车载以太网技术概述

汽车总线现状7Mzednc

目前车内总线类型繁多，汽车厂商需要使用多种总线技术用于车内网络： 如经常用到的 CAN, LIN, FlexRay；用于新型娱乐的 MOST；用于传输音频的 A2B；用于传输视频的 LVDS；以及本期主要分享的 Ethernet...... 如此多的总线造成车辆线缆总长度过长/总重量过重/装配成本过高等问题。 多数厂商希望将汽车总线技术压缩到 2-4 种，图1列出了车内总线技术，其中纵轴表示总线的带宽。图中红色的五角星表示以太网！ 图1 车内总线技术 从图中可以看出，以太网的带宽从 10Mbps 到 10Gbps 都有分布，所以应用场景也比较广泛，除此之外以太网本身在时延/可扩展性/安全性等方面的巨大优势，成为当前的研究热点。 首先，我们从带宽方面来看一下以太网技术。7Mzednc

带宽7Mzednc

传统行业的以太网带宽已经可以高达 400Gbps，而且还在往 Tbps 研究发展。汽车以太网的带宽也已经覆盖 10Mbps 到 10Gbps 的范围，引入车内后可以满足信息娱乐/自动驾驶/5G/法规等越来越复杂的车辆需求。 另外，以太网提供可扩展的更低/更高带宽，在使用更低/更高带宽时，只需要选择相应带宽的物理层芯片，上层的协议和软件不需要随着带宽的变化而更改。进而实现了上层软件、协议与芯片的解耦！ 图2 以太网带宽7Mzednc

时延7Mzednc

再来看一下时延方面的特点！ 传统以太网在设计之初是作为”尽力交付“（Best-effort）网络被提出，并未考虑网络时延等可靠性问题，而汽车和工业等网络对时延有着十分严格的要求。于是，AVB/TSN 技术被提出，用于提供有保障的以太网网络服务质量，使能新应用。 AVB/TSN 提供了几个方向的可靠性保障，网络时延是其中之一，通过对流量整形/调度/抢占机制保证有界的低时延。 图3 TSN技术 除了时延，AVB/TSN 还包括同步、可靠性冗余机制以及时钟的冗余，当然还有一些资源管理方面的定义等都属于 AVB/TSN 的内容，在后续的系列分享中，我们也会为大家进行分享。7Mzednc

可扩展性7Mzednc

以太网提供了非常灵活的拓扑可扩展性，方便物理节点的增减。可以根据需要搭建星型/环形/树形/分布式冗余拓扑。 图4 灵活的以太网拓扑 在星型网络中，中间只需有个交换机，当交换机的端口足够多时，就可以任意的添加物理节点，其他节点不需要做更改。 当然，也可以组成环形拓扑或者树形拓扑。树形拓扑有点类似于传统 EEA 架构中的Domain 架构，这取决于网络如何配置，可以有主干网，主干网下还可以有子网。 也可以组分布式网络拓扑，比如在 EEA 发展后期的 Zonal 架构中，除了组成环形拓扑外，还需要有一些冗余的备份、链路等，都可能用到分布式网络拓扑，它的物理可扩展性是非常灵活的。 以太网的可扩展性除了表现在物理拓扑上，还体现在它的兼容性上。它使用开放公开的标准，使汽车网络与世界其它网络一致，这也是为什么汽车以太网的引入促进了FOTA/V2X 的发展。汽车作为以太网生态系统的一部分，进行万物互联。汽车将作为一个互联因子，在万物互联中扮演一定的角色！7Mzednc

安全性7Mzednc

再来看一下安全性方面。 传统以太网经历了几十年的应用和发展，在这个过程中遭遇过不同种类的威胁和攻击，为了应对这些威胁和攻击，以太网上已经有成熟的信息安全解决方案。下图显示了以太网信息安全技术。 图5 以太网信息安全技术 从上图中，我们可以看到，在以太网的每一层都可以添加防火墙！应用层也可以添加防火墙！传输层可以添加 UDP 防火墙以及与状态相关的 TCP/IP 防火墙！在网络层和下层也可以添加防火墙。通过添加防火墙可以进行一定的过滤！ 除此之外还有一些认证加密的机制，比如传输层的 TLS 协议。通过 TLS，可以对基于 TCP/IP 的节点进行认证，对报文进行加密，还可以做一些签名等。 类似的，在网络层还有 IPSec 协议，同样也可以做认证、加密、解密等。 再下层，在数据链路层也有 MACsec 这样的机制，对报文进行加密、解密等。 除了上述提到的各个层级的防火墙，认证/签名/加密机制外，还可以使用最基础的VLAN 技术。VLAN 技术可以简单理解为虚拟的局域网。通过 VLAN 技术可以将物理上连接的关系进行虚拟化的划分。 除此之外还有一些其他的技术，如深度包检测，即 DPI。可以对每个包长度，包头每个字段的内容进行检测，可以做一些过滤机制等。这些都取决于如何设置！ 还有上图中的 Ingress Filters，可以在每个交换机的入端口或者每个节点的入端口配置一些机制，可以对报文进行一些过滤的操作。过滤后的报文如何操作，取决于如何设置。还有一些可能在智能充电的时候用到的协议 ISO15118 等。 从上述我们可以看到以太网在应用的过程中有很多安全（security）解决方案，应对不同的威胁和攻击，在具体的使用过程中，可以根据具体的使用场景选择不同的安全（security）解决方案。并不是所有的协议都用得到！可以先评估车内的威胁和攻击有哪些，再去选择相应的解决方案，这是一个相互博弈的过程。7Mzednc

其他7Mzednc

再来看一下以太网在其他方面的表现。 汽车以太网促进了汽车EE架构从网关架构到 Domain 架构再到 Zonal 架构的发展。 当前，很多主机厂都在使用 Domain 架构。在 Domain 架构中，通过将整车分成几个域，再通过将以太网作为主干网将几个域连接起来。 还有最近比较热门的 Zonal 架构，这种架构的核心是有一个中央计算单元。在Zonal 架构下，更多的是使用 SOA 的设计。以太网的发展也促进了应用从传统的基于信号的设计到面向服务的 SOA 设计。SOA 设计的好处之一在于，更方便后期的迭代开发！ 图6 EEA发展图 另外，以太网还支持 PoDL（Power over Data Line）技术，可以消除电源线。相比 LVDS 高速总线，基于一对双绞线的汽车以太网降低了车辆的重量。 综上所述，车载网络以太网化是业界公认的趋势！7Mzednc

汽车以太网概述7Mzednc

了解了以太网的一些特性后，接下来看看以太网到底是什么。7Mzednc

以太网发展7Mzednc

首先第一个问题，以太网从哪里来的？ 以太网最初是由 Xerox 公司开发的一种基带局域网技术，被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波侦听多路访问和冲突检测(CSMA/CD)机制，数据传输速率达到 10Mbps。 下图是描述以太网的原始术语，由以太网发明人 RobertM. Metcalfe 手绘，用于向1976 的美国计算机会议展示以太网。 图7 初始以太网 第二个问题，，汽车以太网是哪来的？ 汽车以太网的开始是源于刷写时间要求，当时 BMW 需要将 1GB 的数据在 15min 中刷完，使用 CAN 总线大概需要 16h，而使用快速以太网 100BASE-TX 可以达到目标。于是 BMW 在 2008 年将 100BASE-TX 应用到 OBD 口。也就有了我们现在常听到的 DoIP！ 而 100BASE-TX 是基于两对双绞线的以太网，CAN 等传统总线技术是基于一对双绞线，100BASE-TX 以太网相对于 CAN 来说，在总线上是没有优势的！因此，BMW 通过与 Broadcom 等公司合作，发明了基于一对双绞线的 BroadR-Reach 汽车以太网，这也就是后来被 IEEE 规范化的 100BASE-T1 的以太网技术！BMW 也在 2012 年将该技术应用到了车内。其他厂商也纷纷加入到这个方向，陆续应用到车内。 图8 汽车以太网的应用 当然，现在大多数厂商除了 100BASE-T1 以外，也已经使用了 1000BASE-T1。现在可能 1Gbps 也都无法解决带宽需求！接下来我们来看一下汽车以太网标准！7Mzednc

汽车以太网标准7Mzednc

在了解汽车以太网标准之前，我们先来看一下 IEEE 802 标准，因为与以太网相关的很多标准都是在 IEEE 802 里面进行定义的。如图 9 所示为 IEEE 802 的典型结构。 图9 IEEE 802典型结构 上图中，IEEE 802.1 主要是关于 Bridge、VLAN 以及 AVB/TSN 等的定义。 IEEE 802.3 主要是对以太网的定义。 IEEE 802.11 是关于 WLAN 的。 还有蓝牙等，也都是在 IEEE 802 协议里面定义的。 接下来我们看一下汽车以太网有哪些技术！行业上有多个组织在制定汽车以太网的标准： OPEN 联盟主要制定物理层和数据链路层的标准和测试标准，如 100BASE-T1，100BASE-T1 最开始是上文我们提到的 BroadR-Reach 协议，后来被 IEEE 标准化后成为了 100BASE-T1！现在也有 1000BASE-T1 的协议。 此之外还有 TC8 测试协议，以及与休眠唤醒相关的 TC10 也是在 OPEN 联盟里面定义的。 AVNU 主要关注 AVB/TSN 的测试标准。 AUTOSAR 对 TCP/IP 协议栈进行了一些定义和测试标准，另外制定了 SOME/IP，SOME/IP-SD，和 UDPNM 等协议。 IEEE 组织主要定义汽车以太网的物理层标准和数据链路层标准，ISO 定义了 DoIP 和汽车以太网的标准化，IETF 任务组定义了最初的 TCP/IP 协议族和一些性能测试标准。 图10 汽车以太网标准组织7Mzednc

汽车以太网协议栈7Mzednc

经过多个标准组织的共同努力，汽车以太网形成一套严格分层的完整协议栈。如下图所示，严格意义上的汽车以太网主要是指汽车特有的以太网技术，包括物理层的100BASE-T1/1000BASE-T1 等，应用层的 DoIP/SOMEIP 等。物理层以及 5-7 层也是汽车以太网与传统以太网主要的不同之处。 在应用的过程中，根据不同的应用场景，选择不同的协议(集)。 图11 汽车以太网协议栈 一开始也提到了以太网是"尽力交付"到"可靠性交付"，而汽车以太网主要是通过AVB/TSN 定义的同步、资源管理、预留、QoS、冗余等机制来保障的可靠性要求的。 图12 AVB/TSN 需要注意的是，上图中 802.1x 严格意义上不属于 AVB 的协议。当我们使用AVB/TSN 的时候，需要具体看一下到底使用了哪几种技术。不是所有的技术都是需要的，需要根据具体的应用场景来选择所需要的机制等。 最后，我们来看一下汽车以太网技术面临的问题、挑战和解决方案。7Mzednc

问题解决方案7Mzednc

汽车以太网在应用的过程中并不是完美契合汽车领域的，还存在着一些问题，这也是我们今后可能都要遇到的问题，需要持续的研究，共同去解决。 速率问题：存在更高和更低的速率要求 10Mbps 2.5Gbps/5Gbps/10Gbps 可靠性问题：数据可靠性要求 TSN 网络安全 功能安全 成本问题：低成本要求 建立更广泛的生态系统 电磁可靠性问题： 增加屏蔽 功耗问题： 摩尔定律，工艺改进7Mzednc

END7Mzednc