? ?技術(shù)簡介

1.1名詞解釋

車載以太網(wǎng)是一種連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，在單對非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn) 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時滿足汽車行業(yè)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時性等方面的要求。 ?

1.2基本技術(shù)原理

車載以太網(wǎng)技術(shù)是在我們消費(fèi)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)上發(fā)展過來的，是在物理層進(jìn)行了優(yōu)化以適應(yīng)汽車電子要求的一種技術(shù)。 我們常用的以太網(wǎng)和車載以太網(wǎng)主要是在物理層不同，基本架構(gòu)依然是MAC+PHY芯片+傳輸鏈路。主要有100M和1G兩種標(biāo)準(zhǔn)。對于100M車載以太網(wǎng)在PHY層主要有兩個規(guī)范：BroadR-Reach和100Base-T1，兩者都是明確為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的，并且它們之間有很多重疊。而1000Base-T1這是千兆車載以太網(wǎng)的物理層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 100Base-T1最顯著的特點(diǎn)就是使用單對差分線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從成本上來說降低了線束的成本和重量。

? 1.3車載以太網(wǎng)總線

以太網(wǎng)讓連接更容易

以太網(wǎng)技術(shù)在生活中的應(yīng)用隨處可見，日常電腦上網(wǎng)，或者手機(jī)上網(wǎng)都與以太網(wǎng)密不可分。現(xiàn)在汽車中的5G車聯(lián)網(wǎng)、V2X，以及后面汽車的智能化應(yīng)用這些都跟以太網(wǎng)技術(shù)密不可分。 車載以太網(wǎng)最大優(yōu)勢：帶寬高，成熟度高

車載以太網(wǎng)的普及主要依賴于以太網(wǎng)的兩個優(yōu)勢：帶寬高和成熟度比較高。車載以太網(wǎng)帶寬目前有100M或者1000M，甚至隨著技術(shù)的發(fā)展后面可以達(dá)到2.5G、5G、10G的帶寬。目前工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)可以達(dá)到100G的帶寬，從工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用到車載以太網(wǎng)應(yīng)用主要解決汽車上EMC的問題，不需要做單獨(dú)的驗(yàn)證或者技術(shù)難題攻關(guān)，相當(dāng)于可以直接拿來應(yīng)用，這對車載以太網(wǎng)的發(fā)展是非常有利的，所以說車載以太網(wǎng)的成熟度比較高，這也是車載以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用的重要原因。 汽車技術(shù)的發(fā)展對以太網(wǎng)需求明顯提高： 1）隨著高算力，多功能，中央化智能ECU出現(xiàn)，刷寫速率以及迭代速度要快； 2）高階智能駕駛，針對時延以及帶寬，提出了更高的要求； 3）新能源換電，針對換電站的WIFI需求，無線靈活化； 4）智能車聯(lián)網(wǎng)，極致的座艙享受，消費(fèi)&汽車一體化 降本增效，使用以太網(wǎng)AVB/TSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻傳輸，節(jié)省LVDS專用線束成本。

? 1.3常見以太網(wǎng)線束分類

一對雙絞線

兩對雙絞線 OBD對外通信通常使用的是3、11、12、13 這四個引腳，外加一個引腳8做DOIP激活，在這里面，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?、11、12、13，這四個引腳用了兩對雙絞線，這四根線跟外部網(wǎng)線中四根進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)跟診斷儀或PCG進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 四對雙絞線（線序分T568A和T568B） 上圖是常見的網(wǎng)線，網(wǎng)線的采用四對雙絞線，一般一百兆網(wǎng)絡(luò)的話會用到里面1，2, 3,6四根。OBD口的四個引腳要跟網(wǎng)線里某四根線進(jìn)行一一匹配才能進(jìn)行車外通信。 02

技術(shù)細(xì)節(jié)

本文就介紹以相對主流的100Base-T1進(jìn)行介紹。 ?

2.1 基本結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)分為MAC、PHY個MDI三部分。

? 2.2PHY功能 PHY 芯片很多廠家都有，按照一貫的風(fēng)格，我們還是以資料開放度比較高的TI生產(chǎn)DP83TC811R-Q1 的為例進(jìn)行介紹。下圖是DP83TC811R-Q1數(shù)據(jù)手冊中給出的一個簡單的原理圖

2.2.1編碼技術(shù) 100BASE-T1采用獨(dú)特的4bit至3bit（4B3B），3bit至2三進(jìn)制對（3B2T）和三級脈沖幅度調(diào)制（threelevel pulse amplitude modulation,PAM3）編碼方案。這一塊有點(diǎn)復(fù)雜，不像人話，我們來細(xì)述一番。 假設(shè)我們使用的是MII接口，通信速率是100Mb，數(shù)據(jù)寬度是4bit,速率是25M。為了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY從MII接口收到數(shù)據(jù)后，會首先進(jìn)行一個4B3B的轉(zhuǎn)換，并將時鐘頻率提高到33.33333MHz，以保持100 Mbps的位速率。 之后PHY要再進(jìn)行3B2T的操作，將每次接收到的3個bit轉(zhuǎn)化為2個三進(jìn)制電平值（取值范圍是-1，0，1），具體的對應(yīng)關(guān)系如上圖中的表所示。3個bit有8種組合（即2的三次方），兩個電平值有9種組成（即3的平方），所以后者可以覆蓋前者。此時時鐘周期仍然是33.333M，但是每個時鐘周期中的兩個電平就能夠表示3個 bit了，所以此時的數(shù)據(jù)速率仍然是100Mbit/s，每個電平實(shí)際上包含了1.5bit信息。3B2T的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下表

最后一步是PAM3，將邏輯的-1，0，1轉(zhuǎn)化為在雙絞線上的電壓，所以，最終在總線上信號的波特率是66.666MHz，但是它實(shí)現(xiàn)了100Mbit/s的通信速率。 下圖是數(shù)據(jù)從MII接口到雙絞線電平的轉(zhuǎn)換過程。

為了更加直觀地理解三電平信號，下面給出在IDEL模式下端口上的信號波形。

2.2.2 回聲消除技術(shù) 10BASE-T和100BASE-TX有兩對信號線，分別進(jìn)行收和發(fā)，但是100BASE-T1是也是物理全雙工接口，卻允許在同一對上進(jìn)行發(fā)送和接收。這個物理全雙工通過疊加原理完成，100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能，并使用回聲消除功能來消除其自身的發(fā)送信號并從鏈路伙伴中提取接收到的信息。為了做到這一點(diǎn)，一個PHY專門用作主機(jī)，另一個作為從機(jī)。當(dāng)兩個100BASE-T1 PHY連接時，它們會經(jīng)過訓(xùn)練過程，從而使被測設(shè)備（DUT）和鏈路伙伴以相同的頻率以相同的相位傳輸信息。下圖說明了每個PHY內(nèi)的混合和回聲消除的簡化框圖。

最后我們再給出DP83TC811R-Q1 的完整功能框圖加深理解。

? 2.3Medium Dependent Interface (MDI) 兩個PHY芯片之間的連接叫媒體專用接口(MDI),它包括靜電防護(hù)、共模干擾抑制、直流隔離、車載接頭和雙絞線幾個部分。 2.3.1共模噪聲抑制 共模扼流圈（CMC）過濾MDI上的共模噪聲。盡可能降低共模噪聲非常重要，因?yàn)樗鼤蓴_PHY的接收器。另外，由于共模噪聲是單端輻射源，因此會導(dǎo)致較高的輻射發(fā)射。 下圖列出了CMC必須與100BASE-T1 PHY一起使用的要求。

2.3.2直流隔離 100BASE-TX的DC隔離通常使用變壓器，其中心抽頭（在PHY側(cè)）連接到取決于PHY的DC電壓。 100BASE-T1僅使用兩個電容器，與帶有變壓器的應(yīng)用相比，這兩個電容器提供了直流隔離并減小了解決方案的尺寸。 2.3.3絞線 對于初期的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的傳輸介質(zhì)是同軸電纜，同軸電纜使用了電磁屏蔽原理，即在線纜的內(nèi)外兩芯之間以及外芯和線皮分別納入一層鋁制的屏蔽網(wǎng)，從而屏蔽干擾信號，事實(shí)證明這種屏蔽效果更好，然而也更昂貴。 雙絞線利用自身的特性有效降低了環(huán)路的面積，可以有效抵抗外接干擾，并且可以利用差分線的特點(diǎn)有效降低對外輻射。車載系統(tǒng)受到空間、成本和重量的限制，最終還是選擇了雙絞線，100BASE-T1要求雙絞線阻抗為100歐姆，線束長度限制為15m，實(shí)際應(yīng)用建議不要超過10m。 ? 2.4 POE POE，即Power Over Ethernet，是一種使用以太網(wǎng)接口直接進(jìn)行供電的技術(shù)，可以有效減少線束成本的方案。目前看到該技術(shù)只在千兆車載以太網(wǎng)上應(yīng)用。這里留坑先。 ? 2.4技術(shù)優(yōu)勢說明 車載以太網(wǎng)使用回聲消除技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單對雙絞線進(jìn)行百兆數(shù)據(jù)流傳輸，降低線束成本和重量。使用雙絞線、三電平技術(shù)有效降低對外輻射，使用電容進(jìn)行直流隔離，降低PCA成本和PCB面積。 03

車載以太網(wǎng)協(xié)議分析

3.1 以太網(wǎng)經(jīng)典OSI(Open System Interconnect)七層模型 由ISO組織發(fā)布

以太網(wǎng)經(jīng)典OSI七層模型以及對應(yīng)的解釋見上圖，同時列出了TCP/IP五層模型進(jìn)行對比，對比來看，OSI和TCP/IP本質(zhì)描述的都是同一個東西，只不過OSI將TCP/IP最上方的應(yīng)用層詳細(xì)的分解成三層，做了詳細(xì)的功能描述，這樣方便加深理解。但是在實(shí)際學(xué)習(xí)和實(shí)施中，更多的是按照TCP/IP的五層模型進(jìn)行。

OSI模型協(xié)議分布 ? 3.2 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)見上圖，我們能夠抓到的以太網(wǎng)報(bào)文幀從目標(biāo)MAC地址開始到IP數(shù)據(jù)報(bào)，前面的前導(dǎo)碼和幀開始符再被抓包前就已經(jīng)被解析掉了，幀跟幀之間存在幀間距。 因此以太網(wǎng)幀由目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、幀類型以及IP數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成，其中IP數(shù)據(jù)報(bào)有一個規(guī)定的長度，從46字節(jié)到1500個字節(jié)，因此以太網(wǎng)存在最大幀和最小幀： 1）以太網(wǎng)最大幀： 6+6+2+1500+4=1518字節(jié) 2）以太網(wǎng)最小幀 6+6+2+46+4=64字節(jié) ? 3.3 IP及子網(wǎng)掩碼：子網(wǎng)掩碼不能單獨(dú)存在，它必須結(jié)合IP地址 一起使用

1）子網(wǎng)掩碼作用：就是將某個IP地址劃分成網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址兩部分 2）例如192.168.1.1/24或者192.168.1.1，255.255.255.0，則主機(jī)數(shù)2^8-2=254 以太網(wǎng)路由示例：

以PC訪問百度（www.baidu.com）為例，對于PC來說，它壓根不知道也關(guān)心www.baidu.com 是在北京還是深圳，它只需要根據(jù)它的缺省網(wǎng)關(guān)去做路由，知道把IP往哪里送即可，就好比我們寄快遞到北京，快遞員從這個片區(qū)收件后，他不需要知道去具體北京的路線， 他只需要把物件送到下一個匯聚點(diǎn)就可以，就像接力一樣。這就是以太網(wǎng)通信的概念，因此，在進(jìn)行以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)時，需要考慮把信息發(fā)送給誰。 電腦獲取網(wǎng)卡IP信息

? 3.4 以太網(wǎng)DOIP協(xié)議

上圖為抓取的一個DOIP報(bào)文，這里注意一下，圖中的幀不包括前導(dǎo)碼、幀起始符、CRC校檢部分，這些已經(jīng)被剝離掉，特別是CRC校驗(yàn)，如果這個幀能被抓取到，那么意味著CRC校驗(yàn)一定是通過的。 圖中整個DOIP報(bào)文一共有69個字節(jié)，分別是： 14字節(jié)數(shù)據(jù)標(biāo)層，包含6個字節(jié)的源MAC，6個字節(jié)的目的MAC，2個字節(jié)的幀類型，然后是IPV4，一般缺省是20字節(jié)，在某些情況下會額外有一些option字段，這樣可能就不止20字節(jié)，這種情況用的比較少，可以僅做了解， 再往下是TCP，同樣缺省是20字節(jié)，在極少數(shù)的情況下會額外有一些option字節(jié) DOIP協(xié)議有8個字節(jié)的header，注意一下header中不包含邏輯地址。 以上就是DOIP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu) ?

3.5 以太網(wǎng)SOMEIP協(xié)議

SOMEIP協(xié)議幀結(jié)構(gòu)見上圖，SOMEIP就是我們常說的SOA用的協(xié)議一種。SOMEIP幀結(jié)構(gòu)跟DOIP幀結(jié)構(gòu)類似，前面的部分基本差不多，SOMEIP報(bào)文頭部有16個字節(jié)，包含Service ID，Method ID，長度等。不同的SOMEIP一個請求或者消息，它的payload需要不同的解析，因?yàn)椴煌琌EM的payload定義是不一樣的，可能需要額外做一些插件進(jìn)行解析。

編輯：黃飛

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