智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載以太網(wǎng)診斷方法研究

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0068-04

Research on Diagnosis Methodsfor In-vehicle Ethernetin Intelligent Connected Vehicles

Lv Xu

（Shanxi Vocational University of Engineering and Technology，Jinzhong O3O619，China）

【Abstract】With the rapid development of inteligent connectedvehicle technology，in-vehicleethernet has been widelyusedininteligentconnectedvehiclesduetoitshightransmissionrate.Thisarticlestudiestheworkingprinciple andtopological structureof vehicle-mountedethernet，andconductsan in-depthanalysisof itsfault diagnosis methods toimprovemaintenanceeffciency.Firstly，theapplicationoftheOSIseven-layermodelinvehicleethernetis introduced.Then，thestartopologystructureof ethernetanditsdiferences fromthetraditionalCANbusarediscussed. Next，thecommonfaultsof vehicleethernetareanalyzedandthe corresponding diagnosticmethodsareproposed. Through theanalysis of actual cases，itis expectedtoprovide guidanceforthefault diagnosisofon-boardethermet in intelligent connected vehicles.

【Key words】inteligent connected vehicle；vehicle-mounted；ethernet；topological structure；fault diagnosis

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的快速發(fā)展，激光雷達(dá)、高分辨率攝像頭等傳感器與自動(dòng)駕駛計(jì)算平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸量急劇增長；車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)興起，信息娛樂系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛計(jì)算平臺(tái)和LTE路由器的數(shù)據(jù)傳輸量也極為龐大。在此情形下，傳統(tǒng)CAN總線、CANFD總線以及FlexRay等總線，因傳輸速率較低，難以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)傳輸需求。于是，車載以太網(wǎng)在智能網(wǎng)聯(lián)車輛中得以廣泛應(yīng)用。

車載以太網(wǎng)在工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障診斷方法上，與傳統(tǒng)CAN總線存在顯著區(qū)別。因此，深入研究其故障診斷方法，對(duì)提升維修效率意義重大。

1車載以太網(wǎng)的工作原理

1.1 OSI7層模型

為構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化且互操作性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信框架，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展并簡化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與維護(hù)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出OSI7層網(wǎng)絡(luò)模型[2]。該模型從底層到頂層，依次為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。各層各司其職，涵蓋從物理信號(hào)傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)的全過程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

第1層為物理層。物理層主要借助網(wǎng)線、光纖、無線電波等媒介傳輸“0”和“1”信號(hào)，是以太網(wǎng)正常運(yùn)行的根基。常見以太網(wǎng)物理層協(xié)議見表1。其中，100BASE-TX和1000BASE-T即民用領(lǐng)域常說的百兆網(wǎng)和千兆網(wǎng)，一般采用5類、6類網(wǎng)線搭配RJ45水晶頭連接設(shè)備。在車輛應(yīng)用中，有時(shí)會(huì)用車規(guī)級(jí)接口或航空接口替代RJ45水晶頭。以太網(wǎng)絡(luò)100BASE-T1前身為博通公司（Broadcom）與寶馬公司（BMWAG）聯(lián)合開發(fā)的OABR以太網(wǎng)，后由電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）標(biāo)準(zhǔn)化。它僅用1對(duì)雙絞線，利用回音消除技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)100Mbit/s全雙工通信，在寶馬等高端車型中應(yīng)用廣泛[3]。

第2層為數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層依據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議，將“0”和“1”組合成數(shù)據(jù)傳輸基本單位“幀”。每一幀由包頭（Head）和數(shù)據(jù)（Data）構(gòu)成。Head包含數(shù)據(jù)包的發(fā)送地址、接收地址、數(shù)據(jù)類型等說明信息，其中發(fā)送和接收地址用MAC地址表示，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一地址，通常由12位16進(jìn)制數(shù)表示。某計(jì)算機(jī)在Windows下的網(wǎng)絡(luò)信息如圖1所示，其中物理地址就是MAC地址，全球所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC地址均獨(dú)一無二。

在車載以太網(wǎng)架構(gòu)的第3層和第4層，主要采用與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)一致的TCP/IP協(xié)議棧，完成網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的數(shù)據(jù)定義。

第3層為網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層引入IP地址概念，車載以太網(wǎng)一般基于 IPv4 ， IPv4 地址由32位二進(jìn)制數(shù)組成，通常以4段十進(jìn)制數(shù)表示，范圍是0.0.0.0＼～255.255.255.255。由于車載以太網(wǎng)屬于局域網(wǎng)且設(shè)備數(shù)量較少，一般使用 192.168.1.x 網(wǎng)段，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，多采用手動(dòng)配置IP地址，而非DHCP自動(dòng)分配。在同一局域網(wǎng)內(nèi)，各設(shè)備IP地址不同，設(shè)備間通過IP地址識(shí)別通信對(duì)象，數(shù)據(jù)包僅發(fā)送至目標(biāo)IP地址。

第4層為傳輸層。傳輸層是TCP/UDP協(xié)議運(yùn)行的層面，二者可獨(dú)立或同時(shí)使用。TCP建立連接需“3次握手”，斷開連接需“4次握手”，連接可靠性高，應(yīng)用廣泛；UDP是無連接協(xié)議，雖不保證連接可靠性，但效率更高。在車載以太網(wǎng)中，因設(shè)備少，UDP一般也能保證連接質(zhì)量且效率優(yōu)勢(shì)明顯，所以應(yīng)用也較為廣泛。

第5＼～7層為在OSI中對(duì)應(yīng)會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，在TCP/IP協(xié)議中統(tǒng)稱應(yīng)用層。除常見的ICMP測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性協(xié)議（Ping命令）、ARP地址映射協(xié)議（IP-MAC地址映射）、DHCP自動(dòng)分配IP地址協(xié)議外，車載以太網(wǎng)常用的還有DOIP基于IP的診斷服務(wù)、AVB/TSN基于以太網(wǎng)的時(shí)間同步協(xié)議等[4]。

1.2 以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)車輛使用的CAN總線、LIN總線多采用線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有控制單元并聯(lián)在一條或兩條總線上，如圖2所示?？偩€上任一控制單元發(fā)出的幀數(shù)據(jù)，其他控制單元都會(huì)接收。若任一控制單元發(fā)生短路故障，易導(dǎo)致總線整體癱瘓[5]。

車載以太網(wǎng)通常采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。在該結(jié)構(gòu)中，所有控制單元都與以太網(wǎng)交換機(jī)相連。通信時(shí)，各控制單元借助ARP協(xié)議將目的地IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址，再通過MAC地址進(jìn)行通信。

當(dāng)車載以太網(wǎng)需與互聯(lián)網(wǎng)或其他網(wǎng)段設(shè)備通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中還需增設(shè)路由器或網(wǎng)關(guān)。車輛控制單元與互聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)，如圖4所示。

2車載以太網(wǎng)常見故障

以某智能網(wǎng)聯(lián)測(cè)試車上鐳神智能C32/C16系列激光雷達(dá)與自動(dòng)駕駛計(jì)算平臺(tái)間通信的以太網(wǎng)為例，分析常見車載以太網(wǎng)故障原因。該車型車載以太網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖5所示，所有設(shè)備通過CAT5E線束和RJ45水晶頭組成的網(wǎng)線連接。設(shè)備包括3個(gè)激光雷達(dá)、1個(gè)自動(dòng)駕駛域控制器（Autonomous DrivingControlUnit，ADCU）、1個(gè)可通過4G網(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)網(wǎng)的LTE路由器，以及1個(gè)拓展路由器RJ45接口的交換機(jī)。

2.1 物理層故障

常見物理層故障包括網(wǎng)線損壞、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口故障、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部故障等，其中網(wǎng)線損壞最為常見。網(wǎng)線故障又有RJ45水晶頭壓接不良、線序錯(cuò)誤或網(wǎng)線斷路等情況。

網(wǎng)線RJ45水晶頭壓線時(shí)，一般遵循EIA/TIA-568B直連互連法線序，即8根線按橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、綠、棕白、棕順序壓入RJ45水晶頭。線序錯(cuò)誤會(huì)致使相關(guān)設(shè)備無法通信。壓接不良、線序錯(cuò)誤、網(wǎng)線短路等故障，可用萬用表電阻擋依次測(cè)量，也可用網(wǎng)線測(cè)試儀檢測(cè)，如圖6所示。將網(wǎng)線兩端分別插入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的2個(gè)RJ45端口，開啟測(cè)試，測(cè)試儀兩端1＼～8指示燈會(huì)依次亮起。若亮起次序不同，表明接線次序錯(cuò)誤；若一端部分?jǐn)?shù)字不亮，則說明網(wǎng)線內(nèi)部斷線或RJ45水晶頭接線不良。此類故障可通過重新壓接RJ45水晶頭或更換網(wǎng)線解決。

協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)送請(qǐng)求，查找與目標(biāo)IP匹配的MAC地址，后續(xù)向該IP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，便會(huì)發(fā)送至對(duì)應(yīng)MAC地址的設(shè)備。以32線中央激光雷達(dá)首次發(fā)送數(shù)據(jù)包前的ARP通信過程為例，它會(huì)發(fā)送ARP數(shù)據(jù)包，內(nèi)容為“Whohas192.168.1.102？ Tell192.168.1.200\"，即詢問哪個(gè)設(shè)備的IP地址是192.168.1.102，請(qǐng)告知設(shè)備192.168.1.200其MAC地址。ADCU接收到該ARP消息后會(huì)進(jìn)行回應(yīng)，激光雷達(dá)便可記錄該MAC地址，從而正確發(fā)送數(shù)據(jù)包。使用Wireshark軟件可截取到該ARP包，如圖7所示。

若以太網(wǎng)中有2個(gè)設(shè)備配置了相同IP地址，先回應(yīng)ARP消息的設(shè)備能收到消息，而另一個(gè)IP相同的設(shè)備則無法接收。例如，若右側(cè)16線補(bǔ)盲激光雷達(dá)的IP地址誤配置為與ADCU相同的“192.168.1.102”，可能導(dǎo)致ADCU無法收到32線中央激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)包，致使自動(dòng)駕駛功能失效。

2.3IP地址配置錯(cuò)誤故障

為保證激光雷達(dá)正常工作，需正確配置激光雷達(dá)和ADCU的IP地址。根據(jù)鐳神智能官方手冊(cè)，推薦的IP配置如表2所示。

2.2 IP地址沖突故障

家庭和辦公網(wǎng)絡(luò)中，電腦IP地址一般通過DHCP協(xié)議自動(dòng)分配。而車載以太網(wǎng)中，通常需手動(dòng)配置IP地址。在自動(dòng)駕駛常用的Ubuntu系統(tǒng)中，可在可視化界面設(shè)置IP地址，確保其在車載以太網(wǎng)中的唯一性。

以太網(wǎng)通信時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)幀的設(shè)備先通過ARP

因此，必須將ADCU的IP地址正確配置為192.168.1.102且確保不重復(fù)，才能正確接收激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包。否則，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包可能無法找到接收設(shè)備或發(fā)送到錯(cuò)誤設(shè)備，導(dǎo)致激光雷達(dá)與ADCU通信異常，激光雷達(dá)失效，自動(dòng)駕駛功能無法啟動(dòng)。

檢查ADCU的IP地址配置是否正確，可在ADCU的Linux系統(tǒng)中，使用“ifconfig”命令或“ipa”命令查看當(dāng)前IP地址，如圖8、圖9所示。檢測(cè)當(dāng)前設(shè)備與目標(biāo)IP地址能否通信，可使用“ping”命令。若返回值類似“64 bytes from 192.168.1.200：icmp_seq=42ttl=128time=0.359ms^′ ，time項(xiàng)后有時(shí)間，表明ADCU能與目標(biāo)IP設(shè)備正常通信；若返回值顯示“Destination HostUnreachable”，則表示與目標(biāo)設(shè)備無法正常通信，如圖10所示，IP地址“192.168.1.201”無法正常通信，可能是右側(cè)16線激光雷達(dá)IP配置錯(cuò)誤所致。

2.4激光雷達(dá)目標(biāo)IP及端口號(hào)配置錯(cuò)誤故障

該車的3個(gè)激光雷達(dá)均需正確配置自身和ADCU的IP地址。配置時(shí)，需用Windows平臺(tái)的筆記本電腦直接連接激光雷達(dá)RJ45網(wǎng)口，將筆記本電腦IP地址配置為192.168.1.102，再使用鐳神公司專用配置軟件設(shè)置激光雷達(dá)參數(shù)，其配置界面如圖11所示，ADCU的IP地址應(yīng)填在“電腦IP”一欄。

以太網(wǎng)通信時(shí)，每個(gè)設(shè)備IP固定，但一個(gè)設(shè)備通常運(yùn)行多個(gè)軟件執(zhí)行多種功能。為區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包去向，會(huì)給每個(gè)軟件或功能分配端口號(hào)，對(duì)應(yīng)功能的數(shù)據(jù)包流向相應(yīng)端口。對(duì)于激光雷達(dá)，工作時(shí)需兩組數(shù)據(jù)包，一組是實(shí)際測(cè)量信息，一組是設(shè)備配置信息，默認(rèn)分別使用端口2368和2369。配置時(shí)，激光雷達(dá)和ADCU兩側(cè)需進(jìn)行相同配置，確保IP和端口號(hào)正確。

像該車使用多個(gè)激光雷達(dá)的情況，需為3個(gè)激光雷達(dá)配置不同端口號(hào)，如表3所示。同時(shí)，要在ADCU軟件中為3個(gè)激光雷達(dá)配置正確端口號(hào)

3總結(jié)

本文全面剖析了智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載以太網(wǎng)的工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及故障診斷方法。通過深入探究OSI7層模型和以太網(wǎng)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，揭示了車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)CAN總線在數(shù)據(jù)傳輸和故障診斷方面的差異。針對(duì)物理層故障、IP地址沖突及配置錯(cuò)誤等常見故障展開分析，提出了切實(shí)有效的診斷策略，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證了策略的可行性。這些研究成果對(duì)提升智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載以太網(wǎng)的維修效率與可靠性具有一定價(jià)值。

注：本文為山西工程科技職業(yè)大學(xué)校級(jí)科研課題“智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載攝像頭內(nèi)外參標(biāo)定教學(xué)臺(tái)架研制”（KJ202313）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1]袁豪杰，唐剛.智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析及安全檢測(cè)[J]信息安全與通信保密，2024（1）：60-69.

[2]彭，劉志雄，劉曉莉，等.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層研究[J].中國電力教育，2014（15）：38-39，64.

[3]呂旭，周遠(yuǎn)芳.車載以太網(wǎng)的原理及故障檢修[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（12）：225-227.

[4]楊子.車載以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2024，65（12）：256-258.

[5]毛宏巖，林昊昊，韓蒙蒙.汽車CAN總線常見故障類型及診斷方法[J].汽車維修，2024（2）：20-24.

（編輯凌波）