车载以太网概述

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1.什么是车载以太网？

车载以太网是用于连接汽车内各种电气设备的一种物理网络。车载以太网的设计是为了满足车载环境中的一些特殊需求。例如：满足车载设备对于电气特性的要求（EMI/RF）；满足车载设备对高带宽、低延迟以及音视频同步等应用的要求；满足车载系统对网络管理的需求等。因此可以理解为，车载以太网在民用以太网协议的基础上，改变了物理接口的电气特性，并结合车载网络需求专门定制了一些新标准。针对车载以太网标准，IEEE组织也对IEEE 802.1和IEEE 802.3标准进行了相应的补充和修订。

当这些车载以太网新特性没有纳入IEEE之前，有一些商业组织负责和参与了前期的网络规格定义，例如：

OPEN(One Pair EtherNet) Alliance

这个联盟最先提倡在车载上使用Broadcom（博通）公司设计的10/100Mbps BroadR-Reach解决方案。BroadR-Reach技术使用一对差分信号实现10/10/100Mbps数据的双向传输，并且使用了特殊的编码方式，使数据传输的基频变为了66MHz（民用以太网为125MHz），通过这种方式来改善EMI/RF等电气特性，从而满足了车载设备的对于辐射和抗扰规的要的要求。OPEN Alliance统合了IC厂商，车厂以及车载设备供应商，在前期定义了车载以太网的物理规格和一些网络协议，形成了最初的10M/100Mbps车载以太网的解决方案。后期IEEE根据BroadR-Reach为基础，命名了IEEE 100Base-T1的电气规格。因此，车载以太网接口也常被称作BroadR-Reach接口。

AVnu Alliance

这个联盟主要致力于IEEE802.1音视频桥接(Audio Video Bridging，AVB)以及时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)的实现以及标准的定义。这些协议使网络传输增加了确定性，能够更加精准的控制延迟和音视频之间的同步。

2.传统以太网已经存在了20年以上，为什么一直没有被应用在车载上面？

(1) 传统以太网不能满足汽车OEM厂商对于EMI（电磁干扰)和RF(辐射)的要求，民用的100BASE-TX和1000BASE-TX的辐射噪声很难控制，并且承受噪声干扰（抗扰）的能力比较差。

(2) 车载系统对于传感器及控制系统的响应速度有非常高的要求，而传统以太网不能保证ms级别（或更小）的传输延迟。

(3) 传统以太网没有提供网络带宽分配的方法，因此在不同的数据流同时传输时，无法保证每个数据流所需要的带宽。

(4) 传统以太网没有提供网络设备之间进行时钟同步的方法，无法保证多个设备同一时刻针对数据进行同步采样（尤其是音视频数据）。

3.什么促使以太网被应用在汽车上？

1.数据带宽需求

汽车上的电子设备变得越来越复杂，各种控制系统以及传感器的使用越来越多，车内的各种处理器和域控制器需要更多的数据交互，这种大量的数据交互对于车内数据传输带宽的要求越来越高。

应用举例：

车联网应用：在万物互联的大趋势下，汽车也慢慢变成了互联网的一部分，很多汽车中都配备了4G/Wi-Fi。通过联网，用户和汽车OEM厂商可以对汽车中的电子设备的软件进行OTA升级，对汽车进行远程诊断和状态监控。同时，车内设备也可以通过互联网获得实时交通信息和娱乐信息，这些数据的交互都需要更高的车内总线带宽。

智能驾驶应用：智能驾驶的实现必须依赖于大量的传感器（例如激光雷达，摄像头），这些传感器数的据的传输和处理也依赖于更高的车内总线带宽。

2.车内布线需求

通常，车内各个电子设备之间都是通过专用的电缆进行连接，这使车内的线缆的布置和连接变得更加复杂，同时也带来了车内线缆成本和重量的成倍增加（车内线束的重量是在整车成本排名第三位，同时成本也仅次于动力总成和底盘排名第三）。博通（Broadcom）和博世（Bosch）通过一起研究和评估，实现了通过使用非屏蔽双绞线（UTP）作为10/10/100Mbps以太网的传输介质，而且可以使用更小的连接器端子，这样可以使得线缆的重量大大减少。并且通过以车载太网的应用，车内的电子设备可以抛弃点对点的传统布线连接，只需要将各个设备连接到车载网关控制器上即可，这样也大大减少了车内布线的复杂度。

4.车载以太网协议架构

车载以太网协议是一组多个不同层次上的协议簇，但通常被认为是一个4层协议系统：应用层、传输层、网络层、数据链路层，每一层具有不同的功能。4层结构对应于 OSI 参考模型，并且提供了各种协议框架下形成的协议簇及高层应用程序，车载以太网及其支持的上层协议的技术架构见下图

物理层（OABR）

参照 OSI 模型，车载以太网在物理层，即第 1、第 2 层采用了博通公司的 BroadR-Reach 技术，BroadR-Reach 的物理层（PHY）技术由 OPEN（One-pair Ethernet Alliance，一对以太网）联盟推动，因此有时也被称为 OPEN 联盟 BroadR-Reach（OABR）。

BroadR-Reach 提供标准以太网的 MAC 层接口，因而能够使用与其它以太网类型相同的数据链路层逻辑功能及帧格式，能够通过与其他以太网类型相同的方式运行高层协议和软件。

BroadR-Reach 利用两组编码和信令方法将 MAC 层 100 Mb/s 的数据流转换成 66 Mbaud/s 的三元信号，可使 100 Mb/s 的数据速率能够在较低的频率范围内实现，从而使得 BroadR-Reach 以较低的布线成本实现高数据速率。较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，并确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求。BroadR-Reach 在单对非屏蔽双绞线上传输差分信号，与 CAN 等其他车载网络类似，同时 BroadR-Reach 能够为网络提供电流隔离，其接地偏移额定值高达 2500 V。

BroadR-Reach 支持全双工通信，可使一条链路上的两个车载以太网节点能够同时发送和接收数据。BroadR-Reach 利用先进的数字信号处理技术实现一条链路上的两个节点能够同时在该链路中发送和接收数据，包括使用混合电缆等特殊设备和回音抵消等技术，使各以太网节点能够区分发送和接收的数据。

以上先进技术在车载以太网上的应用，使得 BroadR-Reach 物理层与传统车载 CAN、LIN、Flexray 网络相比，区别巨大且更加复杂，使得车载网络开发、测试工程师的相关经验不易在车载以太网开发测试工作上移植、应用。

2.2 AVB 协议簇

AVB——以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio Video Bridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。

汽车在信息娱乐与驾驶辅助领域的快速发展，需要更多的音视频数据在汽车系统中进行传输，因此基于以太网的音视频桥接（AVB）技术得到应用。

AVB 的高带宽和服务品质，确保数据的及时传递、更高的可靠性与较低的成本、开放的技术标准等特点，非常适合通过 AVB 协议应用在汽车部署中。

AVB 协议簇包括为精准时钟定时和同步协议（gPTP，Precision Time Protocol）、流预留协议（SRP）、时间敏感流的转发和排队协议（FQTSS）及音视频传输协议（AVBTP）。其中，车载以太网中为了降低时延，一般不会动态预留带宽，所以暂且不用考虑SRP所产生的时延；而其余三个协议主要是流量调度产生的时延（即干扰迟滞）和时钟同步产生的时延。

1. 802.1AS：精准时间同步协议（Precision Time Protocol，简称PTP）

2. 802.1Qat：流预留协议（Stream Reservation Protocol，简称SRP）

3. 802.1Qav：排队及转发协议（Queuing and Forwarding Protocol，简称Qav）

4. 802.1BA：音视频桥接系统（Audio Video Bridging Systems）

5. 1722：音视频桥接传输协议（Audio/Video Bridging Transport Protocol，简称AVBTP）

6. 1733：实时传输协议(Real-Time Transport Protocol，简称RTP)

7. 1722.1：负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制。

AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时，在1G的网络中，AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时，可以根据具体应用调节预留带宽。比如：750M带宽可以轻松传输高清full HD视觉无损的视频信号。并且可以在AVB网络中任意路由。

AVB中的802.1AS是1588协议在二层架构下一种具体实现。是AVB协议集中最重要的一部分。

2.3 TCP/IP 协议簇

TCP/IP 协议簇对应 OSI 模型的传输层，该部分是网络结构的中心部分，是下方硬件相关层和上方软件处理层的重要连接点。

TCP/IP 协议负责提供一些重要的服务以使高层的软件应用能够在互联网络中起作用，充当高层应用需求和网络层协议之间的桥梁。

TCP/IP 主要负责主机到主机之间的端到端通信。两个关键的传输协议为用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）。

车载以太网标准化及应用

汽车智能网联的应用，需支持多种系统和设备，同时需具备内、外网络聚合能力，车载网络必须是可扩展的，具有良好的兼容性，因此车载以太网在实现和创新车内应用过程中，标准化是一个重要的驱动因素。通过标准化，可以让 OEM 满足顾客需求，并确保产品品质。各主机厂依据标准来设计，不仅可以缩短产品的上市时间，而且还能保证产品的可用性、生命周期、升级能力以及互操作性。

3.1 车载以太网标准化现状

车载以太网标准化主要由 IEEE802.3 和 IEEE802.1 工作组、AUTOSAR 联盟、OPEN 联盟及 AVnu 联盟起到主要的推动作用，标准化情况汇总见下表。

车载以太网应用

车载以太网被定义为下一代车载局域网络技术，短期内无法全部取代现有车载网络，其在汽车行业上的应用需要一个循序渐进的过程。依据车载以太网在汽车网络上的应用过程，大致可分为 3 个阶段：局部网络阶段、子网络阶段、多子网络阶段。

• 局部网络阶段，可单独在某个子系统上应用车载以太网技术，实现子系统功能，如基于 DoIP 协议的 OBD 诊断、使用 IP 协议的摄像头等；

• 子网络阶段，可将某几个子系统进行整合，构建车载以太网子系统，实现各子系统的功能，如基于 AVB 协议的多媒体娱乐及显示系统、ADAS 系统等；

• 多子网络阶段，将多个子网络进行整合，车载以太网作为车载骨干网，集成动力、底盘、车身、娱乐等整车各个域的功能，形成整车级车载以太网络架构，实现车载以太网在车载局域网络上的全面应用。

车载以太网测试

随着汽车数量的不断增加，人们对汽车的功能性和安全性的要求也不断提高。汽车的高品质、高可靠性以及高安全性需要充分完整的测试进行保证，车载以太网研发过程中应尽早快速、有效地发现问题并早期解决问题，降低成本损失。

4.1 传统以太网与车载以太网测试区别

以太网是计算机有线网络标准之一，一般用于家庭和工作单位所用的 LAN 是最常用的技术标准。传统以太网测试与车载以太网测试存在一定的差异。如传统的 IT 行业对以太网一致性要求不高，无一致性测试标准，汽车行业对车载以太网测试要求高，已由相应的组织或联盟制定了行业的一致性测试标准。相应测试对比信息见下表。

车载以太网测试内容

车载以太网面对激增的功能和复杂度，在保证高度测试覆盖率的同时，通过标准化测试降低测试周期和成本。主要测试报告物理层测试、一致性测试、性能测试、功能测试、网络安全测试以及一些基础测试，相关测试项见表 4。

车载以太网测试可参照国际通用的 V 模型，测试阶段分为部件测试、系统测试、实车测试。各阶段主要测试内容可分为一致性测试、性能测试、OEM 定义的测试内容：

• 一致性测试内容主要为标准一致性、互操作性、稳定性和鲁棒性测试；

• 性能测试主要进行仿真真实通信场景测试、功能测试、多种度量方法分析（例如延迟、吞吐量、抖动、丢包、服务质量、时间同步等）。

• 部件测试包含 AVnu 定义的相关测试、OEM 自定义的测试、OPENTC8 定义的相关测试等；

• 系统测试包含通信测试、诊断测试、网络管理测试、网关路由测试、刷写测试以及 Feature 相关测试等；

• 实车测试主要包含以太网 Feature 相关测试、OEM 定义的测试内容等。

车载以太网的基础测试与网络安全测试贯穿于测试流程的各个阶段。

来源：lunlunl