車載以太網(wǎng)協(xié)議的基本面貌2

MAC幀格式

對于MAC幀格式則是從“目標物理地址”開始至“幀校驗”結束為一完整的MAC幀。如下圖4所示為MAC的完整幀，包括目標物理地址，源物理地址，類型/長度，數(shù)據(jù)以及幀校驗CRC組成。

圖4 MAC完整幀格式特別地，如圖中4所示，“ VLAN Tag” 字段可選，當沒有VLAN Flag則為Basic MAC幀，當存在該字段時，則為VLAN MAC幀，即MAC幀可分為基本MAC幀(無VLAN)和標記MAC幀(包括VLAN)兩種。

其中“ 類型 ”字段通?？梢詾橐韵聨追N類型，且該類型列表由IEEE組織來維護，如下表3所示列舉了車載以太網(wǎng)領域常用的Ethernet Type：

表3 車載以太網(wǎng)常用類型MAC尋址方式

MAC地址作為每個以太網(wǎng)接口的固定地址，一般由供應商出廠就固定下來不可更改。地址長度為 6Byte ，例如00-17-4F-08-78-88，其中前3個字節(jié)為組織編號，如下圖5所示為MAC地址的尋址方式以及字節(jié)定義：

圖5 MAC尋址方式(來源：Vector)如上圖所示：前3個字節(jié)為組織唯一標識號，由IEEE分配給到網(wǎng)卡生產(chǎn)廠商,其中Byte5/Bit1表示該MAC地址是全球地址還是本地地址，Byte5/Bit 0 用于表示該幀為組播MAC地址，單播地址還是廣播地址；

• 0：單播地址(1對1)，普通終端設備接收；
• 1：組播地址(1對多)，僅交換機會接收，普通終端設備不會接收；
• 48個bit全為1：表示為廣播地址，所有設備均會接收；

MAC VLAN

VLAN作為一種分割廣播域的技術手段，能夠有效降低網(wǎng)絡不必要的開銷，全稱為 虛擬局域網(wǎng)技術 。該技術分割廣播域的方法有很多種，在此僅簡要介紹下基于MAC的動態(tài)VLAN技術，如下圖6所示：

圖6 基于MAC的動態(tài)VLAN技術(來源 Vector)如上圖所示，ECU1與ECU2被劃分為屬于同一VLAN1，而ECU2與ECU4則被劃分為屬于同一VLAN2。只需要提前配置好各ECU所屬的VLAN即可，基于MAC的VLAN的優(yōu)點在于即使換了連接端口或者交換機都可以自動重新識別，不需要重復進行配置，主要用于DHCP或者ARP協(xié)議發(fā)送廣播幀的場景。

正如前面所述MAC幀可分為基本MAC幀(無VLAN)和標記MAC幀(包括VLAN)兩種，而如果為如果時標記MAC幀，那么就會使用到VLAN Tag，同時“數(shù)據(jù)”字段的最小長度為不帶VLAN標記的46Byte與帶VLAN標記的42Byte，因為VLAN Tag占用了4個字節(jié)，最大數(shù)據(jù)長度均為1500Byte。

如下圖7所示則為VLAN Tag的含義說明：

圖7 VLAN Tag定義說明 (來源：Vector)如上圖7所示，VLAN Tag總共可以分為以下3個部分：

• PRI(3Bit)： 幀優(yōu)先級，就是通常所說的802.1p；
• CFI(1Bit)： 規(guī)范標識符，0為規(guī)范格式，用于802.3或Ethernet II以太網(wǎng)幀；
• VLAN ID： 就是VLAN的標識符ID；

網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層就是IP協(xié)議所在的層級，IP協(xié)議可以分為IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4，IP協(xié)議的主要作用就是基于IP地址轉發(fā)分包數(shù)據(jù)。

同時IP也是一種分組交換協(xié)議，但是IP卻不具備自動重發(fā)機制，即使數(shù)據(jù)沒有達到目的地也不會進行重發(fā)，所以IP協(xié)議屬于非可靠性協(xié)議。

車載以太網(wǎng)主要使用IPV4協(xié)議，同時由于該協(xié)議也屬于傳統(tǒng)以太網(wǎng)范疇，所以不會對該模塊做過多細節(jié)性闡述。

IPV4協(xié)議頭

圖8 IPV4協(xié)議頭由上可知， IP首部為20Byte 。

該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：

圖9 IPV4 協(xié)議頭信息表IPV6協(xié)議頭

圖10 IPV6 協(xié)議頭需要注意的是IPv6 數(shù)據(jù)報文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 數(shù)據(jù)報文主要由兩個部分組成：Header（首部）和 Payload（負載）。其中，IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：

圖11 IPV6協(xié)議信息表

傳輸層

傳輸層的協(xié)議就是 TCP/UDP ，這兩者協(xié)議彼此獨立，也可以同時存在，看具體使用場景需求。TCP/UDP作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標準協(xié)議，在這里同樣不做過多展開，僅整體介紹下TCP與UDP的特點及區(qū)別。

TCP協(xié)議

• TCP協(xié)議頭

  

圖12 TCP協(xié)議頭如下圖13所示為TCP協(xié)議頭的字段解釋：

圖13 TCP協(xié)議頭信息表* TCP建立連接過程

TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡通信，因此要通信雙方建立通信連接，必須經(jīng)過我們常說的“ 三次握手 ”才能夠開啟以太網(wǎng)通信，如下圖14所示為TCP的“三次握手”連接過程。

圖14 TCP ”三次握手“過程

• TCP斷開連接過程

TCP已經(jīng)連接的雙方如果需要斷開，則需要 “四次揮手“ 來完成此過程”，如下圖15所示：

圖15 TCP”四次揮手“過程* TCP協(xié)議特點

從上述的TCP建立連接以及斷開連接的過程，不難得出TCP是一種面向連接可靠的傳輸層協(xié)議。具體總結有以下一些特點：

• 面向無連接，即不需要建立連接便可以直接進行通信；
• 存在單播，多播，廣播的功能；
• UDP是面向報文的，UDP的報文報經(jīng)過IP層不會進行任何拆分或重組；
• 不可靠性：由于沒有像TCP的擁塞控制以及出錯自動重傳等機制，則會導致發(fā)送的報文無法保證接收方是否收到，因為網(wǎng)絡本身就存在諸多的不確定性；

UDP協(xié)議

UDP全稱為用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，在網(wǎng)絡中與TCP協(xié)議一樣用來處理數(shù)據(jù)包，是一種無連接的協(xié)議。同時UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對數(shù)據(jù)包進行排序的缺點，也就是說，當報文發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。

UDP協(xié)議頭

如下圖所示為UDP 協(xié)議頭的組成：

圖16 UDP協(xié)議頭如上圖所示， UDP首部為8Byte 。

各字段的具體含義如下表所示：

圖17 UDP協(xié)議字段信息表* UDP協(xié)議特點

對比TCP協(xié)議，UDP具備以下一些特點：

• 面向無連接，即不需要建立連接便可以直接進行通信；
• 存在單播，多播，廣播的功能；
• UDP是面向報文的，UDP的報文報經(jīng)過IP層不會進行任何拆分或重組
• 不可靠性：由于沒有像TCP的擁塞控制以及出錯自動重傳等機制，則會導致發(fā)送的報文無法保證接收方是否收到，因為網(wǎng)絡本身就存在諸多的不確定性；

TCP與UDP區(qū)別

如下圖所示，較為清晰的解釋了TCP與UDP兩者之間的區(qū)別，這讓我們選擇何種傳輸層協(xié)議提供了判斷標準。

圖18 UDP與TCP區(qū)別關系表

• TCP向上層提供面向連接的可靠服務 ，UDP向上層提供無連接不可靠服務;
• 雖然 UDP 并沒有 TCP 傳輸來的準確，但是也能在很多實時性要求高的地方有所作為;
• 對數(shù)據(jù)準確性要求高，速度可以相對較慢的，可以選用TCP。

應用層

在車載以太網(wǎng)領域，目前主流涉及到的應用協(xié)議主要有UDP-NM，DOIP，Some/IP，SD以及傳統(tǒng)以太網(wǎng)需配合支持的ICMP，ARP，DHCP等協(xié)議。

在本文我不會針對這些協(xié)議具體展開，因為每種協(xié)議內(nèi)容不少，后續(xù)會專門針對這些應用層協(xié)議給大家講解分享，敬請大家多多關注。