数或触发被测协议栈产生某种行为。

SOME/IP 测试主要分为ETS 测试和Server 测试。图12 所示为测试仪和被测件的信息交互过程，该项测试是突发测试，目的是检查DUT 是否能够在短时间内处理大量请求，并返回所有请求应答。首先测试仪创建一个有效的SOME/IP 报文，然后使用Method echoUNIT8 发送突发SOME/IP 请求报文，检查被测件是否对每个Method 请求发送响应报文。