車載以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與測(cè)試方法研究

孟祥坤，張起朋，張宏偉

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

近年來，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車電子產(chǎn)品數(shù)量逐年增加，復(fù)雜性日益提高，車內(nèi)IC增長率已超越所有其他的電子領(lǐng)域?，F(xiàn)在，越來越多的汽車需要配備高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、車載信息娛樂系統(tǒng) （IVI），大量流媒體數(shù)據(jù)的傳輸要求總線具備更高的傳輸能力。隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車需要配備更多的攝像頭、雷達(dá)等傳感器，這些感知系統(tǒng)會(huì)采集到大量的數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)快速完整地傳輸?shù)接?jì)算處理單元，并及時(shí)地做出響應(yīng)，也對(duì)總線的數(shù)據(jù)傳輸能力和可靠性提出了非常高的要求。

面對(duì)汽車發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)汽車電子總線的要求也越來越高，需要汽車總線具備更高的數(shù)據(jù)傳輸能力，汽車電子單元的復(fù)雜性要求汽車總線具備開發(fā)架構(gòu)，可擴(kuò)展、支持更多的系統(tǒng)和設(shè)備通信，同時(shí)要成本更低、抗干擾能力更強(qiáng)、通信更安全，最好可利用現(xiàn)有成熟的總線技術(shù)?；谶@些考慮，以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入了人們的視線。但傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要應(yīng)用于工業(yè)和消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域，汽車電子環(huán)境更為嚴(yán)酷，應(yīng)力條件和EMC要求更高，因此傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)在汽車中并不適用。為了解決這些問題，車載以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，具備更高的傳輸速率 （100 Mb／s&1000 Mb／s），適應(yīng)嚴(yán)苛的汽車電子應(yīng)用環(huán)境 （溫度、應(yīng)力、復(fù)雜電子環(huán)境），成本更低、質(zhì)量更輕，高可靠性、低功耗，低電磁輻射、滿足特定EMC標(biāo)準(zhǔn)。

2008年，BMW第一次將100Base-T應(yīng)用到車載診斷系統(tǒng)（OBD）。2011年，博通推出了BroadR-Reach車載以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)從OBD應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)的過渡。2011年11月，由博通、恩智浦、飛思卡爾和哈曼國際發(fā)起的OPEN聯(lián)盟 （One-Pair Ethernet Alliance）成立，旨在推動(dòng)將基于以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中。2014年，BMW-X5成為首款采用BroadR-Reach以太網(wǎng)技術(shù)的量產(chǎn)車型。目前，眾多品牌車型上都使用了BroadR-Reach技術(shù)，如寶馬X3、X4、X5、X6、i3、i8、6系和7系，捷豹XJ、XF，大眾帕薩特等。未來，將會(huì)有越來越多的量產(chǎn)車型采用車載以太網(wǎng)技術(shù)。

1 車載以太網(wǎng)技術(shù)

1.1 車載以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子控制單元（ECU）的新型局域網(wǎng)技術(shù)。與普通以太網(wǎng)技術(shù)采用4對(duì)非屏蔽雙絞線傳輸數(shù)據(jù)不同，車載以太網(wǎng)是在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)100 Mb／s甚至1 Gb／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。相比普通的以太網(wǎng)，能夠更加適應(yīng)車輛環(huán)境，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。

1.2 車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)

車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)對(duì)應(yīng)OSI參考模型，主要分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，每一層都有各自的功能，車載以太網(wǎng)的協(xié)議架構(gòu)圖和支持的應(yīng)用協(xié)議及協(xié)議簇見圖1。

1.2.1 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層

車載以太網(wǎng)的物理層采用博通公司的BroadR-Reach技術(shù)，源于100Base-TX及1000Base-T技術(shù)，由博通公司聯(lián)合恩智浦、飛思卡爾、哈曼國際等發(fā)起成立的OPEN聯(lián)盟 （One-Pair Ethernet Alliance）進(jìn)行推動(dòng)，并成為開放的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)圖

BroadR-Reach技術(shù)在一對(duì)UTP上全雙工傳輸100 Mb／s原始數(shù)據(jù)，傳輸距離可以達(dá)到5 m，因此，BroadR-Reach技術(shù)也稱為百兆以太網(wǎng)技術(shù)。BroadR-Reach車載以太網(wǎng)信號(hào)具備3電平，采用PAM-3編碼，傳輸頻率66.66 MHz，1 bit時(shí)間間隔為15 ns。

BroadR-Reach技術(shù)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層100Base-Tx相比，采用高度優(yōu)化的擾頻器，可以更好地分離信號(hào)，頻譜效率更高。同時(shí)，車載以太網(wǎng)的信號(hào)帶寬為66.66 MHz，只有100Base-Tx的一半，較低的信號(hào)帶寬可以改善回波損耗，減少串?dāng)_，并確保車載以太網(wǎng)可滿足汽車電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求。

BroadR-Reach提供標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC層接口，因而能夠使用與其它以太網(wǎng)類型相同的數(shù)據(jù)鏈路層邏輯功能及幀格式，能夠通過與其他以太網(wǎng)類型相同的方式運(yùn)行高層協(xié)議和軟件。

車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.3的接口標(biāo)準(zhǔn)，無需做任何示范與修改就可以與普通以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)進(jìn)行無縫接連，并可以支持高層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 （如TCP／IP）。

1.2.2 TCP／IP 協(xié)議簇

TCP／IP協(xié)議簇主要對(duì)應(yīng)OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，是一類協(xié)議的統(tǒng)稱。網(wǎng)絡(luò)層主要包括ARP（地址解析協(xié)議）、ICMP（因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）、IPv4／v6（因特網(wǎng)協(xié)議類型4／6）、IPv4 Autoconfig（IPv4本地地址動(dòng)態(tài)配置）等，傳輸層主要包括TCP（傳輸控制協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。

TCP／IP協(xié)議簇是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的中心部分，是上方的應(yīng)用協(xié)議和下方的物理硬件通道之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接點(diǎn)，起到高層應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的橋梁作用。車載以太網(wǎng)的TCP／IP協(xié)議簇所包含的協(xié)議，和普通以太網(wǎng)的TCP／IP協(xié)議基本相同，可以支持更上層的協(xié)議。

1.2.3 應(yīng)用層協(xié)議

車載以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議對(duì)應(yīng)OSI參考模型的5-7層，直接面向用戶。協(xié)議主要包括SOME／IP（基于IP協(xié)議的可伸縮面向服務(wù)中間件）、DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）、DOIP（汽車診斷服務(wù)協(xié)議）、HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、Service Discovery（服務(wù)發(fā)現(xiàn)）等。應(yīng)用層協(xié)議可以為用戶提供多種服務(wù)，是用戶能夠具體應(yīng)用的部分。如DOIP可以應(yīng)用到車輛診斷和固件升級(jí)。

1.2.4 AVB協(xié)議簇

汽車隨著技術(shù)的發(fā)展，增加了越來越多的語音、視頻、圖像等娛樂功能，同時(shí)也增加了輔助駕駛功能，這就對(duì)汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸提出了很高的要求，需要大量的傳輸語音視頻數(shù)據(jù)，為了滿足車內(nèi)的低延時(shí)、高帶寬、高可靠的要求，可以使用基于以太網(wǎng)的音視頻橋技術(shù) （AVB）。AVB是一系列IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)集合，主要用于提升信息交換的容量、行業(yè)支持和AV產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。音視頻橋通常指交換機(jī)，其目的是為音頻和視頻數(shù)據(jù)提供時(shí)間同步、低延遲和保證帶寬預(yù)留的流媒體功能。AVB協(xié)議簇主要包括時(shí)間敏感應(yīng)用時(shí)序和同步協(xié)議、流預(yù)留協(xié)議 （SRP）、隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則（FQTSS）、音視頻傳輸協(xié)議 （AVBTP）。

2 車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化

車載以太網(wǎng)為了投入使用，形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)，需要標(biāo)準(zhǔn)化。通過標(biāo)準(zhǔn)化，打通行業(yè)上下游的產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及后期的維護(hù)。車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的過程中，OPEN聯(lián)盟、IEEE 802.3和IEEE 802.1工作組、AUTOSAR聯(lián)盟和AVnu聯(lián)盟起到了巨大的推動(dòng)作用［1］，現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)化的情況見表1。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也開始關(guān)注車載以太網(wǎng)，并將車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)納入到網(wǎng)聯(lián)汽車標(biāo)準(zhǔn)體系中，ISO／TC22工作組目前正在制定車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具體見表2。

表1 車載以太網(wǎng)現(xiàn)階段標(biāo)準(zhǔn)化

表2 正在制定標(biāo)準(zhǔn)

3 車載以太網(wǎng)測(cè)試

現(xiàn)在，汽車行業(yè)對(duì)可靠性和安全性要求越來越高，車載以太網(wǎng)在應(yīng)用的過程中，為了保證其可靠性與安全性，就迫切需要對(duì)其開展測(cè)試工作。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)測(cè)試和車載以太網(wǎng)測(cè)試還存在著一定的差異，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)測(cè)試方法并不適用于汽車以太網(wǎng)測(cè)試。汽車行業(yè)對(duì)測(cè)試的要求更高，所以需要由相應(yīng)的組織或聯(lián)盟制定車載以太網(wǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。目前，業(yè)界通用的車載以太網(wǎng)測(cè)試方法參考OPEN聯(lián)盟制定的TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification［2］和 TC-11 Ethernet Switch Test Specification［3］標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試的內(nèi)容主要包括物理層測(cè)試、車載以太網(wǎng)交換機(jī)測(cè)試、協(xié)議層與應(yīng)用層除了AVB／TSN以外的一致性測(cè)試。下面就這些測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法做具體的介紹。

3.1 物理層測(cè)試

車載以太網(wǎng)物理層測(cè)試主要包括兩個(gè)方面的測(cè)試：PMA（Physical Media Attachment） 測(cè)試和IOP （Interoperability）測(cè)試，即互操作性測(cè)試。物理層測(cè)試的目的是為了保證端口的互連互通性能，檢測(cè)發(fā)送器和接受器發(fā)送或接收信號(hào)是否符合汽車通信標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 PMA測(cè)試

PMA（物理媒質(zhì)接入層）主要評(píng)估車載以太網(wǎng)的電氣特性，針對(duì)PMA測(cè)試方面，OPEN聯(lián)盟于2014年6月發(fā)布"BroadR-Reach Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications V3.2"規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，定義了BroadRReach的PMA電氣規(guī)范。在OPEN TC8規(guī)范中，測(cè)試的內(nèi)容主要包括6種常規(guī)測(cè)試項(xiàng)：傳輸衰落、傳輸失真、傳輸時(shí)鐘抖動(dòng) （Master&Slave）、傳輸功率譜密度、傳輸時(shí)鐘頻率、MDI回?fù)p，還有其他的測(cè)試項(xiàng)：MDI模式轉(zhuǎn)換損耗、共模輻射等。

測(cè)試過程中，需要用到的儀器主要有示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、分析軟件、夾具等，夾具連接在被測(cè)設(shè)備（DUT）和示波器之間，起到電路轉(zhuǎn)換的作用，設(shè)備連接示意圖如圖2所示。根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和測(cè)試項(xiàng)的不同，分別連接不同的測(cè)試儀表。

圖2 物理層PMA測(cè)試連接示意圖

測(cè)試過程中，為了完成不同的測(cè)試項(xiàng)，需要將DUT PHY通過修改寄存器的方式設(shè)置為不同的測(cè)試模式，使其發(fā)出特定的數(shù)據(jù)包，BroadR-Reach中定義了4種測(cè)試模式［4］。

1） Test mode 1-Transmit droop test mode。

2） Test mode 2-Transmit jitter test in MASTER mode。3） Test mode 4-Transmit distortion test。

4） Test mode 5-Normal operation at full power （for the PSD mask）。

3.1.2 IOP測(cè)試

車載以太網(wǎng)物理層IOP測(cè)試，即互操作性測(cè)試 （Interoperability Tests），用于驗(yàn)證車載以太網(wǎng)PHY（通常也稱為收發(fā)器）的可靠性和檢查PHY能否在給定的有限時(shí)間內(nèi)建立穩(wěn)定的鏈路；還用于車載以太網(wǎng)PHY的診斷，如信號(hào)質(zhì)量指數(shù) （SQI）和線束故障的檢測(cè)。模擬車載以太網(wǎng)遠(yuǎn)、近端的開、短路故障作為Link Partner，與DUT建立連接，獲取兩者之間的Link Up時(shí)間 （精度可達(dá)1ms）、信號(hào)品質(zhì)指數(shù)以及電纜診斷信息。IOP測(cè)試的內(nèi)容主要包括以下幾項(xiàng)。

1）喚醒時(shí)間 （Link-up time）

對(duì)Link Partner的PHY進(jìn)行多次上、下電操作，計(jì)算DUT與Link Partner建立連接所需要的時(shí)間；對(duì)DUT進(jìn)行多次上、下電操作，計(jì)算DUT與Link Partner建立連接所需要的時(shí)間；對(duì)DUT進(jìn)行多次喚醒、睡眠操作，計(jì)算DUT與Link Partner建立連接所需要的時(shí)間。

2）信號(hào)品質(zhì)

逐步提高人工噪聲水平，獲取信號(hào)品質(zhì)指數(shù)SQI的變化曲線；逐步降低人工噪聲水平，獲取信號(hào)品質(zhì)指數(shù)SQI的變化曲線。

3）線束診斷

測(cè)試DUT在遠(yuǎn)端或近端發(fā)生一條或兩條線路開路時(shí)，是否能夠可靠地檢測(cè)到開路故障；測(cè)試DUT在遠(yuǎn)端或近端發(fā)生短路時(shí)，是否能夠可靠地檢測(cè)短路故障。

測(cè)試過程中，采用Golden Device作為Link Partner，測(cè)試的連接示意圖如圖3所示。

圖3 物理層IOP測(cè)試連接示意圖

3.2 交換機(jī)測(cè)試

車載以太網(wǎng)的交換機(jī)測(cè)試，是對(duì)車載以太網(wǎng)交換機(jī)常規(guī)數(shù)據(jù)幀收發(fā)相關(guān)功能的測(cè)試，測(cè)試的規(guī)范主要是TC-11 Ethernet Switch Test Specification標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試的內(nèi)容如下。

1）通用功能

數(shù)據(jù)幀正常轉(zhuǎn)發(fā)、端口鏡像、端口禁用、處理巨型幀、讀出設(shè)備ID等基本功能。

2）地址解析功能

地址學(xué)習(xí)、地址老化時(shí)間、地址解析表、地址學(xué)習(xí)配置模式等功能。

3）虛擬局域網(wǎng)功能 （VLAN）

TPID以太類型字段自由配置功能、雙標(biāo)簽Q-in-Q功能、非標(biāo)簽數(shù)據(jù)幀支持、VLAN跳躍攻擊抑制、共享VLAN學(xué)習(xí)等功能。

4）基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步功能 （TSN）

對(duì)接收到的時(shí)間同步的幀正確處理的功能。

5）服務(wù)品質(zhì) （QoS）

對(duì)優(yōu)先級(jí)流量正確處理和實(shí)現(xiàn)不同流量整形策略的功能，包括基于優(yōu)先級(jí)的服務(wù)品質(zhì)、基于WRR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包功能、PCP字段覆蓋功能、優(yōu)先級(jí)映射功能、支持漏桶算法功能等。

6）配置功能

運(yùn)行中可重新配置的功能，端口可單獨(dú)配置功能、配置完成前支持在“禁止轉(zhuǎn)發(fā)”模式下啟動(dòng)的功能、讀回配置信息功能、支持鎖定配置項(xiàng)功能等。

7）過濾功能

在接收端口是否能按照設(shè)定，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行過濾的功能，包括端口廣播保護(hù)功能、通用過濾需求、與VLAN相關(guān)的過濾規(guī)則、基于上層地址的過濾規(guī)則等。

8）診斷功能

計(jì)數(shù)器能否正確計(jì)數(shù)診斷、線纜和連接狀態(tài)反饋功能的診斷等。

測(cè)試過程中，可以將測(cè)試平臺(tái)作為流量發(fā)生器，發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)報(bào)文，由與之相連的計(jì)算機(jī)上的軟件對(duì)報(bào)文的類型進(jìn)行配置，在軟件上對(duì)測(cè)試項(xiàng)的結(jié)果進(jìn)行檢查。與DUT相連的計(jì)算機(jī)也對(duì)DUT的工作模式進(jìn)行配置。測(cè)試連接示意圖如圖4所示。

3.3 協(xié)議一致性測(cè)試

協(xié)議一致性測(cè)試（protocol conformance test），指的是檢驗(yàn)開放系統(tǒng)互連 （OSI）產(chǎn)品的協(xié)議實(shí)現(xiàn)與OSI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的測(cè)試。車載以太網(wǎng)2層到7層除了AVB／TSN以外的協(xié)議一致性測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試過程以及測(cè)試判據(jù)主要依據(jù)TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試項(xiàng)主要為了驗(yàn)證兩個(gè)方面的內(nèi)容：①Conformance test——驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備／系統(tǒng)是否遵循協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；②Negative test——通過發(fā)送非法報(bào)文驗(yàn)證被測(cè)設(shè)備／系統(tǒng)的穩(wěn)定性／魯棒性。

測(cè)試時(shí)，需要在DUT上安裝輔助測(cè)試工具Upper Tester。Upper Tester（UT）本質(zhì)上是一個(gè)運(yùn)行在DUT中的應(yīng)用，它能夠接收測(cè)試平臺(tái)發(fā)送的指令，來配置被測(cè)協(xié)議棧 （IUT）的參數(shù)，或觸發(fā)被測(cè)協(xié)議棧產(chǎn)生某種行為。UT支持的指令和格式遵循AUTOSAR體系下的“Testability Protocol and Service Primitives”規(guī)范。將測(cè)試平臺(tái)與DUT連接，選擇對(duì)應(yīng)的協(xié)議測(cè)試套件與DUT進(jìn)行特定的通信，配置測(cè)試套件的參數(shù)，如IP、MAC地址等，結(jié)合Upper Tester的輔助作用對(duì)指定協(xié)議的測(cè)試項(xiàng)開展測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)收集測(cè)試數(shù)據(jù)，生成測(cè)試報(bào)告。測(cè)試設(shè)備連接示意圖如圖5所示。

以一個(gè)ARP測(cè)試項(xiàng)為例，介紹協(xié)議一致性的測(cè)試過程。

1）配置DUT以清除ARP緩存中的動(dòng)態(tài)條目。

2）配置DUT以在其ARP緩存中添加一個(gè)靜態(tài)條目，包含測(cè)試平臺(tái)的IP地址和物理地址。

3）配置DUT向測(cè)試平臺(tái)發(fā)送UDP請(qǐng)求消息報(bào)文。

4）測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控接收到的報(bào)文信息。

5）觀察DUT的動(dòng)作。

6）根據(jù)判據(jù)判斷DUT的動(dòng)作是否能夠通過測(cè)試。

除此之外，車載以太網(wǎng)測(cè)試還包括AVB協(xié)議簇的測(cè)試，測(cè)試的內(nèi)容和參考標(biāo)準(zhǔn)主要是：時(shí)鐘同步功能 （IEEE 802.1AS）、流量控制功能 （IEEE 802.1Qav）、流管理功能（IEEE 802.1Qat）、音頻／視頻傳輸協(xié)議 （IEEE 1722 （a））。

圖4 交換機(jī)測(cè)試連接示意圖

圖5 協(xié)議一致性連接示意圖

4 結(jié)束語

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，為了滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸，車載以太網(wǎng)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，對(duì)測(cè)試的需求會(huì)越來越多，測(cè)試要求也會(huì)越來越高。未來，車載以太網(wǎng)的測(cè)試會(huì)更加偏重于應(yīng)用方面的測(cè)試，AVB／TSN也會(huì)是研究的重點(diǎn)，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地制定中，測(cè)試方法也需要不斷地改進(jìn)和完善。