汽車以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)研究

張招賢

（同致電子科技有限公司，廈門 361000）

0 引言

如今，汽車網(wǎng)絡(luò)主要由幾種不同網(wǎng)絡(luò)組成，主要有如下幾種：一是CAN 總線，目前車載網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)；二是LIN 總線，主要應(yīng)用于對時間不敏感的功能（如車窗控制、腳踢感應(yīng)等）；三是MOST 總線，針對信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)的面向媒體的系統(tǒng)傳輸；四是FlexRay總線，用于防抱死制動ABS，電子助力轉(zhuǎn)向EPS等系統(tǒng)。由于采用了不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，故需要使用網(wǎng)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳輸交互。

隨著汽車電子的發(fā)展，汽車電子控制單元（ECU）的數(shù)量不斷增加。同時，為支持無人駕駛系統(tǒng)（ADAS）的實(shí)施，越來越多的傳感器、攝像頭、激光雷達(dá)等新技術(shù)被集成進(jìn)汽車，車輛每時每刻都在產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)通信速率急需大幅提高。從整體技術(shù)上來講，目前車載網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)需要根本性的改變。首先是它所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其次是它所依賴的底層技術(shù)。以太網(wǎng)作為一種歷史悠久且廣為人知的技術(shù)，已在數(shù)據(jù)通信和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而今順勢被引入到汽車中來。展望未來，以太網(wǎng)技術(shù)將成為汽車數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，通過提供一個共同的協(xié)議棧，減少不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換需求。

1 以太網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備介紹

以太網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備主要有中繼器（Repeater）、集線器（Hub）、網(wǎng)橋（Bridge）、交換機(jī)（Switch）、路由器（Router）。

中繼器是一個有兩個端口的設(shè)備，在OSI 模型的物理層運(yùn)行。中繼器是最簡單的互連設(shè)備，當(dāng)某端口檢測到輸入信號，則將該信號轉(zhuǎn)發(fā)到另一個端口上。它的作用是放大信號，補(bǔ)償信號衰減，加大線纜的傳輸距離。

集線器是一種具有多個端口的設(shè)備，在OSI 模型的物理層運(yùn)行。集線器其實(shí)是一種有兩個以上端口的中繼器。

網(wǎng)橋是一個有兩個端口的設(shè)備，在OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層運(yùn)行。因此，網(wǎng)橋并非盲目地將一個端口的信號復(fù)制到另一個端口，實(shí)際上它檢查了第二層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)其目的MAC 地址，決定往哪個端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機(jī)是一個多端口的設(shè)備，在OSI 模型的數(shù)據(jù)鏈路層運(yùn)行。交換機(jī)實(shí)際是一種有兩個以上端口的網(wǎng)橋。交換機(jī)又可分為二層交換、三層交換、四層交換。

路由器是一種有兩個或多個端口的設(shè)備，運(yùn)行在OSI 參考模型的網(wǎng)絡(luò)層。它檢查了第三層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)第三層的IP地址，決定往哪個端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

汽車網(wǎng)關(guān)控制器是整車電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部件，是整車網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互樞紐。目前在以太網(wǎng)方面主要實(shí)現(xiàn)交換機(jī)方面的功能，同時在CAN，LIN，Ethernet 等不同網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信路由。

2 車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)功能簡介

汽車網(wǎng)關(guān)承擔(dān)不同總線類型之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作，并參與各網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)管理，主要具有如下功能：

（1）通信路由。通信路由指的是各個網(wǎng)段之間信息通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)。這種轉(zhuǎn)發(fā)有報(bào)文路由、信號路由兩種方式。報(bào)文路由分為事件報(bào)文路由和周期報(bào)文路由。事件報(bào)文具備事件觸發(fā)特性，即收到才轉(zhuǎn)發(fā)。周期報(bào)文按照固定周期發(fā)送，超時后采用失效值填充。

（2）對整車各電子器件的故障診斷。網(wǎng)關(guān)可以自動轉(zhuǎn)發(fā)來自外部設(shè)備的診斷報(bào)文，并可以將各個控制器反饋的診斷信息發(fā)回外部設(shè)備。

（3）安全隔離，防火墻。網(wǎng)關(guān)除了降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載外，另一個很大的功能就是安全性。我們利用網(wǎng)關(guān)來隔離車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)。診斷通路一般單獨(dú)使用一個通道，與其他通信通道隔離，另外還需經(jīng)過一系列的認(rèn)證關(guān)卡，以防止車輛被惡意入侵。網(wǎng)關(guān)還提供防火墻功能，針對某些敏感信息，直接過濾。

（4）克隆轉(zhuǎn)發(fā)功能。但隔離工作會讓調(diào)試工作受到一定限制。為方便調(diào)試，網(wǎng)關(guān)一般會引入克隆轉(zhuǎn)發(fā)功能。即通過診斷命令控制，把其中一路報(bào)文在滿足正常轉(zhuǎn)發(fā)的同時，動態(tài)的復(fù)制一份到診斷口，以方便調(diào)試。

3 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件協(xié)議層架構(gòu)

圖1 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件協(xié)議層架構(gòu)

整個軟件協(xié)議層非常龐大，限于篇幅，本文僅對DOIP 協(xié)議層展開說明。

3.1 DoIP 原理框架

DoIP（Diagnostic over IP）是基于太網(wǎng)的診斷傳輸協(xié)議，將UDS 進(jìn)行封裝，并基于IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。應(yīng)用于車輛售后檢查和維修、車輛或ECU 軟件的重編程、車輛或ECU 的下線檢查和維修等，其主要工作原理類似于Diagnostic over CAN（或稱DoCAN）。即在UDS 診斷服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過TCP/IP 來進(jìn)行車輛信息診斷。

3.2 DoIP 節(jié)點(diǎn)類型

DoIP 實(shí)體分為普通DoIP 節(jié)點(diǎn)及DoIP 邊緣節(jié)點(diǎn)。

以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為DoIP 邊緣節(jié)點(diǎn)。需具有如下特性：支持IPv4；包含DHCP 客戶端功能，以實(shí)現(xiàn)外部動態(tài)IP 地址，內(nèi)部靜態(tài)IP 地址；需包含防火墻功能，且需將外部IP 地址轉(zhuǎn)換內(nèi)部IP 地址以保護(hù)內(nèi)部通信安全；需支持VLAN 功能；需支持多個IP 地址；監(jiān)聽TCP/UDP 協(xié)議層數(shù)據(jù)。

圖2 DoIP原理框架

而普通DoIP 節(jié)點(diǎn)具有如下特性即可：監(jiān)聽TCP 協(xié)議層數(shù)據(jù)；接收屬于本VALN 的DoIP 信息，并作出響應(yīng)。

3.3 DoIP 應(yīng)用場景

（1）售后模式：在售后維修廠，外部診斷儀無需使用傳統(tǒng)的OBD 口硬件線連接，可通過TCP/IP 協(xié)議與車輛建立直接鏈接，并按照要求的指令，將請求命令發(fā)送給車輛的DoIP 實(shí)體，然后相應(yīng)的DoIP 實(shí)體也通過TCP/IP 反饋車輛的相關(guān)信息。

（2）產(chǎn)品/工廠模式車輛ECU 刷新：外部軟件刷新設(shè)備，根據(jù)既定的軟件刷寫流程，通過以太網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議與車輛內(nèi)部模塊IP 網(wǎng)絡(luò)建立通信。在產(chǎn)品模式下，開發(fā)工具一般是實(shí)現(xiàn)工具與DoIP 實(shí)體點(diǎn)對點(diǎn)的通信與刷新。而在工廠模式下，采取的則是軟件刷新設(shè)備對整車進(jìn)行的并行刷新操作。

（3）工廠模式總裝檢測維修：在工廠生產(chǎn)制造時，外部檢測設(shè)備會按照指定順序，對接入IP 網(wǎng)絡(luò)的車輛進(jìn)行終檢工位的完整性測試。與售后模式下的不同之處在于，在工廠環(huán)節(jié)，外部檢測設(shè)備通常會與整車多個模塊的多個DoIP 實(shí)體進(jìn)行連接以及并行通信。

3.4 DoIP 激活線

激活線（Activation line）主要用于激活及禁止以太網(wǎng)控制器，目的如下：降低靜態(tài)睡眠功耗；減少電磁干擾。若供電電壓小于2 V，則關(guān)閉激活線輸出，即禁止以太網(wǎng)控制器。若供電電壓大于5 V，則開啟激活線輸出，即激活以太網(wǎng)控制器。

4 汽車以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)測試要求

表1 汽車以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)測試要求

TC8 2～7協(xié)議層一致性測試TC10 睡眠喚醒測試

4.1 物理層測試

主要針對100Base-T1，100Base-TX，參考標(biāo)準(zhǔn)為TC8。

（1）PMA 測試內(nèi)容，主要包含：發(fā)送器電壓降（TM1）、發(fā)送器Jitter（TM2）、發(fā)送器時鐘頻率（TM2）、發(fā)送器功率頻譜密度（TM5）、回波損耗（TM4）、MDI 模式轉(zhuǎn)換（TM4）、MDI共模發(fā)射（TM5）、發(fā)送器失真（TM4）。

（2）IOP 測試，主要包含：鏈接建立時間、信號質(zhì)量SQI、遠(yuǎn)端開路、近端開路、遠(yuǎn)端短路、近端短路、接地檢測。

（3）接收器測試，主要包含：差分信號&頻偏容忍。

4.2 協(xié)議層測試

（1）協(xié)議一致性測試，依照TC8測試規(guī)范展開測試。

（2）交換機(jī)性能測試，依照RF2544及RF2889，進(jìn)行測試，主要包含：端到端向?qū)?、運(yùn)行背景流量、吞吐量和延遲、幀丟失、背對背測試、地址緩存、地址速率、廣播速率、擁塞控制、幀誤差過濾。

（3）拓?fù)湫阅軠y試，主要包含：全互聯(lián)、多對一、一對多、部分互聯(lián)。

（4）協(xié)議層測試主要包含對如下協(xié)議層的測試：VLAN，ARP，ICMPv4，ICMPv6，IPv4，Dynamic IPv4，UDP，DHCPv4，TCP，SOME/IP 等。

5 結(jié)束語

在汽車的智能網(wǎng)聯(lián)時代，汽車智能網(wǎng)關(guān)無縫地集成了車輛與環(huán)境周邊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將整個車輛與外部數(shù)字世界連接在一起，是連接車輛內(nèi)部環(huán)境與外部通信網(wǎng)絡(luò)的重要紐帶。為適應(yīng)高速發(fā)展的車載網(wǎng)絡(luò)，同致電子科技將貢獻(xiàn)自已的力量，推動新一代以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的順利開發(fā)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)到未來的智能網(wǎng)關(guān)快速迭代。