基于以太骨干網(wǎng)的域集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張國龍

摘要：隨著智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)市場化布局，帶來了車載電子應(yīng)用產(chǎn)品的數(shù)量和復(fù)雜度激增，車輛數(shù)據(jù)的傳輸、交換和共享使得車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，遭遇發(fā)展瓶頸。傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)通信帶寬低、數(shù)據(jù)交換效率差、封閉開發(fā)不足、不易擴(kuò)展的問題凸顯，因此構(gòu)筑新型車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)成為了新一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展首要任務(wù)。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián);域集中式;網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì);驗(yàn)證方式

1 互聯(lián)網(wǎng)關(guān)主要特征

互聯(lián)網(wǎng)關(guān)是面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車設(shè)計(jì)的新型網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。它具備豐富的車內(nèi)通信和無線通信能力，將作為車輛數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)車內(nèi)車外數(shù)據(jù)的通信;通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)中微處理器（MPU）的計(jì)算性能可以在車端做邊緣計(jì)算以減少對(duì)云端和通信帶寬的要求;互聯(lián)網(wǎng)關(guān)中的智能操作系統(tǒng)可以集成多方應(yīng)用程序?，F(xiàn)在，車輛中有近百個(gè)控制單元和若干個(gè)智能系統(tǒng)控制器，如果要升級(jí)車輛功能還需要前往維修點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)。汽車連網(wǎng)后，可以通過云服務(wù)遠(yuǎn)程對(duì)車輛進(jìn)行升級(jí)?；ヂ?lián)網(wǎng)關(guān)將為車輛帶來一站式的遠(yuǎn)程刷新方案，可同時(shí)對(duì)智能操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行刷新。

2 基于以太骨干網(wǎng)絡(luò)域集中式架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 以太骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景需求分析

車載以太網(wǎng)主要應(yīng)用場景車載診斷系統(tǒng)升級(jí)，特別針對(duì)大數(shù)據(jù)量刷寫升級(jí)：智能駕駛，特別針對(duì)激光雷達(dá)和攝像頭大數(shù)據(jù)音視頻流量傳輸;車載信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)，特別針對(duì)娛樂系統(tǒng)多屏互動(dòng)連接和硬件一體化設(shè)計(jì)：信息互聯(lián)系統(tǒng)集成開發(fā)，特別針對(duì)無線互聯(lián)互接，V2X等不同通信介質(zhì)介入場景。如表2.1-2.4分別從方案設(shè)計(jì)、優(yōu)劣分析及應(yīng)用可能性做出細(xì)分對(duì)比論述。

2.2 以太骨干網(wǎng)絡(luò)通信需求與設(shè)計(jì)約束分析

車載以太網(wǎng)通信不同于傳統(tǒng)通信類型，除了解決通信帶寬問題，更有針對(duì)性解決協(xié)議一致性問題。通信需求采用高清視頻保真音頻傳輸，針對(duì)娛樂系統(tǒng)、智能駕駛、C2V系統(tǒng)等多場景化非一致性通信需求，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)控制7跳之內(nèi)，車載以太網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立睡眠和喚醒，保持音視頻同步傳輸，有效避免網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。以太網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)約束主要考量子網(wǎng)劃分，帶寬物理鏈路媒體流及以為網(wǎng)關(guān)的路由能力。

2.3 以太骨干網(wǎng)絡(luò)域集中式架構(gòu)方案設(shè)計(jì)與分析

2.3.1 方案評(píng)價(jià)指標(biāo)

以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)采用非標(biāo)評(píng)價(jià)，本文設(shè)計(jì)一套完整的以太網(wǎng)評(píng)價(jià)方法及評(píng)估指標(biāo)。主要包括帶寬鏈路，延時(shí)分析，路由路徑，可復(fù)用控制器數(shù)量，服務(wù)器類型符合，診斷端口數(shù)目，擴(kuò)展性網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容項(xiàng)目，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用工具定量分析評(píng)價(jià)和定性描述類，完成評(píng)價(jià)以太網(wǎng)絡(luò)集中式設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣。

2.3.2 以太骨干網(wǎng)絡(luò)域集中式架構(gòu)方案

1）以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)中心網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。中心網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，采用Switch類中央網(wǎng)關(guān)模式，中央網(wǎng)關(guān)路由以太網(wǎng)子網(wǎng)控制，域內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，跨域采用路由模式通信。2）以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)菊花鏈?zhǔn)郊軜?gòu)。菊花鏈類型通信主要應(yīng)用過度超調(diào)通信，多點(diǎn)連接跨域，多路傳輸路由通信模型，端到端非路由結(jié)構(gòu)。3）以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)式架構(gòu)

2.3.3 以太骨干網(wǎng)絡(luò)中心網(wǎng)關(guān)式架構(gòu)方案分析

1）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)帶寬分析各Ethernet鏈路帶寬均小于75M，滿足設(shè)計(jì)要求。2）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)IP地址分配分析。同一子網(wǎng)有且只有一個(gè)DHCP Server，未出現(xiàn)Relay Agent，滿足設(shè)計(jì)要求。3）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)最差延遲分析。綜合考慮全網(wǎng)段架構(gòu)，7hop<2ms，滿足設(shè)計(jì)要求。4）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)音視頻同步分析。同一級(jí)的流媒體傳輸域未超出邊界，滿足設(shè)計(jì)要求。5）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)VLAN分析，VLAN連續(xù)，同一子功能未跨VLAN，滿足設(shè)計(jì)要求。6）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)睡眠喚醒分析。7）中心網(wǎng)關(guān)式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議框架分析

3 基于硬件在環(huán)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真與測試驗(yàn)證

基于網(wǎng)絡(luò)測試半實(shí)物仿真測試系統(tǒng)，結(jié)合OPEN聯(lián)盟TC8以太網(wǎng)測試標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)域子網(wǎng)絡(luò)開發(fā)測試策略及測試用例，完成網(wǎng)絡(luò)物理層、鏈路層、應(yīng)用序列等功能和性能測試驗(yàn)證。這一過程主要采用硬件在環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，硬件在環(huán)系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)車輛仿真模型及其運(yùn)行的硬件系統(tǒng)和被測電控系統(tǒng)的開發(fā)、集成與自動(dòng)測試的平臺(tái)。在控制器功能開發(fā)基本完成后，可將控制策略模型編譯為控制器目標(biāo)代碼下載至真實(shí)控制器硬件中完成控制系統(tǒng)開發(fā);將真實(shí)控制器集成于利用模型仿真技術(shù)和部分真實(shí)負(fù)載建立的虛擬車輛仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)運(yùn)行，進(jìn)行控制器的功能與特性自動(dòng)測試，實(shí)現(xiàn)控制器安全驗(yàn)證和功能初步驗(yàn)證。

4 測試驗(yàn)證內(nèi)容

1）車載以太網(wǎng)物理層測試，這一部分內(nèi)容主要參考OPEN聯(lián)盟TC8以太網(wǎng)測試規(guī)范，主要是針對(duì)物理層進(jìn)行測試，主要包括PMA測試、IOP測試以及工作電壓測試等，其中PMA測試內(nèi)容包括：收發(fā)器輸出壓降測試、收發(fā)器時(shí)基抖動(dòng)測試、傳輸時(shí)鐘頻率測試、功率譜密度測試、MDI（媒介相關(guān)子層）回波損耗測試、MDI模式轉(zhuǎn)換測試、MDI共模釋放，IOP測試內(nèi)容包括：DUT的連接狀態(tài)測試、通信鏈路質(zhì)量測試、線束測試、故障注入測試等。

2）協(xié)議--致性驗(yàn)證，這--部分內(nèi)容針對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層到應(yīng)用層的通用協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證，包括協(xié)議的格式、內(nèi)容等與要求是否一致，驗(yàn)證的協(xié)議包括：數(shù)據(jù)鏈路層MAC和VLAN （IEEE802.1Q）的協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層TCP/IP協(xié)議族（ARP、ICMP、IP、 TCP、UDP）以及DHCP （動(dòng)態(tài)主機(jī)分配，方便以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入或退出）協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理（如AUTOSAR UDP NM）的協(xié)議、AVB協(xié)議架構(gòu)SRP （流預(yù)留）、FQTSS （隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)）、gPTP（時(shí)鐘同步）和AVTP（音視頻格式）等。

3）Switch性能測試，這一部分內(nèi)容主要參考傳統(tǒng)以太網(wǎng)測試內(nèi)容，主要是基于RFC2544和FRFC 2889這兩個(gè)規(guī)范，是針對(duì)Switch性能指標(biāo)及參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，測試內(nèi)容包括：吞吐量、時(shí)間延遲及抖動(dòng)、丟幀率、轉(zhuǎn)發(fā)壓力、轉(zhuǎn)發(fā)速率、擁塞控制、錯(cuò)誤幀過濾等測試;

4）應(yīng)用功能驗(yàn)證，這一部分內(nèi)容主要是參考各車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，包括音視頻控制器功能、車身域控制功能、智能駕駛域控制功能等。

5結(jié)語

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來汽車的聯(lián)網(wǎng)程度和內(nèi)外數(shù)據(jù)交換的容量都將日益增多?；谝蕴歉删W(wǎng)的域集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是設(shè)計(jì)重要的一環(huán)，相比較傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有著太多的優(yōu)點(diǎn)，確定、準(zhǔn)時(shí)、安全和精確都是新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的功能特點(diǎn)。所以，基于以太骨干網(wǎng)的域集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建是非常有前景的。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫小紅.車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[J].通信技術(shù)，2013，46（4）：47-50.

（作者單位：中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司）