車載網(wǎng)絡由于自動駕駛和連接技術的飛速發(fā)展而快速發(fā)展，推動著汽車行業(yè)向前發(fā)展。需要支持更多功能以提高效率、安全性和駕駛體驗。因此，對數(shù)據(jù)帶寬和電纜數(shù)量的要求越來越高，以及復雜性、靈活性和成本效益等因素也變得更加具有挑戰(zhàn)性。

要實現(xiàn)自動駕駛，必須將多種技術很好地集成到車內。這包括長程雷達、短/中程毫米波雷達、激光雷達、攝像頭、超聲波傳感器和 GPS，它們都以不同的數(shù)據(jù)速率和通信協(xié)議運行。因此，這些分散的網(wǎng)絡正越來越多地演變?yōu)榧械木W(wǎng)絡架構。

大多數(shù)的這些新功能和應用都需要依賴昂貴且復雜的布線和需要較大帶寬的電子 設備。這將會是增加汽車價格和重量的關鍵因素。為了解決這個問題，新制定的BroadR-Reach100 Mbit/s汽車以太網(wǎng)規(guī)范試試圖優(yōu)化車內布線，在單根非屏蔽雙絞銅線上基于100Mbit/s運行。

BroadR-Reach 100 Mbit / s汽車以太網(wǎng)標準旨在解決這個問題 - 通過允許多個車載系統(tǒng)同時通過非屏蔽單根雙絞線電纜訪問信息，降低連接成本和布線重量。

OPEN Alliance BroadR-Reach（OABR）規(guī)范定義了一個單一的雙絞線100Mbit/s接口。OABR將降低車載網(wǎng)絡的成本和重量，因為只使用一根線。信號均在雙絞線上發(fā)送。

雙絞線是一種由兩根相互絕緣的導線絞合而成的電纜。它是一種常見的傳輸介質，用于電信、計算機網(wǎng)絡和其他應用。雙絞線的兩根導線通常由銅制成，并包裹在絕緣層中。兩根導線絞合在一起，以減少外部電磁干擾。

車載以太網(wǎng)是新的物理層標準，使用以太網(wǎng)標準作為車內網(wǎng)絡技術。它提供高抗干擾性、減少了布線和高速數(shù)據(jù)速率。高抗干擾性和減少了布線是將以太網(wǎng)引入車內的兩大創(chuàng)新。如果沒有高抗干擾性能力，我們熟悉的標準以太網(wǎng)，100Base-T和100Base-TX，將無法承受車內惡劣的電磁環(huán)境。

圖1. 雙工 PHY 輸入輸出 (I/O) 與全雙工 PHY 輸入輸出 (I/O)

PHY 層是物理層 (PHY)，它定義了數(shù)據(jù)在物理介質上傳輸?shù)姆绞?。PHY 層有兩種 I/O 模式：雙工和全雙工。

雙工：在雙工模式下，每個節(jié)點只能在一個時間內發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。這意味著，如果一個節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，那么另一個節(jié)點必須等待才能發(fā)送數(shù)據(jù)。雙工模式通常用于低速鏈路，例如以太網(wǎng) 10Base-T 和以太網(wǎng) 100Base-TX。

全雙工：在全雙工模式下，每個節(jié)點都可以在任何時候同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這意味著，兩個節(jié)點可以同時交換數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)吞吐量。全雙工模式通常用于高速鏈路，例如以太網(wǎng) 1000Base-T 和以太網(wǎng) 10GBase-T。

表1雙工 PHY I/O 和全雙工 PHY I/O 的比較

圖 1 顯示了物理 (PHY) 層的高級概述。標準以太網(wǎng) 100Base-Tx 是具有 2 個雙絞線的雙半雙工配置。相比之下，車載以太網(wǎng) 100Base-T1 是一種全雙工鏈路，具有單個雙絞線，可以雙向傳輸 100 兆位每秒 (Mbps)。這意味著節(jié)點之間理論上可以進行 200 Mbps 的通信聚合。在 1000Base-T1 上可以看到同樣的改進。

以太網(wǎng)速度與以比特每秒或千比特每秒速度運行的 CAN、CAN-FD、LIN 和 FlexRay 進行比較，就會發(fā)現(xiàn)巨大的差異。這清楚地表明了汽車以太網(wǎng)的優(yōu)勢，它可以滿足自動駕駛汽車 (AV) 對更大帶寬的需求。

圖2. 異構網(wǎng)絡到分層同構網(wǎng)絡

圖 2 的左側圖顯示了異構網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的右側可能是環(huán)形拓撲的 MOST 網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的左側可能是 CAN 或 CAN-FD 總線，其中多個節(jié)點可以直接訪問總線。這被認為是經(jīng)典的拓撲結構，其中只有單級通信。子網(wǎng)之間的所有通信都可以由中央網(wǎng)關直接管理。另一方面，圖 2 的右側圖是層次同構網(wǎng)絡，其中經(jīng)典技術如 CAN、CAN-FD、LIN 和 FlexRay 在最低層。網(wǎng)絡的第二層（由六邊形表示）是 Ethernet 和經(jīng)典技術之間的中間網(wǎng)關。頂層的矩形可以是交換機或僅具有 Ethernet 端口的單元。這是為了使通信能夠以更響應的方式與所有網(wǎng)絡進行通信。

圖 3. 以太網(wǎng)作為骨干

圖 3 說明了分層同構網(wǎng)絡的應用。我們有車載信息娛樂系統(tǒng)、駕駛員輔助系統(tǒng)、環(huán)繞視圖和動力總成和底盤，域間網(wǎng)關將經(jīng)典技術轉換為以太網(wǎng)。這些不同技術之間的翻譯，也稱為以太網(wǎng)骨干，允許子單元及其中間網(wǎng)關連接到支持以太網(wǎng)的中央網(wǎng)關。以太網(wǎng)千兆位每秒的實現(xiàn)愿景已經(jīng)成為現(xiàn)實，許多原始設備制造商都使用這種架構作為其以太網(wǎng)骨干。

汽車網(wǎng)絡架構的演變：網(wǎng)絡架構將需要成為特定于模型的，因為低端和高端車輛都有不同的需求。目前，汽車以太網(wǎng)不會取代所有聯(lián)網(wǎng)需求，而是將在很長一段時間內與經(jīng)典總線網(wǎng)絡共存。這是因為成本是阻礙汽車以太網(wǎng)更廣泛采用的一個關鍵障礙。像 CAN、CAN-FD 和 LIN 這樣的經(jīng)典技術已經(jīng)成熟且具有成本效益。它們將仍然與特定應用領域相關，尤其是那些以低成本和低帶寬為關鍵設計規(guī)范的領域。

由于汽車以太網(wǎng)高性能、可靠且具有成本效益的網(wǎng)絡技術，在汽車行業(yè)中日益得到采用。它相對于傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡技術，如 CAN 和 LIN，具有以下優(yōu)勢：

更高的帶寬：汽車以太網(wǎng)可以支持高達 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，這比 CAN 和 LIN 的帶寬要高得多。這允許傳輸大量數(shù)據(jù)，例如高分辨率圖像和視頻，這對于高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動駕駛汽車 (AV) 至關重要。

更低的延遲：汽車以太網(wǎng)的延遲非常低，這是數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點所需的時間。這對于實時應用程序，例如安全氣囊和電子穩(wěn)定控制 (ESC) 非常重要。

減少布線：汽車以太網(wǎng)使用單根雙絞線，可以是屏蔽或非屏蔽的。這減少了車輛中所需的布線量，從而可以節(jié)省重量和空間。

提高靈活性：汽車以太網(wǎng)是一種基于標準的技術，因此易于與其他系統(tǒng)和設備集成。這使其成為比傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡技術更靈活和可擴展的解決方案。

以太網(wǎng)協(xié)議?；谟嬎銠C網(wǎng)絡的七層OSI模型，OSI 定義了網(wǎng)絡互連的七層框架（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），即 ISO 開放互連系統(tǒng)參考模型。

每一層實現(xiàn)各自的功能和協(xié)議，并完成與相鄰層的接口通信。OSI 的服務定義詳細說明了各層所提供的服務。某一層的服務就是該層及其下各層的一種能力，它通過接口提供給更高一層。各層所提供的服務與這些服務是怎么實現(xiàn)的無關。

第一層：物理層

物理層負責在設備（例如網(wǎng)絡接口控制器、以太網(wǎng)集線器或網(wǎng)絡交換機）和物理傳輸介質之間傳輸和接收非結構化的原始數(shù)據(jù)。它將數(shù)字比特轉換為電信號、無線信號或光信號。層規(guī)范定義了諸如電壓水平、電壓變化的定時、物理數(shù)據(jù)速率、最大傳輸距離、調制方案、信道訪問方法和物理連接器等特性。這包括引腳布局、電壓、線路阻抗、電纜規(guī)格、信號定時和無線設備的頻率。比特率控制是在物理層完成的，并且可能將傳輸模式定義為單工、半雙工和全雙工。物理層的組件可以用網(wǎng)絡拓撲來描述。物理層規(guī)范包含在流行的藍牙、以太網(wǎng)和 USB 標準的規(guī)范中。一個不太知名的物理層規(guī)范的例子是 CAN 標準。

物理層還指定了編碼如何在物理信號（例如電電壓或光脈沖）上發(fā)生。例如，1 比特可能在銅線上表示為從 0 伏到 5 伏信號的轉換，而 0 比特可能表示為從 5 伏到 0 伏信號的轉換。因此，在物理層經(jīng)常發(fā)生的常見問題通常與不正確的媒體終止、EMI 或噪聲干擾以及配置錯誤或無法正常工作的 NIC 和集線器有關。

第二層：數(shù)據(jù)鏈路層:

數(shù)據(jù)鏈路層提供節(jié)點到節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸 - 兩個直接連接的節(jié)點之間的鏈路。它檢測并可能糾正物理層可能發(fā)生的錯誤。它定義了在兩個物理連接的設備之間建立和終止連接的協(xié)議。它還定義了它們之間的流量控制協(xié)議。

IEEE 802 將數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層：中繼訪問控制 (MAC) 層 - 負責控制網(wǎng)絡中的設備如何獲得對媒介的訪問權限和傳輸數(shù)據(jù)的權限; 邏輯鏈路控制 (LLC) 層 - 負責識別和封裝網(wǎng)絡層協(xié)議，并控制錯誤檢查和幀同步。

IEEE 802 網(wǎng)絡（例如 802.3 以太網(wǎng)、802.11 Wi-Fi 和 802.15.4 Zigbee）的 MAC 和 LLC 層在數(shù)據(jù)鏈路層運行。

點對點協(xié)議 (PPP) 是一個可以在多個不同的物理層（例如同步和異步串行線）上運行的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

ITU-T G.hn 標準通過選擇性重復滑動窗口協(xié)議提供誤差校正和流量控制，該標準通過現(xiàn)有的電線（電力線、電話線和同軸電纜）提供高速局域網(wǎng)。安全性，特別是（經(jīng)過身份驗證的）加密，可以在此層使用 MACsec 應用。

第三層：網(wǎng)絡層:

網(wǎng)絡層提供將數(shù)據(jù)包從一個連接到“不同網(wǎng)絡”的另一個節(jié)點的功能和程序方法。網(wǎng)絡是一種可以連接許多節(jié)點的媒介，每個節(jié)點都有一個地址，并允許連接到它的節(jié)點僅通過提供消息的內容和目標節(jié)點的地址來將消息傳輸?shù)竭B接到它的其他節(jié)點，并讓網(wǎng)絡找到將消息傳遞到目標節(jié)點的方法，可能會通過中間節(jié)點路由它。如果消息太大而無法在這些節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路層上傳遞，則網(wǎng)絡可以通過在一個節(jié)點將消息拆分成多個片段、獨立發(fā)送片段并在另一個節(jié)點重新組裝片段來實施消息傳遞。它可能會但并不需要報告?zhèn)鬟f錯誤。

在網(wǎng)絡層的消息傳遞不一定保證是可靠的；網(wǎng)絡層協(xié)議可能會提供可靠的消息傳遞，但它并不需要這樣做。

許多層管理協(xié)議（定義在管理附件 ISO 7498/4 中的功能）屬于網(wǎng)絡層。這些包括路由協(xié)議、多播組管理、網(wǎng)絡層信息和錯誤以及網(wǎng)絡層地址分配。是有效載荷的功能使其屬于網(wǎng)絡層，而不是攜帶它們的協(xié)議。

第四層：傳輸層:

傳輸層提供了在源主機和目標主機之間通過網(wǎng)絡從一個應用程序傳輸?shù)搅硪粋€應用程序的可變長度數(shù)據(jù)序列的功能和程序方法，同時保持服務質量功能。傳輸協(xié)議可以面向連接或無連接。

這可能需要將大型協(xié)議數(shù)據(jù)單元或長數(shù)據(jù)流分解為更小的塊，稱為“段”，因為網(wǎng)絡層施加了稱為最大傳輸單元 (MTU) 的最大包大小，該大小取決于所有數(shù)據(jù)鏈路層在網(wǎng)絡路徑之間的所有數(shù)據(jù)鏈路層施加的最大包大小。兩個主機。數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)量必須足夠小，以容納網(wǎng)絡層報頭和傳輸層報頭。例如，對于通過以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，MTU 為 1500 字節(jié)，TCP 標頭的最小大小為 20 字節(jié)，IPv4 標頭的最小大小為 20 字節(jié)，因此最大段大小為 1500?(20+20) 字節(jié)，或 1460 字節(jié)。將數(shù)據(jù)劃分為段的過程稱為分段；它是傳輸層的可選功能。一些面向連接的傳輸協(xié)議，例如 TCP 和 OSI 面向連接的傳輸協(xié)議 (COTP)，會在接收方執(zhí)行段的分割和重新組裝；無連接的傳輸協(xié)議，例如 UDP 和 OSI 無連接的傳輸協(xié)議 (CLTP)，通常不會執(zhí)行。

傳輸層還通過流量控制、錯誤控制和對序列和存在性的確認來控制源主機和目標主機之間給定鏈接的可靠性。一些協(xié)議面向狀態(tài)和連接。這意味著傳輸層可以跟蹤段并通過確認握手系統(tǒng)重新傳輸那些未能送達的段。傳輸層還會提供成功數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認，并在沒有錯誤發(fā)生時發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。

傳輸層可以用一個郵局來形象地說明，郵局負責處理郵件和包裹的派送和分類。郵局只檢查郵件的外封以確定其投遞地址。更高級的層可能相當于雙層封套，例如加密表示服務，只有收件人才能閱讀。一般來說，隧道協(xié)議是在傳輸層工作的，例如通過 IP 網(wǎng)絡傳輸非 IP 協(xié)議，如 IBM 的 SNA 或 Novell 的 IPX，或者使用 IPsec 進行端到端加密。雖然通用路由封裝 (GRE) 可能是網(wǎng)絡層協(xié)議，但如果負載的封裝只在端點處進行，GRE 則更接近于傳輸協(xié)議，它使用 IP 頭，但包含完整的第 2 層幀或第 3 層包，以傳遞到端點。L2TP 將 PPP 幀封裝在傳輸段中。

盡管沒有根據(jù) OSI 參考模型開發(fā)，也不嚴格符合 OSI 對傳輸層的定義，但在 Internet 協(xié)議套件中的傳輸控制協(xié)議 (TCP) 和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 (UDP) 通常被歸類為 OSI 中的第 4 層協(xié)議。傳輸層安全 (TLS) 也不嚴格符合該模型。它包含傳輸層和表示層的特征。

第五層：會話層：

會話層在兩個或多個計算機之間創(chuàng)建、控制連接并結束連接，稱為“會話”。由于 DNS 和其他名稱解析協(xié)議在此部分進行操作，因此會話層的常見功能包括用戶登錄（建立）、名稱查找（管理）和用戶注銷（終止）功能。包括此問題，身份驗證協(xié)議也內置于大多數(shù)客戶端軟件中，例如 Microsoft 網(wǎng)絡的 FTP 客戶端和 NFS 客戶端。因此，會話層在本地應用程序和遠程應用程序之間建立、管理和終止連接。會話層還提供全雙工、半雙工或單工操作，并建立檢查點、掛起、重新啟動和終止兩個相關數(shù)據(jù)流之間會話的程序，例如網(wǎng)絡會議應用程序中的音頻流和視頻流。因此，會話層通常在使用遠程過程調用的應用程序環(huán)境中顯式實現(xiàn)。

第六層：表示層：

表示層在封裝傳出消息時將數(shù)據(jù)格式化和翻譯成應用程序層指定的格式，并在向上傳遞協(xié)議棧時對傳入消息進行解封裝時可能會反轉。正是出于這個原因，在封裝過程中，傳出消息會轉換為應用程序層指定的格式，而在解封裝過程中，傳入消息的轉換會反轉。

表示層處理協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)解密、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)解壓縮、操作系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)表示不兼容以及圖形命令。表示層將數(shù)據(jù)轉換為應用程序層接受的形式，以通過網(wǎng)絡發(fā)送。由于表示層將數(shù)據(jù)和圖形轉換為應用程序層的顯示格式，因此表示層有時稱為語法層。出于這個原因，表示層通過抽象語法表示一 (ASN.1) 的基本編碼規(guī)則來協(xié)商語法結構的傳輸，具有諸如將 EBCDIC 編碼的文本文件轉換為 ASCII 編碼的文件或對象序列化以及其他數(shù)據(jù)結構與 XML 之間的轉換等功能。

第七層：應用程序層

應用程序層是 OSI 模型中與最終用戶最接近的層，這意味著 OSI 應用程序層和用戶都直接與軟件應用程序交互，該應用程序實現(xiàn)了客戶端和服務器之間通信的組件，例如文件資源管理器和 Microsoft Word。此類應用程序程序除非通過通信功能直接集成到應用程序層，否則不在 OSI 模型的范圍內，例如網(wǎng)絡瀏覽器和電子郵件程序。其他軟件示例包括用于文件和打印機共享的 Microsoft 網(wǎng)絡軟件和用于訪問共享文件資源的 Unix/Linux 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)客戶端。

應用程序層功能通常包括通過應用程序層最常見的協(xié)議（稱為 HTTP、FTP、SMB/CIFS、TFTP 和 SMTP）來進行文件共享、消息處理和數(shù)據(jù)庫訪問。在識別通信伙伴時，應用程序層會確定具有要傳輸數(shù)據(jù)的應用程序的通信伙伴的身份和可用性。應用程序層最重要的區(qū)別是應用程序實體和應用程序之間的區(qū)別。例如，預訂網(wǎng)站可能有兩個應用程序實體：一個使用 HTTP 與用戶通信，另一個用于遠程數(shù)據(jù)庫協(xié)議來記錄預訂。這兩個協(xié)議都沒有與預訂有任何關系。該邏輯位于應用程序本身中。應用程序層無法確定網(wǎng)絡中的資源可用性。

OSI七層模型簡寫

七層模型優(yōu)點：

把復雜的網(wǎng)絡劃分成為更容易管理的層（將整個龐大而復雜的問題劃分為若干個容易處理的小問題）。

沒有一個廠家能完整的提供整套解決方案和所有的設備，協(xié)議，獨立完成各自該做的任務，互不影響，分工明確，上層不關心下層具體細節(jié)，分層同樣有益于網(wǎng)絡排錯。

汽車以太網(wǎng)是汽車網(wǎng)絡的未來。它是一種高性能、可靠且具有成本效益的技術，非常適合現(xiàn)代汽車的需求。隨著汽車行業(yè)繼續(xù)發(fā)展 ADAS 和 AV，汽車以太網(wǎng)將發(fā)揮越來越重要的作用。

隨著連接性的增強，網(wǎng)絡安全將成為一個至關重要的設計考慮因素。與 CAN 相比，汽車以太網(wǎng)安全性是復雜的，需要專業(yè)知識和專用的集中管理。

隨著汽車電子化、智能化的發(fā)展，汽車網(wǎng)絡化程度不斷提高，汽車內部的通信需求也越來越多。OSI 模型可以為汽車網(wǎng)絡提供一個統(tǒng)一的框架，幫助汽車制造商和供應商設計和開發(fā)汽車網(wǎng)絡。汽車網(wǎng)絡的安全性越來越受到關注。OSI 模型可以為汽車網(wǎng)絡提供安全保障，例如通過身份認證、授權、加密等手段來保護汽車網(wǎng)絡免受攻擊。自動駕駛對汽車網(wǎng)絡提出了更高的要求：OSI 模型可以為自動駕駛提供一個可靠的通信基礎，例如通過 QoS 保障（Quality of Service）來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量。

具體來說，在汽車網(wǎng)絡化方面，OSI 模型可以應用于以下幾個場景：

車內網(wǎng)絡用于連接汽車內部的各個電子設備，例如車載信息娛樂系統(tǒng)、車載導航系統(tǒng)、車載安全系統(tǒng)等。OSI 模型可以為車內網(wǎng)絡提供一個統(tǒng)一的通信協(xié)議，幫助汽車制造商和供應商簡化車內網(wǎng)絡的設計和開發(fā)。

車聯(lián)網(wǎng)用于連接汽車和外部網(wǎng)絡，例如道路基礎設施、云計算等。OSI 模型可以為車聯(lián)網(wǎng)提供一個統(tǒng)一的通信框架，幫助汽車制造商和供應商構建安全可靠的車聯(lián)網(wǎng)。

在汽車安全方面，OSI 模型可以應用于以下幾個場景：

身份認證：OSI 模型可以使用身份認證協(xié)議來驗證汽車網(wǎng)絡中的各個設備的身份，防止未經(jīng)授權的設備訪問汽車網(wǎng)絡。

授權：OSI 模型可以使用授權協(xié)議來控制汽車網(wǎng)絡中的各個設備的訪問權限，防止未經(jīng)授權的設備訪問敏感數(shù)據(jù)。

加密：OSI 模型可以使用加密協(xié)議來保護汽車網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。

在自動駕駛方面，OSI 模型可以應用于以下幾個場景：

車輛通信：OSI 模型可以用于車輛之間的通信，例如車輛與車輛之間的通信 (V2V)、車輛與基礎設施之間的通信 (V2I)。

車輛感知：OSI 模型可以用于車輛感知系統(tǒng)之間的通信，例如雷達、攝像頭、激光雷達之間的通信。

車輛控制：OSI 模型可以用于車輛控制系統(tǒng)之間的通信，例如動力系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)之間的通信。

總體而言，基于OSI 模型開發(fā)的車載以太網(wǎng)在汽車方面的應用越來越廣泛，將在未來汽車的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

審核編輯：湯梓紅