车载以太网知识，你了解多少？

针对于越来越复杂的汽车电子设备，传感器，控制器，接口等，需要更高要求的带宽，车内外的通信速率明显大幅度提高，以太网优势决定了其应用于汽车产业已经成为必然趋势。

据统计车载以太网的端口数据将高于其他以太网端口总数，总体市场规模高达千亿级。以太网发展前景如此乐观，对于从事汽车行业工作的你，是不是想了解更多呢？

车载以太网的基本认知

车载以太网的概念

以太网（Ethernet）最早由Xerox（施乐）公司创建，1980年由DEC（美国数字设备公司）、Intel（英特尔公司）和Xerox三家公司联合开发成为一个网络标准。

车载以太网，指的是通过以太网技术和汽车内部电子单元互联互通。我们最常见的以太网技术主要以四对非屏蔽双绞线电缆为主，而车载以太网技术在传输数据时只需要通过单对非屏蔽双绞线就能够实现每秒100兆比特更有甚者达到了每秒1吉比特的速率，并且完全符合汽车领域提出的功耗小、电磁辐射小、可靠性强的网络架构要求。

车载以太网的标准

以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）和10G以太网（10Gbit/s）等。目前在汽车上使用的是数据传输速率为100Mbit/s的IEEE 802.3u标准。IEEE 802.3xx是美国电气与电子工程师协会针对电缆连接网络的一项标准。该标准又称为“快速以太网”，使用TCP/IP（传输控制协议/网际协议）和UDP（用户数据报协议）协议作为传输协议。

车载以太网的发展阶段

在汽车行业，以太网以新型网络的姿态介入汽车网络当然无法一蹴而就，在短期内是无法取代现有的车载网络，因此以太网在进入汽车网络时考虑分阶段、从子系统开始逐步深入，并最终统合汽车网络。

车载以太网的发展演进可以从三个阶段描述：

第一阶段子系统，单独在某个子系统使用以太网，这一阶段的衍生产品目前已经在整车上实施，如基于DoIP标准的OBD诊断设备；或已有示例应用，如使用IP摄像头的驾驶辅助系统；

第二阶段架构系统，将几个子系统功能整合，形成一个拥有功能集合的小系统，如图给出的第二阶段的车载以太网，将多媒体，驾驶辅助和诊断界面结合在一起，融合了传感器、全景摄像头及雷达等多种数据。因为可以保证更高的带宽和更低的延迟，在涉及安全方面的应用，摄像头可以使用更高分辨率的未压缩的数据传输，从而避免如压缩失真等导致障碍物检测失败的问题；

第三阶段将域网络，前两个阶段专注于一个特定的应用领域，第三阶段使用以太网为车载网络骨干，集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶，真正形成一个域级别的汽车网络。这种网络架构引入了一个新问题：如何组织ECU和网络管理者之间的通信，不可否认的是，这种分层式的架构会造成控制器通过以太网骨干网和交换机通讯时所需的软件内容增加。。

车载以太网的特点

灵活开放性

相较于传统车载网络，以太网的架构是灵活性极高的星形连接，为各链路提供了每秒100兆的专项带宽。其灵活性体现有：

它是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构，各结点与中央结点通过点与点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略；

它是以星型拓扑结构组网，其中任何两个站点要进行通信都要经过中央结点控制；

它是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。

可扩展性强

随着各子系统之间逐步隔离，将车载系统作为一个网络系统来满足“重用性”与“互操作性”的要求。

以太网刚好能够实现上述需求，所以主干网络选用以太网再合适不过了，在各领域中都能得到较好的应用，尤其适用对带宽需求庞大的领域。

以太网是一种扩展性能好的带宽，可对信息进行远程处理，使得以IP协议为基础的终端应用程序和车载网络的接口顺利过渡，使得车辆与外界终端的交流互动次数越来越多、越来越顺畅。

性价比高

以太网具有显著的开放性、成熟性等优势，在汽车领域中使用也有利于节约整体应用成本。

过去采用CAN上传81兆左右的数据时往往会花费10小时的时间，而采用以太网上传1千兆字节的数据仅仅在20分钟左右就能够完成。

通过以太网100BASE-TX、CAT5的诊断接口与软件更新不仅能够缩短传输时间，而且还有效降低了生产成本与服务成本。

这种优化处理使车载以太网可满足车载电磁兼容性要求。并且可减少高达80%的车内连接成本和高达30%的车内布线重量。

车载以太网的组成

车载以太网用于连接汽车内不同电气设备的一种网络，来满足车载环境，基于TCP/PI网络模型生成的分层，它的组成主要特点：

主要由MAC（介质访问控制）、PHY（物理接口收发器）以及接口MII，SMI组成，电缆线束100BASE-T1组成。

通过单对非屏蔽或屏蔽电缆连接，与之对应的100M的MDI接口为100Base-T1，以此满足EMC要求。

固定为全双工通信方式，出于对汽车启动时间的考虑而没有引入自动协商机制。

主要工作在理想网络OSI分层的最后两层：物理层和数据链路层。

MAC与PHY介绍

MAC即媒体访问控制子层协议，也可以认为是一个硬件控制器。它位于TCP/IP网络层模型的数据链路层，主要负责控制与连接物理层（PHY）的物理介质，一端通过总线连接MCU/MPU（微控制器单元），另一端通过MII接口连接到物理层PHY。

PHY是IEEE802.3中定义的一个标准模块，由STA站点管理单元来管理其实体，或者说MAC、CPU通过串行管理接口对PHY的行为、状态进行管理和控制，而具体管理和控制动作是通过读写PHY内部的寄存器实现的。

关于PHY的功能主要有：诊断以太网工作、数据编码并转化二进制模拟信号、传送冲突检测。

为了诊断以太网工作时出现的问题，需要给问题定位，PHY通过自发自收数据回环模式来诊断。主要有内部回环、外部回环、远程回环三种回环模式，它们的回环路径不同。

内部回环：在内部回环模式，PCS内存接收模块直接从PCS内存发送模块获得数据，如图所示。此操作允许MAC将MII发送的数据包与从MII接收的数据包进行比较，因此，验证100Base-T1 PCS的状态。

外部回环：在外部回环模式下，PMA接收模块直接从PMA发送模块接收信号，如图所示。这种外部回环测试允许MAC将MII发送的数据包与MII接收的数据包进行比较，因此，验证100Base-T1 PCS和PMA的状态。

远程回环：在远程回环模式下，MDI上链接伙伴接收的数据包通过PMA接收和PCS接收模块传送到PCS发送模块，后者又将其发送回链接伙伴。PCS接收数据可在MII上获得。远程回环允许MAC将发送到MDI的数据包与从MDI接收回的数据包进行比较，从而验证物理信道的状态，包括100Base-T1 PHY。

在发送数据的网络层结构中，PHY会收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说都是数据，而不管什么地址、数据还是CRC），然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。接收数据阶段时的过程式相反的。

PHY还有个重要的功能就是实现CSMA/CD的部分功能。它可以检测到网络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两个碰巧同时送出了数据，那样必将造成冲突。这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一个随机的时间重新发送数据。

MAC与PHY的接口

MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为MII接口和SMI接口：

MII即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口，以太网MAC通过该接口发出数据帧经过PHY后传输到其他网络节点上，同时其他网络节点的数据先经过PHY后再由MAC接收。MII共使用16根线，其中CRS与COL只有在半双工模式有效，而车载以太网固定工作在双全工模式下，应用在汽车环境中需要14根线。

MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为MII接口和SMI接口：

RMII是精简版的MII，数据发送接收均为两根，相比MII减少4根，另外它整合或减去了一些线，目前只有8根线。如上图所示。

MAC与PHY之间通过两个接口连接，分别为MII接口和SMI接口：

SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以获取PHY的状态）和MDC（为MDIO提供时钟）。其中MDIO是一根双向的数据线，用来传送MAC层的控制信息和物理层的状态信息。并且MDIO数据与MDC时钟同步，在MDC上升沿有效。

车载以太网线束100BASE-T1

在以太网连接线束上，车载以太网与其他以太网也是不同的，一般的以太网标准主要采用10BASE-2、10/100BASE-TX和1000BASE-T，其中1000BASE-T是使用RJ45接口，需要四对双绞线共8根线进行数据传输，而车载以太网一般都基本采用T1的标准，如IEEE 100BASE-T1（也称为OABR）、IEEE 1000BASE-T1，这些都使用一对双绞线共两根线进行数据传输。

由于车载以太网线束端口有单端口和多端口两种形式，和我们电脑端线束端口RJ45接口不同，因此当我们用电脑端控制器以太网时，需要使用转换器，如下图所示，为端口转换器图。

车载以太网帧结构

车载以太网帧本质上是一种数据帧，就是数据链路层的数据包（协议数据单元），它包括三部分：帧头，数据部分，帧尾。

以太网帧有多种类型，不同类型的帧具有不同的格式和MTU值，但在同种物理媒体上都可同时存在。

常见有两种帧格式：

第一种是上世纪80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II帧格式。Ethernet II后来被IEEE802标准接纳，并写进了IEEE802.3x-1997的3.2.6节。如下图所示

第二种是1983年提出的IEEE802.3格式。如图6-1-14所示，为 IEEE802.3帧格式。

汽车行业通常使用Ethernet II格式，该格式还可包含VLAN信息作为扩展，因此，又分基本MAC帧（无VLAN）和标记MAC帧（包括VLAN）两种。下图为汽车行业通常使用Ethernet II格式图。

（1）前导码（preamble）有7个字节，内容是16进制数0xAA，前导字符的作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。如图所示，为前导码7个字节。

（2）帧起始（SFD）有1字节，内容是16进制数，标志符0xAB，它标识着以太网帧的开始。如图所示，为 SFD字段图。

（3）MAC物理地址（MAC addresses）

每一个以太网接口都配有一个唯一的MAC地址或硬件地址。在帧起始SFD之后是接收节点的MAC地址（Receiver MAC Address)，也称为目标地址DA。

之后就是发送节点的MAC物理地址（Sender MAC Address)，也称为源地址SA。这两部分的信息都是6字节，48位数字。对于SA的信息是由发送端决定的，每一个硬件结构的物理地址是固定且唯一的，这就意味着MAC地址是唯一发送者或者控制器所确定的映射地址。

对于DA信息分为两个大类：

单址，当此信息是两个通信节点之间的信息交流的时候，帧信息的目的MAC地址是针对某一特定的通信地址；

多址或者是全址，这时候信息的目标地址是某一组VLAN或者是所地址，产生的信息会是组播信息或者广播信息。无论是单目的地址还是多目的地址以及源地址交换机都要进行读取，以此来确定将一个帧发往对应的接口，这样可以逐渐实现以太网的自主更新MAC地址清单的能力。下图为MAC物理地址字段图。

（4）类型字段（Ether type）

Basic MAC帧和Tagged MAC帧主要通过以太网类型字段来进行区分。它表明了数据包中包含的上一层协议所期望的数据类型或者字符长度，它可以标识IP（IPV4、IPV6）、AVB、ARP等类型数据。

该字符段表达数据包的字符长度的时候，当存在802.1Q头部时，净荷的最小长度是42Byte，最大长度是46Byte。

如果所需数据小于最小长度的时候剩余字节需要填充字节来填充。最大静载荷长度是1500Byte（此静载荷是指数据链层的用户数据，包含了上层的UDP，实际可用字节要远远小于1500Byte）。图为数据区字段图。

（5）VLAN标签（VLAN Tag）由协议标识符（TPID）和控制信息（TCI）组成。TPID包含原始类型字段的值，而TCI由优先级（PCP），符合丢弃要求或规范的形式指示符（DEI或CFI）和标识符（VID）组成。

（6）净荷（LLC）在类型字段之后，包含：包头、数据流ID、AVB呈现时间、格式与数据信息、需要传递的数据信息。有效负载的最小长度为不带VLAN标记的46字节或带VLAN标记的42字节，在汽车工业中，它最多可以包含1500个字节。

（7）CRC校验：即循环冗余校验码，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。

（8）FCS序列：是802.3帧和Ethernet帧的最后一个字段（4字节）。将特别的检测码字符添加到在一个通信协议中的帧中进行检错和纠错。其字段包含帧的32位循环冗余校验（CRC），数据链路层帧方式接入协议（LAPF）中的字段，是一个16比特的序列。它具有很强的检错能力，它能检测出在任何位置上的3个以内的错误、所有的奇数个错误、16个比特之内的连续错误以及大部分的大量突发错误。