以太网的分层架构_车载以太网（上）

以下文章来源于Vehicle攻城狮 ，作者Defry

背景

车载以太网的由来不详述其由来。其实主要是由于汽车E/E架构与功能日益复杂所导致的车辆数据传输带宽的需求提高以及通讯方式发生改变（基于服务的通讯-SOA）。

就当前汽车总线的运用状况而言，在具有低成本特征且普遍适用的领域主要包括林总线与之并行使用的CAN总线；然而，在近几载才逐渐得到广泛应用的是以 FlexRay 和车载以太网等技术为代表的技术；这些技术由于受限于成本因素，在高端车型中得到了较为广泛的应用

其中前文提到的FlexRay设备在未来获得广泛应用的可能性我的看法并不高。
从成本角度来看与车载以太网相当但其通信速率明显低于后者。
随着智能化和联网技术的发展未来车载Ethernet技术将比FlexRay应用更为广泛。
需要特别指出的是市场推广实施的时间大约还不到三年第三代CAN总线-CAN XL即将推出。
CAN XL的传输速率达到10Mbit/s这将弥补了CAN FD与百兆级车载以太网之间的性能空缺。
同时这也反映出车载通信技术正快速演进对带宽需求也在不断提升。
从另一方面讲这也是 FlexRay面临挑战的原因之一。
实际上每个总线技术的应用都有其特定的应用领域和场景。
例如在对安全性要求极高的场合中基于时间触发机制的FlexRay系统因其更高的实时性和确定性因此更适合采用。

标准

在车载网络方面，玩家是很多的，也推出了各自的标准，如下：

在车载以太网领域占据主导地位的标准主要由OPEN Alliance以及电气与电子工程师协会(IEEE)制定。这些标准因其广泛的适用性和高效的性能而广受青睐，在实际应用中发挥着关键作用。例如大家所熟知的如大家所熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1等技术方案即属于此类经典方案中的代表作

从1980年起以来, IEEE一直承担着网络管理,技术制定以及标准化工作的责任。尽管各公司均可提供各自专有的网络解决方案,但大多数时候会将相关任务委托给IEEE进行规范制定,从而确保网络应用的广泛普及。而专注于以太网领域的工作组——即802工作组——则专门制定相关技术规范,因此所有与以太网相关的标准都将以编号形式命名,如 IEEE 802.1, IEEE 802.2 和 IEEE 802.3 等

OPEN Alliance SIG是由汽车制造商和供应商汇聚而成的专业联盟,其宗旨在于推动以太网技术在汽车行业领域的广泛应用和发展。该联盟致力于实现汽车以太网技术向统一标准的转化,并在此过程中发挥了关键作用。就目前而言,车载网络技术的主要应用标准主要包括以下几个方面:其中最广泛采用的标准是100BASE-T1:该标准通过单对双绞线实现高达100Mbit/s的数据传输速度;而采用千兆以太网的企业则处于领先地位

车载以太网的网络分层和拓扑

OSI 七层通信模型（缩写：OSI=Open Systems Interconnection）是互联网发展中扮演着关键角色的参考框架。该框架定义了一个开放式的通信体系结构（open network model），旨在为全球各类组织提供统一的技术基础以促进数据交换与协作。规范为全球各类组织提供了统一的技术基础（common reference architecture），使得各参与方能够基于一致的原则构建互操作性良好的网络系统（interoperability）。唯有当统一通信规范得到普遍采用时（only when universal adoption is achieved），才能真正实现全面互联的可能性（full interconnectivity）。 OSI 七层架构及其信息传递机制，请参见下图：

OSI七层网络模型被视为一个理想化的网络参考架构，在理论层面具有重要的指导意义。而TCP/IP 模型 则是已被广泛应用于实际因特网中的典型分层架构模式。值得注意的是，在这一架构中，并未对 OSI 的第五至第七层进行严格划分，并将其统称为应用层功能

车载以太网遵循 TCP/IP 的网络层次结构，并经 OPEN 及 AUTOSAR 等联盟制定了详细的规定以补充相关协议。

The network topology of Ethernet exhibits a point-to-point structure, which is similar to the bus topology used in CAN or LIN protocols. Additionally, it supports bus, chain, and star topologies.

也有由上面几种形式的组合形式：

如今多节点车载以太网间的互联须采用交换机Switch实现其通信功能 Switch的主要功能体现在以下几个方面

车载以太网的物理连接

就硬件而言，在网络接口电路的设计中占据核心地位的是MAC(Media Access Control)控制器与物理层接口PHY(Physical Layer, phy)两大核心模块

MAC及PHY工作在OSI七层模型的数据链路层和物理层， 如下

MAC与PHY之间如何利用两个专用接口进行数据传输和通信？

MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口，以太网MAC通过该接口发出数据帧经过PHY后传输到其他网络节点上，同时其他网络节点的数据先经过PHY后再由MAC接收。MII是IEEE-802.3定义的以太网行业标准，MII接口提供了MAC与PHY之间、PHY与STA(Station Management)之间的互联技术，该接口支持10Mb/s与100Mb/s的数据传输速率，数据传输的位宽为4位。"媒体独立"表明在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY设备都可以正常工作。 802.3协议最多支持32个PHY，但有一定的限制：要符合协议要求的connector特性。

SMI被定义为串行管理接口，在以太网中MAC层通过该接口能够访问PHY层的寄存器，并通过对这些寄存器的操作来实现对PHY的控制与管理。SMI接口主要包含两个部分：MDIO（负责控制和管理PHY并获取其状态）与MDC（为MDIO提供时钟）。其中,MDC由MAC层提供时钟信号,MDO则是一根双向的数据线,用于传输MAC层发送给物理层的信息以及物理层反馈回来的状态信息。在MDC上升沿触发的有效时刻,MDIO的数据与相应的时钟信号保持同步。

可以看出，在MAC与PHY中分别属于不同的层次：一个属于数据链路层次，另一个则是物理层；它们之间通过MII总线实现数据传输。 由此可知，在Ethernet协议中 MAC与PHY之间的交互机制实质上是 MAC通过MII总线实现对PHY的控制过程。

可以看出，在MAC与PHY中分别属于不同的层次：一个属于数据链路层次，另一个则是物理层；它们之间通过MII总线实现数据传输。 由此可知，在Ethernet协议中 MAC与PHY之间的交互机制实质上是 MAC通过MII总线实现对PHY的控制过程。

该接口衍生出了多个后续版本, 包括RM II、GM II、SGMI I等. 下面将简述其中的M II与RM II的工作原理, 如下图所示. M II主要采用了16根通信线. 其中CRS与COL通信仅限于半双工模式, 而车载以太网则始终运行于全双工状态. 因此, 在汽车环境下仅需使用14根通信线路.

RMII采用的是简化版本的MII架构，在数据发送与接收方面都采用了两根线的设计方案，在这种基础之上相比起传统MII架构减少了4根数据线，并且在设计时对原有的线条进行了整合或缩减以进一步优化系统性能。因此RMII最终仅包含8根独立的数据传输线。RMII的接口如下：

在实际设计中，并非必须将这三部分完全分离。由于考虑到芯片面积及模拟/数字混合架构的原因，在许多应用场景下会采用将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外的方式进行设计。尽管如此，在当前技术背景下——即更灵活、密度更高的芯片技术的发展——在理论上已经实现了MAC与PHY的单芯片集成。具体来说，这种集成可以分为以下几种类型：

CPU集成MAC与PHY，目前来说并不多见：

基于CPU实现MAC地址的整合，在网络层采用独立芯片设计。这种设计模式在车载以太网场景下已成为主流方案：嵌入式处理器厂商通常会选择将MAC地址集成到MCU内，并根据具体需求选择合适的PHY（物理层）芯片方案；其中PHY芯片的选型则由OEM（原始设备制造商）或者控制器供应商来决定。

CPU未集成为MAC与PHY，在其中MAC与PHY则采用了集成芯片的方式。较为普遍地，在消费级以太网上应用这一设计，请问您具体指的是哪种网络接口？例如，在消费级网络接口中常见的是网卡采用这样的设计。

在用于车辆网络的以太网连接线上车端与家用以太网也存在差异首先家用以太网的技术规范主要包含三种主流标准：首先是基于Base-2的标准即为1GBASE-R其适用于短距离信息传递其次是基于Base TX系列的两种不同版本即为Gigabit Ethernet (SX)和Gigabit Ethernet (ST)最后则是超高速率的标准即为OUI 9863637373U这种最高时速可达9.6 Gbps的技术方案这些不同的技术规范均采用了相应的物理层总线接口如SFP U breakout等

在历史上较早的时候，10BASE-2网络则通过同轴电缆实现数据传输。因此，在消费级以太网中采用了线缆结构进行具体设计。

而车载以太网普遍采用带T1的标准 ，例如IEEE 100BASE-T1（曾被称为OABR）以及IEEE 1000BASE-T1等标准均使用双绞配对线缆进行数据传输：

其次在编码方式上，1000BASE-T主要采用PAM5 的编码方式：

而车载以太网100BASE-T1和1000BASE-T1主要采用PAM3 的编码方式。

如前所述，在汽车中使用的以太网技术主要基于一对双绞线实现数据传输的100BASE-T1或1000BASE-T1标准。相比之下，在我们的电脑上通常配备 RJ45 接口，并采用四对双绞线实现数据传输的1000BASE-TX标准。因此当我们在电脑上测试控制器的以太网连接时，请注意有时会需要用到转换器，请问是否需要进一步说明？

车载以太网帧结构

以太网帧的格式如下：

以太网中存在多种类型的帧，在同一物理介质上可以同时存在不同类型的帧。主要采用的是DIX v2格式 和 Ethernet II帧格式 两种形式。其中Ethernet II框架后来被IEEE 802标准所采纳，并作为 IEEE 802.3x 1997 标准的一部分得以记录。

第二种是1983年提出的IEEE802.3格式。

这两种网络数据格式的核心区别主要体现在帧头信息的设置上：在Ethernet II格式中设置了Type字段，在此位置标识了完成以太帧处理后即将发送至哪个上层协议进行进一步处理的信息；而在IEEE802.3标准下，则在相同的位置设置了长度字段来表示以太帧的实际传输长度信息。

不同的Type字段值可用来区分两种类型的帧。当Type字段值不大于1500（或十六进制表示为0x05DC）时，这些帧采用IEEE802.3格式；而当Type字段值不小于1536（或十六进制表示为0x0600）时，则采用Ethernet II格式。在以太网中，大部分的数据帧采用了Ethernet II格式。

在以太网帧中不仅包含源端与目的端的MAC地址这些标识信息，
其中不仅包含源端和目的端的MAC地址。
这些地址分别标识发送设备与接收设备的网络接口。
此外还有一个校验字段，
该字段主要用于确保数据传输过程中的数据完整性。

汽车行业主要采用Ethernet II格式 ，该技术还可作为扩展提供VLAN信息功能，并进而分为基础的MAC帧（不带VLAN）与带VLAN的标记型MAC帧两大类。

MAC address通常基于 reception者的目标位段设计。“其功能是指示接收到消息的那一网络节点。” “与随后发送者的源地不同”，除单播或广播/单播外，“只能允许一个发送端点”，但可允许多个接收端点。

Ether type: MAC帧分为基本帧和标记帧，并通过类型字段（以太类型）来区分。这通常指出有效负载数据区域中包含的数据分组，并提供有关更高层所使用的协议（例如IPv4）的信息。当以太类型的值为0x8100时，在类型字段后添加四个字节，并在其原始位置插入一个VLAN标签。

VLAN标签包含协议标识符（TPID）和控制信息（TCI）。其中包含原始类型字段的值。TCI由三个部分组成：优先级（PCP），符合丢弃要求或规范的形式指示符（DEI或CFI），以及标识符（VID）。其中标识符和优先级主要应用于汽车行业。该应用区域的虚拟网络将通过特定的标识符进行区分。交换机能够根据优先级优化运行时间，并确保关键信息能够优先转发。

The payload is located after the type field in an Ethernet frame. The minimum length of effective load ranges from 46 bytes (without VLAN tag) to 42 bytes (with VLAN tag). In the automotive industry, it can accommodate up to 1500 bytes.

采用 CRC 校验方法，在以太帧末尾执行此操作。其值由标准算法计算得出，在发送端与接收端采用一致的方法实现此过程。此过程涉及在整个以太帧各个字段内部进行计算，并通过这一机制从而保证了整个信息包的数据完整性。

以太网Packet: 在传输过程的开头部分添加了前同步码以及起始帧定界符(SFD)，用作标识符来表明数据传输的开始位置。前同步码、起始帧定界符(SFD)以及完整的以太帧共同构成了一个以太网数据包的基本组成元素。

车载以太网帧传输过程

在之前的内容中提到过，在遵循TCP/IP协议的网络架构下讨论车载以太网的技术细节时，默认情况下我们无需关心应用层数据是依据何种应用层协议组织的。因此，在讨论的应用层面相关问题中，默认情况下我们无需关注这一细节。对于来自应用层的数据而言，在经过传输层面处理后会携带相应的TCP/UDP报头信息传递至网络层面，并在IP层面附加必要的IP报头字段。随后，在链路层面增加了如MAC地址等关键信息，并由PHY接口将这些信息转换为线路上传输的二进制流，在发送端和接收端实现数据传输的过程。

其中，在数据链路层（TCP）与网络接口控制平面（IP）通信机制的基础上展开讨论，在本篇文章中没有过多详细讨论这一技术细节。建议读者自行查阅相关资料了解详细信息。另外值得注意的是，在应用层面存在多种不同的通信方案如DoIP、DHCP等；其中最为关键的是车载以太网中的SOME/IP通信方案

参考文献：

1、Ethernet introduction(BOSCH、Tektronix、Vector、等资料)