近些年來,隨著為了讓汽車更加安全、智能、環(huán)保等,一系列的高級輔助駕駛功能噴涌而出。未來滿足這些需求,就對傳統(tǒng)的電子電器架構(gòu)帶來了嚴峻的考驗,需要越來越多的電子部件參與信息交互,導致對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率,穩(wěn)定性,負載率等方面都提出了更為嚴格的挑戰(zhàn)。
除此以外,隨著人們對汽車多媒體以及影音系統(tǒng)的需求越來越高,當前雖已有各式各樣的音視頻系統(tǒng),可隨著汽車電動化進程的加速推進,手機控制車輛以及彼此交互的場景不斷擴大,可以想象未來聯(lián)網(wǎng)需求只會不斷拓展,無論是車內(nèi)還是車外的聯(lián)網(wǎng)需求都不約而同的提出了更多網(wǎng)絡(luò)帶寬的重要性。
為此,車載以太網(wǎng)應(yīng)運而生。首先以太網(wǎng)的首要優(yōu)勢之一在于支持多種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì),因此可以在汽車領(lǐng)域進行使用;同時由于物理介質(zhì)與協(xié)議無關(guān),因此可以在汽車領(lǐng)域可以做相應(yīng)的調(diào)整與拓展,形成一整套車載以太網(wǎng)協(xié)議,該協(xié)議將會在未來不斷發(fā)展并長期使用。
正文
車載以太網(wǎng)發(fā)展歷史
自1980年至今,IEEE組織、OPEN Aliance SIG組織、寶馬、博通公司等為傳統(tǒng)以太網(wǎng)到汽車領(lǐng)域的應(yīng)用拓展發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用,重要里程碑事件記錄如下:
- 1980年,Ethernet 1.0成功發(fā)布;
- 1985年,IEEE 802小組公布802.3協(xié)議,推出了 基于CSMA/CD的10M以太網(wǎng)技術(shù) ;
- 2004年,BMW公司考慮采用博通公司的以太網(wǎng)技術(shù)并于2008年在寶馬7系上成功量產(chǎn)以太網(wǎng)刷寫技術(shù),其中關(guān)鍵點在于博通公司的 單對非屏蔽以太網(wǎng)全雙工技術(shù),并保證EMC測試全部PASS ;
- 2013年,BroadR-reach技術(shù)成功在寶馬5系的環(huán)視系統(tǒng)中成功量產(chǎn);
- 近年來由著名汽車整車廠與供應(yīng)商組成的OPEN Aliance SIG相繼發(fā)布了 TC8(車載以太網(wǎng)ECU測試規(guī)范)以及TC10(車載以太網(wǎng)休眠喚醒規(guī)范) ,同時攜手IEEE將車載以太網(wǎng)標準轉(zhuǎn)化為通用標準。
車載以太網(wǎng)總體架構(gòu)
正由于上述IEEE組織,OPEN Aliance SIG組織, AVNU組織,AUTOSAR組織的共同發(fā)展與合作,進而規(guī)范了車載以太網(wǎng)符合OSI模型的整體架構(gòu),如下圖1所示:
圖1 車載以太網(wǎng)OSI總體架構(gòu)首先針對圖1中AVNU,IEEE,AUTOSAR以及OPEN Aliance SIG組織做簡要介紹,以便能夠較為清晰地了解各組織在車載以太網(wǎng)總體架構(gòu)的主要貢獻及主要目標。
- AVNU: 致力于推進AVB/TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用,使以太網(wǎng)成為一種時間確定性的實時網(wǎng)絡(luò);
- IEEE: 電氣與電子工程師協(xié)會,其中802.3工作小組致力于推進以太網(wǎng)相關(guān)標準的制定與完善;
- AUTOSAR: 汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)組織,致力于實現(xiàn)汽車軟硬之間解耦的標準同時也為車載以太網(wǎng)軟件層級作出了相關(guān)規(guī)范說明;
- OPEN Aliance SIG: 為非盈利性的汽車行業(yè)和技術(shù)聯(lián)盟,旨在鼓勵大規(guī)模使用以太網(wǎng)作為車聯(lián)網(wǎng)標準;
同時,從上圖中可以看出標記為“ IT ”則為傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議規(guī)范,而標記為“ Automotive ”則為車載以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議規(guī)范。
顯而易見,除了物理層、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD這五個模塊為車載以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議規(guī)范之外,其余均為傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)。
物理層
車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比,車載以太網(wǎng)僅需要使用1對雙絞線,而傳統(tǒng)以太網(wǎng)則需要多對,線束較多。
同時,傳統(tǒng)以太網(wǎng)一般使用RJ45連接器連接,而車載以太網(wǎng)并未指定特定的連接器,連接方式更為靈活小巧,能夠大大減輕線束重量。除此以外,車載以太網(wǎng)物理層需滿足車載環(huán)境下更為嚴格的EMC要求,對于非屏蔽雙絞線的傳輸距離可達15m(屏蔽雙絞線可達40m)。
雖然車載以太網(wǎng)只采用單對差分電壓傳輸?shù)碾p絞線,但是100M/s以太網(wǎng)可以通過回音消除技術(shù)來實現(xiàn)全雙工通信。下面就通過表格形式列舉出當前主流的物理層標準:
表1 車載以太網(wǎng)物理層標準從上表可知,當下主流的車載以太網(wǎng)協(xié)議主要為IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1,常規(guī)使用可采用100BASE-T1,如果需要更高帶寬,可選擇1000BASE-T1。
不過因為速率越高,對車載以太網(wǎng)物理層一致性測試就更為嚴格。
其中以太網(wǎng)所有物理層的功能全部集中在一個稱為“ PHY ”的模塊中,它將以太網(wǎng)控制器以及物理介質(zhì)連接在一起,并且通過一個標準化接口MII連接,同時PHY模塊與底層介質(zhì)通過MDI接口連接,以100BSASE-T1所示,如下圖2所示:
圖2 物理層PHY接口結(jié)構(gòu)圖 (來源:Vector)模塊接口定義見上圖2,具體有關(guān)PHY模塊的內(nèi)容在此不做展開,后續(xù)會單獨專題講解奉上,敬請關(guān)注!
數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層可細分為 LLC (Logic Link Control)以及 MAC (Media Access Control)兩個層級。此兩層級定義與作用如下:
- LLC: 負責向上層提供服務(wù),管理數(shù)據(jù)鏈路通信,鏈接尋址定義等,與所用物理介質(zhì)沒有關(guān)系;
- MAC: 負責數(shù)據(jù)幀的封裝,總線訪問方式,尋址方式以及差錯控制等,MAC層的存在則可以使得上層軟件與所用物理鏈路完全隔離,保證了MAC層的統(tǒng)一性;
其中LLC子層的服務(wù)與服務(wù)在IEEE 802.2 LAN協(xié)議中有所定義,MAC層的主要功能作用則在IEEE 802.3中定義,并采用CSMA/CD訪問控制方式,一般MAC層協(xié)議在俗稱的“網(wǎng)卡”中實現(xiàn)。
以太網(wǎng)幀格式
以太網(wǎng)隨著歷史發(fā)展總共存在5種幀格式,不同的以太幀存在不同的類型及MTU值(最大傳輸數(shù)據(jù)長度),且可以在同一物理介質(zhì)上同時存在。
目前廣泛使用的以太網(wǎng)幀格式主要有2種,分別為Ethernet II幀格式與IEEE802.3幀格式。其中車載以太網(wǎng)主要采用Ethernet II幀格式。
- 完整Ethernet II幀格式
圖3 Ethernet II幀格式* 完整IEEE802.3幀格式
圖4 IEEE 802.3幀格式如上圖3與圖4進行對比可知,Ethernet II幀格式中的“ 類型 ”位置被802.3幀格式的“ 長度 ”所替代。上述不同字段的具體含義如下表2所示:
表2 以太網(wǎng)幀字段定義說明特別的,我們可以通過判別“類型/長度”字段來進一步判斷當前幀的類型。若該字段值小于等于0x5DC,那么該幀為IEEE 802.3格式,若該字段值大于等于0x600,則該幀為Ethernet II幀格式。
同時需要注意Ethernet II幀格式并沒有LLC子層的概念,只有MAC層來處理數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容,而IEEE 802.3則可以。
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