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車載以太網(wǎng):優(yōu)勢、技術(shù)與應(yīng)用實踐

jf_C6sANWk1 ? 來源:阿寶1990 ? 2023-11-21 16:44 ? 次閱讀

01.

車載以太網(wǎng)的獨特優(yōu)勢

1.1 多功能技術(shù)代替單一技術(shù)

傳統(tǒng)CAN總線只能滿足ECU特定的CAN協(xié)議,而以太網(wǎng)可作為雷達、攝像頭等傳感器驗證,支持時間同步、音視頻應(yīng)用,甚至可兼容互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這就能說通為什么今天它在汽車行業(yè)處于完全爆發(fā)的狀態(tài)了。

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1.2 高速率與強突破性

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車載以太網(wǎng)能在汽車領(lǐng)域普及主要是根據(jù)高速率和強突破性這兩個特點?,F(xiàn)在100M和1000M基本上被每個OEM都以這樣那樣的方式使用,或者計劃使用。2.5G、5G、10G技術(shù)正在應(yīng)勢而生,很多廠家推出了對應(yīng)工具。另外,從傳統(tǒng)以太網(wǎng)到車載以太網(wǎng)轉(zhuǎn)變也與EMC突破有關(guān)。

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100BASE-TX無法具備EMC功能,100BASE-T1可以依據(jù)物理層轉(zhuǎn)換技術(shù),適配更便宜的電纜和連接器,進而解決不帶屏蔽即可滿足電磁兼容性的需求。所以說車載以太網(wǎng)突破性強,也是被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的重要原因之一。

02.

車載以太網(wǎng)技術(shù)解析

2.1 ISO/OSI參考模型

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以太網(wǎng)協(xié)議模型支持結(jié)構(gòu)成層以及重組和獨立開發(fā)。在Internet Model中將5-7層進行合并,融合了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,共計四層;但考慮到功能描述的詳細性,創(chuàng)建了五層模型,即在會話層、表示層、應(yīng)用層合并為應(yīng)用層的基礎(chǔ)上,保留物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。因此將五層模型定義為最佳協(xié)議模型,TCP/IP也采用了五層模型結(jié)構(gòu)。

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各層協(xié)議分布

2.2 物理層:傳輸方式與接口設(shè)計

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與100BASE-TX相比,100BASE-T1只用一對非屏蔽雙絞線(UTP線纜和專用連接器)開啟全雙工模式,成本、重量和電磁兼容性更高。用汽車專用接口MQS/MATENET/HMTD來替代傳統(tǒng)RJ45數(shù)水晶頭,編碼方式也由PAM3代替了PAM5,將邏輯的-1,0,1轉(zhuǎn)化為在雙絞線上的電壓。

2.3 數(shù)據(jù)鏈路層:以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

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以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如上圖,由目標MAC地址、源MAC地址、幀類型、IP數(shù)據(jù)包和校驗值構(gòu)成。在抓包過程中目的MAC地址和源MAC地址已經(jīng)被解析出來,報過幀類型也可以在wireshark工具中查看到。

以太網(wǎng)最大幀:6+6+2+1500+4=1518字節(jié)

以太網(wǎng)最小幀:6+6+2+46+4=64字節(jié)

基于CRC32的FCS (Frame Check Sequence),如果接收到錯誤FCS的以太網(wǎng)幀,該幀被丟棄

VLAN Tag的EtherType為0x8100;VLAN ID (VID)作為VLAN的唯一ID

2.4 網(wǎng)絡(luò)層:以太網(wǎng)IP路由配置

路由:當IP數(shù)據(jù)報文的源設(shè)備和目的設(shè)備不在同一網(wǎng)絡(luò)中時,數(shù)據(jù)報文必須使用中間系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā),這一過程被稱為路由。IP地址是數(shù)據(jù)包傳輸系統(tǒng)的一個重要組成部分。

IP路由轉(zhuǎn)發(fā)過程示例:

目的網(wǎng)絡(luò)/掩碼 出接口 下一跳
10.1.1.0/24 GE0/0/0 1.1.1.2

路由配置遵循的規(guī)則:

最長匹配原則:選擇掩碼最長的條目

路由優(yōu)先級(根據(jù)協(xié)議來):Dreect—0;OSPF—10;Static—60;RIP—100

路由度量:Cost越小越好

2.5 應(yīng)用層:SOME/IP協(xié)議

SOME/IP主要為應(yīng)用層提供API接口,創(chuàng)建CS接口,通過TCP/IP協(xié)議進行通信。而SOME/IP的訪問方式分為三種,分別是事件通知,遠程過程調(diào)用和訪問進程數(shù)據(jù)。

事件通知:與傳統(tǒng)的CAN通信類似,服務(wù)端周期性或者事件變化事件向客戶端發(fā)送特定的數(shù)據(jù)。

遠程過程調(diào)用:是當客戶端有請求的時候,向服務(wù)端發(fā)送請求命令,服務(wù)端解析命令,并作出相應(yīng)的響應(yīng)。

訪問進程數(shù)據(jù):可以使客戶面向服務(wù)器寫入(Setter)或者讀?。℅etter)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)格式如下:

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03.

車載以太網(wǎng)應(yīng)用場景

3.1 點對點轉(zhuǎn)換:實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸

通過車載以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)1000BASE-T1與1000BASE-TX在物理層點對點的轉(zhuǎn)換,并且不存儲和修改任何數(shù)據(jù)包。還可以進行ECU開發(fā)、程序改編、診斷測試等服務(wù),讓工程師擁有便捷的測試工具。

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3.2 端口鏡像:記錄與仿真的重要手段

端口鏡像將指定源的報文復(fù)制一份到目的端口。一般是在不影響網(wǎng)絡(luò)通訊的情況下,將源數(shù)據(jù)進行復(fù)制,通過觀察端口發(fā)送到監(jiān)控設(shè)備上,進而判斷網(wǎng)絡(luò)中運行是否正常。

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Switch_1-P2:為源報文數(shù)據(jù)流經(jīng)端口

S3P8:為目的端口,也稱觀察端口

原理:PC可以通過RJ45用接口線接入,遠程配置交換機內(nèi)部端口鏡像功能,進而記錄Switch_1-P2到Switch_3-P0的流量,進行診斷分析和仿真測試。

3.3 MACsec通信驗證:保證數(shù)據(jù)安全性

隨著車輛內(nèi)ECU數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸以及內(nèi)部連接性越大,暴露在網(wǎng)絡(luò)攻擊中的風(fēng)險越大,MACsec技術(shù)是必然產(chǎn)物。MACsec稱為媒體訪問控制安全,是IEEE針對MAC層提出的標準化安全解決方案,提供無連接的用戶數(shù)據(jù)保密性、幀數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)源真實性。

帶有MACsec技術(shù)的硬件可以解密高速MACsec流量并記錄,檢查ECU上的MACsec實施情況。

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04.

車載以太網(wǎng)實踐經(jīng)驗分享

4.1 通訊協(xié)議棧設(shè)計

協(xié)議棧支撐ECU在車內(nèi)使用不同協(xié)議來交換數(shù)據(jù),不同的OEM會有不同的選擇,因此在開發(fā)過程中也帶來了新的問題。如果主機廠用了新的協(xié)議,沒有人實際測試過它,那么實現(xiàn)的質(zhì)量就會降低,并且測試開發(fā)需要時間與人力成本。如果試圖獲得流暢的以太網(wǎng)SOP,建議選擇已經(jīng)成熟的協(xié)議棧,盡可能與主流保持一致,不要在協(xié)議棧上競爭。

4.2 網(wǎng)關(guān)的必要性

在引入互聯(lián)網(wǎng)時,我們就明白從傳統(tǒng)的總線到以太網(wǎng)通訊類型有著很大的區(qū)別。因此在每個主機廠的設(shè)計中,都會發(fā)現(xiàn)gateway的存在。

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把傳統(tǒng)總線連到以太網(wǎng)系統(tǒng)中有3種方案:

1.通過應(yīng)用層網(wǎng)關(guān),在應(yīng)用程序中直接轉(zhuǎn)換信息;

2.將總線數(shù)據(jù)放置于包進行封裝,以服務(wù)傳輸,例如SOMEIP服務(wù);

3.直接用UDP來傳輸CAN等數(shù)據(jù)。

無論選取哪一種,網(wǎng)關(guān)都需要翻譯大量數(shù)據(jù),這限制了網(wǎng)關(guān)的可擴展性;另外,兩個協(xié)議之間搭建橋梁,也需要處理很多問題,包括一些安全性指標等。因此,我們需要盡可能簡化網(wǎng)關(guān),提高網(wǎng)關(guān)的可擴展性。

4.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

理想情況下,我們可以自動協(xié)商百兆、千兆、萬兆,甚至可以降低為1bit。但實際想一下,現(xiàn)有一個800M的數(shù)據(jù)流,傳入到100M的鏈路,不同速度等級讓我們不得不謹慎,因為這會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)處于危險之中。有些交換機可能會丟棄數(shù)據(jù)包,或者鏈路速率較快傳入較慢鏈路中會丟失數(shù)據(jù)。這就是為什么在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中你必須做些什么來處理不同鏈接速度。

為此,我們可以將網(wǎng)絡(luò)分成更小的單元,使用VLAN、組播等,防止不必要的數(shù)據(jù)量傳入。還可以在交換機進行流量整形,監(jiān)控流量防止網(wǎng)絡(luò)被濫用。優(yōu)化設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲等等。

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總之,在車載以太網(wǎng)的道路上我們還需要更多的技術(shù)挖掘與經(jīng)驗積累,盡管在應(yīng)用中存在了一些困難和挑戰(zhàn),但伴隨著行業(yè)創(chuàng)新,這些問題都會迎刃而解,讓汽車電子技術(shù)愈演愈烈。

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原文標題:車載以太網(wǎng):優(yōu)勢、技術(shù)與應(yīng)用實踐

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