汽车以太网协议知多少

     ABOUT Ethernet 汽车以太网协议

智能网联技术井喷发展，新能源产品集中亮相，汽车产业正处于一个巨大的变革时期，而推动这个变革的触发点正是汽车自动驾驶与智能化。这一变革带动了车联网与智能驾驶技术的急速发展，大量的数据交互对于数据传输带宽的要求也越来越高，显然这已超出传统车载网络（CAN或FlexRay等）所能负荷的范围。因此，车载以太网及上层协议应运而生。

OSI七层网络模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互联网发展过程中一个很重要的模型。OSI是一个开放性的通信系统互连参考模型，其含义就是建议所有公司使用这个规范来控制网络。只有统一通信规范时，才能实现真正的互联化。

OSI的七层模型及通信互联的传输过程，如下图所示：

汽车以太网参考OSI分层结构，其相关协议如下图所示：

以下我们会按照不同分类，向大家简单介绍一下汽车以太网的协议内容。

Ethernet：

由OPEN联盟倡议的BroadR-Reach标准得到了大多数的业界支持，IEEE根据BroadR-Reach标准发布了“更通用的标准”。这些标准包括100Base-T1和1000Base-T1及尚未发布的10Base-T1S。

BroadR-Reach技术是一种汽车专用的以太网标准，车载以太网与传统以太网最大的不同就是PHY的不同，专用汽车的PHY（收发器芯片）实现了在一对非屏蔽双绞线（UTP）上能够进行双向传输，提供100Mbit/s 及更高的宽带性能，并进行了优化处理以满足车载EMC要求。与此同时，保留了标准的IEEE MAC接口，用于支持AVB、TCP/IP、DoIP等多种协议或应用形式。

TCP/IP协议簇：

TCP/IP是（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，能为基于IP数据帧的传输提供可靠的数据传输服务。采用TCP/IP协议的好处就是除了实现多点传输控制和传输数据量大之外，具有很好的拓展空间，还可以与因特网无缝连接，能方便快速的实现车内与车外的信息交互。

IP：TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都以IP数据报格式传输。IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务。

ARP：地址解析协议，为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。在以太网环境中数据的传输所依赖的是MAC地址而非IP地址，而将已知IP地址转换为MAC地址的工作是由ARP协议来完成的。

ICMP：IP数据包在传输的途中一旦发生异常导致无法到达目的地址时，需要给发送端发送一个异常通知。ICMP就是为了这个功能制定的。我们平时ping包就是其中的一个功能。

TCP：一种面向连接的传输层协议。它可以保证两端通信主机之间的通信可达。TCP能够正确处理传输过程中丢包、传输顺序乱掉等异常情况。

UDP：一种面向无连接的传输层协议。UDP不关心对端是否真正收到了传送过去的数据。如果需要检查对端是否收到分组数据包，或者对端是否连接到网络，则需要在应用程序中实现。

UDP常用在分组数据较少或多播、广播通信以及视频通信等多媒体领域。

DHCP：动态主机配置协议，主要用途是集中的管理、分配IP地址。

TSN/AVB：

AVB是Audio Video Bridging的缩写，AVB协议对传统的以太网协议进行了扩展，通过增加精确时钟同步、带宽预留等协议增强传统以太网音视频传输的实时性。实际上，IEEE 802.1任务组在2012年11月的时候正式将AVB更名为TSN–Time Sensitive Network时间敏感网络。也就是说，AVB只是TSN中的一个应用。TSN主要用于专业音视频领域、汽车控制领域、商用电子领域以及所有需要实时监控或是实时反馈的工业领域。

原有的AVB协议主要包括以下几部分：

IEEE 802.1AS 时间同步协议（gPTP协议）：AVB上的时间同步协议是对IEEE 1588协议的改进协议。AVB协议也称为gPTP协议。这个协议保证AVB网络中的所有设备采用和主时间同步的时间，保持了视频音频流的同步传输和播放。

IEEE 1722AVB 传输层协议（AVTP协议）：这个协议用于定义流的媒体格式封装、媒体的同步机制以及多播地址的分配。各种压缩的与非压缩的原始音视频数据流经由AVTP协议进行打包，通过AVTP专用的以太网帧类型进行组播，自流媒体源发出，由AVB交换机进行转发，再被注册过此AV流的接收者接收并解包、解码然后输出。

IEEE802.1Qat 流预留协议（SRP协议）：主要是根据不同的流来控制对应流占用的带宽，保证AVB网络中端到端的带宽可用性。SRP协议利用IEEE 802.1ak多注册协议来传递消息，以交换AV流的带宽描述消息并对带宽资源进行预留。符合AVB标准的AVB交换机能够将整个网络的75%的带宽资源用于AVB链路，剩下的25%用于传统的以太网流量。

IEEE 802.1Qav 队列及转发协议（FQTSS协议）：主要用于流的优先级管理和流量整形。

TSN标准由IEEE 802工作组开发，拓宽了以太网的能力，使其成为真正的工业级实时通信协议，简单介绍其中几个适用于汽车领域的协议：

802.1Qbv 使用时间感知整形器：该整形器使用802.1AS得到的同步时间，定时的调度帧的发送。消除了周期性数据被非周期性数据的影响，也意味着时间敏感帧的发送是固定的，并且其延迟也是确定的。

802.1CB 帧复制和消除：主要是为了增加TSN网络的可靠性而增加的帧复制和帧消除，它可以识别重复的帧也可以消除重复的帧，有了这个机制，TSN网络可以灵活的连接成环形网络、冗余网络，从而无论发生链路故障、电缆断裂以及其他错误，均能保持可靠的通信；

802.1Qcr 异步流量整形：它的主要作用是可以将数据流在交换机的输出端口的输出队列里进行合并，以减少数据帧在输出队列里的等待时间，它不依赖于时钟同步机制，但比时钟同步机制具有更高的链路利用率；

802.1Qci 逐一串流过滤与管理：简单理解为流量控制，用于避免流量过载的情况下影响接收节点。流量管制也可用于阻挡恶意的装置或攻击；

802.1Qbu 帧抢占：指的是时间关键帧可以请求发送器暂停非时间关键帧的发送，并发送一个或多个时间关键帧。时间关键帧发送完成后，再继续发送被抢占的非时间关键帧的发送。非时间关键帧可以多次被抢占。目的是保证时间关键帧的时间效应。

Middleware/APP：

主要是一些应用层协议，简单介绍下这些协议在汽车网络中的应用。

SOME/IP（Scalable Service-Oriented MiddlewarE over IP）：是一种用于传输服务（Service）信息的基于IP的可伸缩中间件，能够适应基于不同操作系统的不同大小的设备，小到摄像头，大到车机或自动驾驶模块；相比于传统的CAN总线的面向信号的通信方式，SOME/IP是一种面向服务的通信方式。

DoIP：基于以太网的诊断传输协议，能够将UDS进行封装并基于IP网络进行传输；应用于车辆检查和维修、车辆或ECU软件的重编程、车辆或ECU的下线检查和维修等，其主要工作原理类似于Diagnostic over CAN（或称为DoCAN）。

XCP：XCP on Ethernet能够基于以太网进行车载控制器的标定，主要用于标定、测量、少量的编程和刷新（大部分刷新会利用诊断协议）、ECU旁路功能等。

UDPNM：是AUTOSAR组织制定的基于汽车以太网的网络管理协议，能够有效的实现车载以太网节点的协同睡眠和唤醒，其主要工作原理类似于AUTOSAR的CAN NM。

除以上我们所介绍的协议内容外，我们在汽车以太网中还会应用到其他的一些协议，如HTTP、MQTT、L2TP等。后续我们会针对每种协议陆续推出专题介绍，欢迎大家继续关注我们。

关于怿星科技：国内最早从事汽车以太网相关技术研究的本土科技公司之一，同时也是多家全球领先的汽车以太网科技公司的合作伙伴，为整车厂及供应商提供汽车以太网相关的设计、开发、测试、培训等解决方案。