智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

尹榮彬 陳博 孔祥明

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：智能網(wǎng)聯(lián) 汽車總線技術(shù) 車載以太網(wǎng)

縮略語

ADAS Advanced Driver Assistance Systems

OTA Over the Air Transmission

V2X Vehicle to Everything

CAN Controller Area Network

CANFD CAN With Flexible Data-rate

LIN Local Interconnect Network

MOST Media Oriented System Transport

OSI Open Systems Interconnection

AVB Audio Video Bridge

TSN Time Sensitive Networking

ECU Electronic Control Unit

SD Service Discovery

PDU Protocol Data Unit

UDS Unified Diagnostic Services

UDP User Datagram Protocol

UDPNM UDP Network Management

RTP Real-time Transport Protocol

SAP Service Access Point

API Application Program Interface

VLAN Virtual Local Area Network

MAC Media Access Control address

IPv6 Internet Protocol Version 6

IPv4 Internet Protocol Version 4

ICMP Internet Control Message Protocol

ARP Address Resolution Protocol

NDP Neighbor Discovery Protocol

TCP Transmission Control Protocol

SSL Secure Sockets Layer

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

SOME/IP Scalable service-Oriented Middleware over IP

DOIP Diagnostic communication over Internet Protocol

T-BOX Telematics BOX

BCM Body control Module

IVI In-Vehicle Infotainment

AP Access Point

STA Station

OBD On Board Diagnosis

OS Operation System

1 前言

隨著汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化浪潮的來臨，伴隨著車輛與智能手機(jī)、云和大數(shù)據(jù)的不斷運(yùn)用，特別是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)的不斷革新、高品質(zhì)車載娛樂影音的普及，以及OTA遠(yuǎn)程升級(jí)、V2X、信息安全等技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸容量需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)。以上需求已經(jīng)超出了CAN、CANFD等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的承載能力，這也促進(jìn)了車載以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

目前主流的汽車總線技術(shù)主要有CAN、LIN、FlexRay、MOSTt、CANFD等。這些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基本上都是面向汽車行業(yè)制定。CAN總線是目前應(yīng)用最為廣泛的車載總線技術(shù)，CAN總線最大傳輸速率為1 Mb/s，但與以太網(wǎng)相比，CAN不僅速度慢很多，而且效率也低。因?yàn)镃AN的最大凈荷只有8字節(jié)，所以CAN幀的開銷很高：幀頭和幀尾比數(shù)據(jù)字段還大[1]。LIN總線是一種低成本通用串行總線技術(shù)，在汽車領(lǐng)域主要用于開關(guān)、車門、座椅等控制器，最大傳輸速率為20 kbit/s[2]，傳輸速率低。FlexRay是一種新型汽車總線技術(shù)，屬于共享式總線技術(shù)，帶寬可達(dá)10 Mbit/s[3]，與以太網(wǎng)相比FlexRay的速度遠(yuǎn)低于以太網(wǎng)的速度，不適合信息娛樂應(yīng)用。因此與車載以太網(wǎng)相比用途更少。MOST總線技術(shù)用于滿足信息娛樂應(yīng)用的特殊需求，支持多媒體流數(shù)據(jù)的傳輸，最大帶寬可達(dá)150 Mbit/s。與以太網(wǎng)類似，MOST總線的各條鏈路在物理層相互獨(dú)立，但二者之間有一個(gè)重要的區(qū)別：MOST總線的環(huán)形結(jié)構(gòu)只支持單向通信[4]。

車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)總線技術(shù)。車載以太網(wǎng)在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s甚至1 GMbit/s的傳輸速率[5]，可使電纜重量減輕30%、降低連接成本可達(dá)80%。同時(shí)還滿足汽車行業(yè)對(duì)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、影音娛樂、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力（如自動(dòng)駕駛時(shí)代所需要的更大數(shù)據(jù)傳輸）。專家預(yù)測(cè)，到2020年，汽車中部署的以太網(wǎng)端口將達(dá)5億個(gè)。

2 開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI)參考模型

車載以太網(wǎng)基于ISO/IEC 7498 6.1.2中規(guī)定的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)基本參考模型，該模型將通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為7層。自上而下分別為應(yīng)用層（層7）、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（層1）[6]。但車載以太網(wǎng)一般被認(rèn)為是5層協(xié)議，圖1顯示了基于所需的功能在以太網(wǎng)ECU中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議及其在OSI標(biāo)準(zhǔn)中的位置。

圖1 OSI標(biāo)準(zhǔn)中汽車以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)架

每個(gè)層的目的是為上層提供服務(wù)。每個(gè)層的活動(dòng)部分用軟件、硬件或軟硬件組合實(shí)現(xiàn)，稱為實(shí)體。在OSI模型中，在不同節(jié)點(diǎn)的同一層實(shí)體之間進(jìn)行通信。相同層之間的通信實(shí)體稱為對(duì)等實(shí)體。由一層提供的服務(wù)在該層的服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）處可用。上面的層可以通過交換數(shù)據(jù)參數(shù)來使用它們。OSI參考模型分層對(duì)比見表1。

物理層主要負(fù)責(zé)拓?fù)浜臀锢砭W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，線纜、連接器、收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)接口卡和其它硬件設(shè)備的運(yùn)行細(xì)節(jié)包括將數(shù)據(jù)位與可傳輸?shù)男盘?hào)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)邏輯鏈路控制、媒體接入控制硬件尋址、差錯(cuò)檢測(cè)和處理、底層報(bào)文組幀、服務(wù)質(zhì)量功能以及定義物理層標(biāo)準(zhǔn)。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到一起，形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)間尋址、路由、數(shù)據(jù)報(bào)封裝、分片和重組以及某些類型的差錯(cuò)處理和診斷功能。

傳輸層代表著高層與低層之間的過渡，其下是主要基于硬件、面向數(shù)據(jù)傳遞的低層，其上是更為抽象、面向軟件應(yīng)用和功能的高層。

表1 OSI參考模型分層對(duì)比[7]

會(huì)話層用于建立和管理軟件進(jìn)程間的會(huì)話。有些會(huì)話層技術(shù)包括名為應(yīng)用程序接口（API)的軟件工具集。表示層通過操作任務(wù)如轉(zhuǎn)換、壓縮和加密等將數(shù)據(jù)從一種表示轉(zhuǎn)換為另一種表示。應(yīng)用層定義了應(yīng)用協(xié)議，實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用和其它高層功能。應(yīng)用層處于協(xié)議棧的最頂端，它使用下方各層提供的服務(wù)，而不向任何層提供服務(wù)。

3 車載以太網(wǎng)在產(chǎn)品車型上的應(yīng)用

一汽（FAW）紅旗產(chǎn)品某車型是國(guó)內(nèi)首次創(chuàng)新應(yīng)用車載以太網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的車型，該構(gòu)架是面向服務(wù)的、基于以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)，集信息域、互聯(lián)域、自動(dòng)駕駛域的多域融合的FAW新一代整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)具備支持拓展L2+級(jí)自動(dòng)駕駛和整車級(jí)OTA技術(shù)的能力，具有高功能安全、高信息安全的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.1 功能定義

本車型以太網(wǎng)部分主要實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)、車況查詢、遠(yuǎn)程控制、手機(jī)泊車、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WiFi功能、定位導(dǎo)航、信息推送等方面功能。

安全防護(hù)主要是在車外需要訪問車內(nèi)時(shí)，需要首先由T-BOX控制器和BCM控制器進(jìn)行身份認(rèn)證，通過后才可以進(jìn)行通信，并且在通信過程中為了保證通信數(shù)據(jù)的完整性、可追溯性和機(jī)密性，防止重放攻擊，需要在通信數(shù)據(jù)上增加消息校驗(yàn)碼和新鮮值。

車況查詢?yōu)橥ㄟ^手機(jī)客戶端后，對(duì)剩余燃油、總里程、長(zhǎng)時(shí)平均油耗、蓄電池電量、4門天窗4個(gè)車窗的開關(guān)狀態(tài)、4門行李箱前機(jī)艙蓋的鎖止?fàn)顟B(tài)、車燈（近光、位置、遠(yuǎn)光）開關(guān)狀態(tài)、胎壓值等車輛狀態(tài)進(jìn)行查詢。

遠(yuǎn)程車輛控制系統(tǒng)包含的對(duì)象實(shí)體有目標(biāo)車輛、手機(jī)APP、后臺(tái)（含數(shù)據(jù)中心、門戶運(yùn)營(yíng)等）及通信運(yùn)營(yíng)商。由T-BOX控制器將接收到的后臺(tái)命令轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)報(bào)文，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)控制，再由網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行以太網(wǎng)報(bào)文轉(zhuǎn)CAN報(bào)文的路由發(fā)送到車內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的控制，再由網(wǎng)關(guān)將各控制的執(zhí)行反饋由CAN總線路由的以太網(wǎng)發(fā)給T-BOX，完成整個(gè)閉環(huán)的控制。控制類別主要有遠(yuǎn)程啟動(dòng)、遠(yuǎn)程解閉鎖、遠(yuǎn)程尋車、遠(yuǎn)程車窗、天窗、車燈控制、遠(yuǎn)程空調(diào)控制等。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是指T-BOX搭載了移動(dòng)通信模塊，可以提供語音通話、分組數(shù)據(jù)上網(wǎng)的功能。但T-BOX不具備顯示和操作的功能，所以需要IVI進(jìn)行顯示和操作移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。T-BOX具有共享移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的功能，供車內(nèi)其它單元數(shù)據(jù)上網(wǎng)使用。IVI和T-BOX間的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能主要涉及網(wǎng)絡(luò)信息顯示、語音電話控制、分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

WiFi功能是指T-BOX搭載的WiFi模塊，具備分享熱點(diǎn)和連接其它熱點(diǎn)的功能。IVI可以通過遠(yuǎn)程指令控制T-BOX的工作模式，包括關(guān)閉、AP（無線接入點(diǎn)）、STA（站點(diǎn)客戶端），也可以通過遠(yuǎn)程命令查詢TBOX的當(dāng)前模式。

定位導(dǎo)航功能是指T-BOX搭載導(dǎo)航定位模塊，可以通過網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送至車內(nèi)其它單元使用。T-BOX采用固定周期遠(yuǎn)程通知方式將定位信息發(fā)送車內(nèi)，定位信息內(nèi)容包括時(shí)間年、月、日、時(shí)、分、秒、定位狀態(tài)、經(jīng)度狀態(tài)、經(jīng)度、緯度狀態(tài)、緯度、高程、航向。

3.2 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于3.1章節(jié)所描述的功能需求，在之前項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)多采用CAN總線進(jìn)行傳輸相關(guān)報(bào)文，傳輸效率低，安全性差，本車型項(xiàng)目首次采用以太網(wǎng)傳輸車內(nèi)信息到車外，由網(wǎng)關(guān)控制器與T-BOX控制器進(jìn)行端對(duì)端通信，提高了通信帶寬，同時(shí)在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部通過防火墻設(shè)計(jì)和安全通信算法，提高了通信的可靠性。

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中將這些使用以太網(wǎng)傳輸?shù)膱?bào)文實(shí)現(xiàn)方式劃分為兩類，一類是車內(nèi)控制器與車外信息進(jìn)行交互的內(nèi)容，主要對(duì)應(yīng)安全防護(hù)、車況查詢、遠(yuǎn)程控制、手機(jī)泊車等功能，設(shè)計(jì)為使用UDP報(bào)文路由的方式，其優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)及時(shí)，數(shù)據(jù)傳遞快，可以滿足遠(yuǎn)程控制、手機(jī)泊車等對(duì)時(shí)延要求較高的應(yīng)用；另一類主要是基于服務(wù)的設(shè)計(jì)，主要功能為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、WiFi功能、定位導(dǎo)航、信息推送，這些功能有明確的服務(wù)主體和交互流程，應(yīng)對(duì)周期型報(bào)文、事件型報(bào)文、周期+分配方式的設(shè)計(jì)方式、以及訂閱機(jī)制在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，以實(shí)際的應(yīng)用功能，詳細(xì)對(duì)每種工況做出分解，形成SOME/IP協(xié)議。

3.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.3.1 車型以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本車型項(xiàng)目中，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主要有網(wǎng)關(guān)控制器、T-BOX控制器、IVI控制器、OBD控制器、BCM1控制器（圖2）。其中網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)Switch功能、路由功能；T-BOX和IVI實(shí)現(xiàn)互聯(lián)功能；OBD、BCM1主要實(shí)現(xiàn)DOIP功能。

圖2 車型節(jié)點(diǎn)拓?fù)?/p>

3.3.2 路由策略設(shè)計(jì)

從CAN到以太網(wǎng)的路由，考慮到傳輸效率，網(wǎng)關(guān)將接收到的多路CAN總線的信息，打包到一個(gè)UDP報(bào)文中進(jìn)行發(fā)送，由于一個(gè)UDP中包含多個(gè)PDU（數(shù)據(jù)單元），每個(gè)數(shù)據(jù)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)CAN報(bào)文，為保證接收方在解析時(shí)能對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的CAN報(bào)文內(nèi)容，將以太網(wǎng)路由的UDP報(bào)文數(shù)據(jù)部分設(shè)計(jì)為如圖3。

圖3 以太網(wǎng)路由UDP報(bào)文PDU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

每一個(gè)PDU都有一個(gè)數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)載荷組織，數(shù)據(jù)頭占8字節(jié)，由4字節(jié)的ID和4字節(jié)的長(zhǎng)度組成，ID用于標(biāo)識(shí)后面的數(shù)據(jù)載荷對(duì)應(yīng)的CAN報(bào)文內(nèi)容，按照如上設(shè)計(jì)，一幀由多個(gè)CAN報(bào)文轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)的UDP報(bào)文包格式為圖4。

在路由機(jī)制設(shè)計(jì)上，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部控制一個(gè)10 ms的定時(shí)器，當(dāng)在CAN總線上接收到第一幀需要路由到以太網(wǎng)的CAN報(bào)文時(shí)，啟動(dòng)該定時(shí)器，并將所接收到的所有CAN報(bào)文寫入到緩沖區(qū)中，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)后，將緩沖區(qū)中所有的數(shù)據(jù)打包到一個(gè)UDP報(bào)文中發(fā)送出去。同時(shí)，根據(jù)CAN報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，將優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文設(shè)置為立即發(fā)送，只要接收到該CAN報(bào)文，不等定時(shí)器超時(shí)，立刻將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。路由機(jī)制如圖5。

圖4 以太網(wǎng)路由UDP報(bào)文結(jié)構(gòu)示例

圖5 以太網(wǎng)路由UDP報(bào)文發(fā)送機(jī)制示例

3.4 車載以太網(wǎng)仿真結(jié)果

針對(duì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)，使用Symtavision軟件對(duì)網(wǎng)關(guān)控制器、T-BOX控制器、IVI控制器之間的報(bào)文傳輸進(jìn)行仿真，以太網(wǎng)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 以太網(wǎng)仿真拓?fù)?/p>

3.4.1 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間用于分析每個(gè)以太網(wǎng)報(bào)文在發(fā)送方從激活后，再經(jīng)Switch進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，到接收方接收后的傳輸時(shí)間，表示了報(bào)文在整個(gè)傳輸鏈路的時(shí)延。圖7顯示了以太網(wǎng)消息的響應(yīng)時(shí)間，該響應(yīng)時(shí)間按最大值按降序排序，并且還顯示了所有顯示的消息的平均值。最大響應(yīng)時(shí)間為0.174 ms，仿真結(jié)果在合理范圍。

3.4.2 端口的最差情況緩存

以太網(wǎng)的端口的最差情況緩存用于分析以太網(wǎng)端口所使用緩沖的大小，用于指導(dǎo)和驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)的合理性。圖8顯示了所有以太網(wǎng)端口的端口緩沖的最差情況。所顯示的值非常低，最大為4 289 bit，緩沖區(qū)設(shè)計(jì)要求為4 K完全符合。

圖7 響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果

圖8 緩沖區(qū)填充水平仿真結(jié)果

3.4.3 以太網(wǎng)端口負(fù)載

分析每個(gè)以太網(wǎng)端口負(fù)載情況。負(fù)載情況提供了通過端口傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)報(bào)文的以太網(wǎng)端口利用率。結(jié)果支持總的、執(zhí)行和調(diào)度開銷的利用率。對(duì)于所有選定的路由，將在所有以太網(wǎng)端口上出現(xiàn)多播和廣播消息。執(zhí)行負(fù)載僅來自傳輸/執(zhí)行時(shí)間。調(diào)度開銷由OS或協(xié)議生成。

圖9顯示了包括ECU映射在內(nèi)的所有以太網(wǎng)端口的平均負(fù)載。所有負(fù)載值都非常低，所以仿真結(jié)果沒有問題。

圖9 以太網(wǎng)端口負(fù)載仿真結(jié)果

3.4.4 總結(jié)

以上仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、負(fù)載和緩沖區(qū)填充水平均處于最小值，即處于較低水平。這些仿真信息應(yīng)該用于在開發(fā)的早期階段確定以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的硬件，并為供應(yīng)商的子系統(tǒng)和零部件設(shè)計(jì)開發(fā)提供輸入。根據(jù)預(yù)期行為優(yōu)化硬件需求也將硬件成本優(yōu)化到必要的最小值。

4 結(jié)束語

車載以太網(wǎng)技術(shù)是解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車所需網(wǎng)絡(luò)帶寬的一項(xiàng)有效的技術(shù)，也是未來汽車發(fā)展中一種必然趨勢(shì)，這將對(duì)傳統(tǒng)汽車的整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生顛覆性的影響。本文描述了一個(gè)基于實(shí)際車型項(xiàng)目的車載以太網(wǎng)技術(shù)解決方案，包括拓?fù)湓O(shè)計(jì)、協(xié)議設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算等。通過車載以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，該車型實(shí)現(xiàn)了基于服務(wù)的端對(duì)端通信，便于后續(xù)功能擴(kuò)展；實(shí)現(xiàn)了基于以太網(wǎng)報(bào)文的車內(nèi)數(shù)據(jù)上傳云端，解決網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題；實(shí)現(xiàn)了基于OTA的遠(yuǎn)程升級(jí)，滿足整車快速迭代要求；實(shí)現(xiàn)了高安全級(jí)別的信息安全算法，提高整車安全等級(jí)，未來車載以太網(wǎng)將在音視頻傳輸、高等級(jí)自動(dòng)駕駛、安全備份等方面發(fā)揮更大的作用。