车载以太网-第06章

车载以太网-第06章

车载以太网相关标准组织和协会

简介

汽车行业的经营范围覆及全球，任何现代化的汽车都包含由跨国公司设计和制造的零部件。要确保来自不同供应商的元件能够相互兼容并准确地相互操作，唯一的办法就是采取统一的标准，因此“标准化”数十年来一直都是汽车行业的一个重要元素。“标准”，顾名思义，其首要目标就是让可能迥然不同的设备能够相互连接，因此它的重要性在通信网络中尤为突出。

了解标准组织和协会

许多标准实际上都是由多个组织共同定义的，因此可能有多个名称。就行业协会来说，这些标准之间可能关系复杂，时有交汇甚至目标相互冲突。一般来说，没有硬性规定哪个组织要负责哪类技术，但有一些基本经验法则值得借鉴：

1. 几乎所有与以太网技术有关的标准，包括常规以太网和车载以太网方面的标准，都是由电气与电子工程师协会（IEEE）定义和管理的。

2. 自动化及测量系统标准协会（ASAM）一般负责与测量和仪器仪表相关的规范。ASAM也规定了许多用于描述车载网络信息的行业数据库和数据文件格式（如标定用的A2L）。

3. 大多数用于诊断量产汽车（特别是乘用车）的协议都是通过国际标准化组织（ISO）进行标准化的。

4. 国际汽车工程师学会（SAE）历史悠久，定义了许多汽车电气网络标准。如车载OBD诊断；SAE标准还规定了用于公路重型卡车、工程车辆、农用车辆以及采矿设备的主要协议，如J1939协议。

国际标准化组织（ISO）

作为全球最大的标准开发和发行组织，ISO共制定过大约20000份标准文件，涵盖领域极广，当前业界采用的车载网络和协议大多经过ISO的标准化处理，其中包括现任车载网络标杆——控制器局域网（CAN，ISO 111891），以及统一诊断服务（UDS，ISO 14229）标准。ISO在采用开放系统互联（OSI）参考模型的网络世界中也声名赫赫。OSI模型不仅是许多网络技术的理论基础，而且对以太网和TCP/IP等基本网络协议簇也产生了很大影响。后续将对此作详细说明。

相关的ISO标准

以下是专为车载网络制定的一些比较重要的ISO标准。

• ISO 11898（CAN）：控制器局域网

  CAN是汽车行业中目前最常用的网络，它通过非破坏性仲裁实现媒体访问控制的双绞线总线组成。另外一些补充标准包括ISO11898-5（低功率模式的高速媒体访问单元）和ISO11898-6（带选择性唤醒功能的高速媒体访问单元）。

• ISO 15765：控制器局域网（CAN）诊断

  定义了CAN网络诊断方法。ISO15765-2定义了如何在一个CAN帧仅能传输一个8字节载荷的情况下传输多达4095字节的数据的标准方法。了解这种发送更多数据的能力，可以帮助您全面分析CAN和以太网的优劣势。

• ISO 14229（UDS）：统一诊断服务

  定义了一套通信命令和响应标准，用于读取和设置与汽车电子控制设备（ECU）相关的诊断信息。

• ISO 13400：基于互联网协议的诊断（DoIP）

  作为第一家将DoIP以太网应用到J1962（OBD）连接器上的公司，宝马推动了DoIP标准的出台。详细了解可见“六便士”专栏下的“DoIP协议”专辑。

• ISO/IEC 7498-1：信息技术-开放系统互联-基本参考模型

  该标准定义了前文述及的开放系统互联（OSI）参考模型。

国际电工委员会（IEC）

IEC成立于1906年，国际电工委员会专门处理电气与电子产品相关事宜，IEC总部和ISO一样设在瑞士日内瓦，并且这两大组织之间也有着紧密合作。许多涉及电子和网络领域的标准都由这两大组织共同发布并冠以'ISO/IEC'前缀，比如我们刚刚提到的ISO/IEC7498-1标准。

为保证电气元件能够在各种严酷的电气、机械和环境下正常工作，IEC定义了许多电气元件测试和认证标准，因此在汽车行业家喻户晓。此外，IEC61883（用户音视频设备-数字接口）在音视频桥接（AVB）多媒体数据传输中发挥着重要作用。

电气与电子工程师协会（IEEE）

电气与电子工程师协会（简称IEEE）是包括各种形式的计算机和网络在内的电气与电子领域最为重要的专业组织。汽车行业采用了许多IEEE标准，本章仅列出几个最值得关注的车载网络相关标准。

IEEE 802协议

与车载网络相关的最重要的IEEE标准实际上并非一个标准，而是一个统称为“IEEE802协议”的标准家族。

• IEEE802.1BA（音视频桥接（AVB）系统）

• IEEE802.1Q（媒体接入控制（MAC）桥和虚拟桥接局域网）

• IEEE802.1AS（桥接局域网中时间敏感应用的定时和同步）

• IEEE802.1Qat（流预留协议（SRP））

• IEEE802.1Qav（时间敏感流转发和排队（FQTSS））

• etc.

互联网工程任务组（IETF）

IETF是负责制定互联网和TCP/IP标准的主要组织。相关的RFC由于车载以太网涵盖TCP/IP和AVB等各种协议栈以及在其上运行的应用，以下仅简要概括其中一些最为重要的RFC。

• RFC791：互联网协议

  定义了最广泛使用的互联网协议版本，即第4版（IPv4），IPV4是负责跨任意互联网络传输数据的主要网络层（OSI第3层）协议，并且被普遍认为是因特网的基础。

• RFC2460：互联网协议第6版（IPv6）

  IP新版本的基本规范。IPV6克服了IPv4随着互联网发展而出现的不足，特别是在寻址和路由方面的不足。

• RFC793：传输控制协议（TCP）

  TCP描述了更加复杂且重要的TCP/IP传输层（OSI第4层）两大协议的运行。TCP为因特网应用提供了基本功能，包括在单个连接上运行多个程序，建立和管理连接，跟踪传输和重传丢失的数据。

• RFC768：用户数据报协议（UDP）

  UDP被视作TCP的简化版，属于轻量级传输层协议，用于速度和简单性优先于功能性和数据传输可靠性的场景。

• RFC826：地址解析协议（ARP）

  ARP是一种传统的用于将第三层的IPv4地址与第二层的硬件地址（例如以太网MAC地址）相关联的方法。

国际汽车工程师学会（SAE）

国际汽车工程师学会（SAE International）的前身是汽车工程师协会，历史上，美国的许多电气网络系统都由SAE定义或通过SAE进行标准化。J1850便是一个重要的早期网络标准，也是福特CAN的前身。

• SAE J1939

  一套规定ECU间的诊断和数据通信的标准，适用于公路重型卡车、工程车辆和农用车辆，是大型车辆行业使用最广泛的标准。

• SAEJ 1962

  该规范规定了在美国出售的所有汽车的OBD所需专用OBD连接器的尺寸、形状和引脚。规范内容还包括预留引脚，其中四个可以用于支持基于IP的诊断（DoIP）的10/100 UTP以太网连接。

行业联盟和协会

One-Pair Ether-Net Alliance SIG（单对以太网联盟）

OPEN联盟是One-Pair Ether-Net Alliance SIG的缩写，即单对以太网联盟。是由汽车和电子行业的制造商与供应商组成的非营利组织。随着车载以太网愈来愈受重视，SIG发展迅速。据该联盟称，其目标主要有四：

1. 促进Broadcom公司的BroadR-Reach100Mb/s以太网物理层规范作为非官方车载网络标准。

2. 努力促使BroadR-Reach或类似的高速单对以太网物理层解决方案得到IEEE802等标准组织的标准化。

3. 确定互操作元件的互操作需求，选择独立的第三方来执行测试以确保设备之间的兼容性。

4. 识别和处理在正式标准化过程中出现的与车载以太网相关的问题。

我们熟知的TC8就是由该联盟指定的，OPEN TC8规范全名《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification》，该规范旨在确定车载以太网ECU是否符合需求规范中的定义或相关要求。

图源 OPEN TC8

图源 东信创智

• TC1和TC2关注100BASE-T1物理层；

• TC3、TC9和TC12关注1000BASE-T1物理层；

• TC7关注1000BASE-RH物理层；

• TC8关注汽车以太网ECU测试规范

• TC10关注汽车以太网睡眠/唤醒

• TC14关注10BASE-T1S物理层；

• TC15关注的则是大于1G传输速率的车载以太网物理层

AVnu联盟

AVnu联盟这一行业组织致力于推动——特别是在IEEE802.1音视频桥接（AVB）标准的支持下来推动——专业质量的音视频（AV）数据通信。为了促进AVB互操作性，AVnu联盟专门为汽车、消费者和专业领域创建了符合市场要求的合规性和互操作性（C&I）测试集。设备制造商从而有机会在定期举办的互通性检测中进一步验证其与同行业其他制造商的设备兼容性。

自动化及测量系统标准协会（ASAM）

ASAM的主要目标是建立实现汽车开发和检修工具的互换和互联的标准。ASAM定义了许多关于数据文件格式、网络描述格式和行业用工具通用接口的最重要规范。以下是较为重要的ASAM标准。

• ODX：开放式诊断数据交换

  该规范定义了一种基于XML的文件格式，用于描述受ECU或整车支持的诊断。ODX文件中包括可能的诊断故障代码（DTC）和诊断标识符（DID）有效值。DID中包含诸如车辆识别号码、软件和硬件部件号以及序列号等信息。

• ASAP2（A2L）

• ASAP2（或称A2L）规范本质上是一个ECU软件描述文件，规定了指定版本的ECU软硬件的存储区域、变量地址、定标和参数。校准开发时，这些可以由外部工具通过XCP、CCP或存储模拟器（通常称为ETK）等协议进行测量和修改。

• FIBEX：现场总线数据交换格式

• FIBEX是一种基于XML的描述格式，适用于广泛的车载网络类型，包括以太网、CAN、LIN和FlexRay。FIBEX文件中的信息描述的是网络上或汽车内的ECU和节点以及消息定义和信号。

• MDF：测量数据格式

• MDF是一种二进制数据文件格式，用于存储原始网络数据以及作为对准的时间序列数据存储的工程单位转换后的数据，例如发动机速度和温度。这些值通常被编码成基于IEEE754标准的浮点数。

上述几种文件格式在工作中均有涉及，后续如果有机会，将会对每种数据文件格式做较为详细的介绍。

AUTOSAR

AUTOSAR（“汽车开放系统架构”）联盟成立的宗旨是创建一套实现ECU软硬件的互操作性和兼容性的标准。AUTOSAR的目的是实现不同软件供应商的编码在同一个ECU内的兼容性，以及规定符合AUTOSAR要求的元件采用模块化结构且可在各ECU上使用。

AUTOSAR与传统的计算机操作系统（如Linux、Android或Windows）之间有着相似之处。这些操作系统定义了标准的应用程序接口（API），使多个程序通过使用一套通用规则接入标准硬件功能从而实现程序之间的协同工作。同样地，AUTOSAR中也有专门为常见ECU的各种功能而规定的接口。AUTOSAR不仅规定了应用程序访问的API，还将规范推向一个更深的层次：它规定了如何使用标准化API来为不同的网络类型——包括以太网、I2C、CAN、LIN和FlexRay——创建驱动器。与大多数标准组织不同，AUTOSAR选择专注一个由众多文件构成的庞大规范。本书中最令我们感兴趣的是TCP/IP协议栈的规范、UDP上的AUTOSAR网络管理以及AUTOSAR描述文件格式。这种名为ARXML的文件格式规定了车载网络的许多方面，并且已经与ASAM的FIBEX相兼容。

参考文献：

[1]Colt Correa.Automotive Ethernet-The Definitive Guide[M];

[2]谢希仁.计算机网络（第7版）[M].电子工业出版社,2017.1；

[3]东信创智：https://zhuanlan.zhihu.com/p/139005645