隨著汽車電子化和智能化程度不斷提高，車載網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代汽車一個重要的組成部分。相較于傳統(tǒng)總線通信方式，車載以太網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸能力和更強(qiáng)的擴(kuò)展性，能提供高帶寬、低延遲和穩(wěn)定可靠的通信，滿足現(xiàn)代汽車對數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)集成需求。

車載以太網(wǎng)采用點對點的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一根通信線纜之鏈接兩個節(jié)點，節(jié)點間通過交換機(jī)通信。本文將介紹車載以太網(wǎng)交換機(jī)的主要功能及其測試方法。

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什么是車載以太網(wǎng)交換機(jī)

車載以太網(wǎng)的通信架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)參考傳統(tǒng)以太網(wǎng)，采用點對點的通信方式，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點超過兩個時需要使用交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，所有節(jié)點可以接到同一個交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑?strong>星型結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模超過了單個交換機(jī)可處理的規(guī)模時，多個交換機(jī)相連，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑?strong>樹形結(jié)構(gòu)。車載以太網(wǎng)參考五層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)（基于OSI七層參考模型），從底層往上層依次為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。 ? 以太網(wǎng)交換機(jī)工作在五層協(xié)議體系的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層，主要負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對物理媒介的訪問。此外，作為網(wǎng)絡(luò)層和物理層的中間層，數(shù)據(jù)鏈路層還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)封裝和解封裝（在發(fā)送時將網(wǎng)絡(luò)層傳遞下來的IP數(shù)據(jù)報封裝成幀后發(fā)送到物理層，在接收時將接收到的幀中的IP數(shù)據(jù)報取出來交付給網(wǎng)絡(luò)層）和差錯校驗等。? 星型網(wǎng)絡(luò) ?

樹型網(wǎng)絡(luò) ? 車載以太網(wǎng)交換機(jī)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)類似，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點超過兩個的場景下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)功能。轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的正確性以及數(shù)據(jù)處理的及時性決定了交換機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的性能。 ? 關(guān)于交換機(jī)的測試也一般圍繞轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)功能開展，車載以太網(wǎng)交換機(jī)的測試一般分為功能測試和性能測試。功能測試參考OPEN聯(lián)盟發(fā)布的TC 8規(guī)范之一《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 2》（以下簡稱TC 8）和廠家自定義規(guī)范，測試交換機(jī)的VLAN、鏡像、地址學(xué)習(xí)、幀過濾等功能是否符合相應(yīng)的規(guī)范要求。性能測試參考IETF發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備和局域網(wǎng)交換設(shè)備的基準(zhǔn)測試方法--RFC 2544和RFC 2889，通過測量交換機(jī)的吞吐量、時延、丟幀率、連續(xù)幀和地址學(xué)習(xí)速率等，以評估其是否滿足基準(zhǔn)。 ?

車載以太網(wǎng)交換機(jī)的功能測試

轉(zhuǎn)發(fā)功能是以太網(wǎng)交換機(jī)最主要的功能，交換機(jī)可以根據(jù)以太網(wǎng)幀的目的MAC地址將以太網(wǎng)幀從一個接口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個接口，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)。 除了轉(zhuǎn)發(fā)功能，以太網(wǎng)交換機(jī)還具備MAC地址學(xué)習(xí)、VLAN、端口鏡像、訪問控制列表、擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)流量管理和廣播抑制等功能。TC 8中提供了VLAN、地址學(xué)習(xí)、接收幀過濾、時鐘同步和QoS等常見的車載以太網(wǎng)交換機(jī)的基礎(chǔ)功能的測試用例。 ?

VLAN即虛擬局域網(wǎng)，通過VLAN技術(shù)可以在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)將物理上連接在一起的局域網(wǎng)劃分為多個不能直接通信的虛擬局域網(wǎng)。VLAN的劃分限制了廣播報文的傳輸范圍，只在需要該報文的VLAN中傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)中冗余的廣播報文，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和健壯性。VLAN的劃分通過在以太網(wǎng)幀的源地址（SA，Source Address）后增加VLAN Tag實現(xiàn)。VLAN Tag由標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識符（TPID，Tag Protocol Identifier）和標(biāo)簽控制信息（TCI，Tag Control Information）構(gòu)成。IEEE 802.1Q中規(guī)定TPID為0x8100表示該以太網(wǎng)幀為VLAN幀，TPID為0x88a8表示該幀為服務(wù)VLAN幀。TCI由PCP（Priority Code Point）、DEI（Drop Eligible Indicator）和VID（VLAN ID）構(gòu)成。PCP表示VLAN的優(yōu)先級，取值從0到7，數(shù)值越高，傳輸?shù)膬?yōu)先級越高。DEI與PCP共同決定VLAN的優(yōu)先級。VID為VLAN的編號，不同VLAN使用VID進(jìn)行區(qū)分。TC8中VLAN相關(guān)的測試用例一共有21條，分別使用無VLAN標(biāo)簽、單VLAN標(biāo)簽和雙VLAN標(biāo)簽的普通數(shù)據(jù)幀、ICMP請求幀和ARP請求幀測試交換機(jī)能否在多種場景下，根據(jù)需求規(guī)范正常轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄幀。 ?

以太網(wǎng)VLAN幀 ? 地址學(xué)習(xí)即MAC地址學(xué)習(xí)。交換機(jī)內(nèi)部會維護(hù)一張MAC地址列表，列表由MAC地址和交換機(jī)的端口號組成。每收到一個幀，如果該幀的源MAC地址不在交換機(jī)的MAC地址列表中，則交換機(jī)將會MAC地址及接收該幀的端口號更新到列表中。除了主動學(xué)習(xí)，用戶也可以手動更新MAC地址列表。TC8中地址學(xué)習(xí)相關(guān)的測試用例一共有21條，在多種場景下測試交換機(jī)是否可以正常學(xué)習(xí)、使用、導(dǎo)出、刪除MAC地址。 ?

接收幀過濾指交換機(jī)根據(jù)特定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄具有某種特點的幀。在輸入交換機(jī)的數(shù)據(jù)速率超過交換機(jī)的最大處理速率時，能主動限制接收數(shù)據(jù)速率并上報。 ? TC 8中對于時間同步的測試比較少，僅僅對主時鐘信號是否會被數(shù)據(jù)幀干擾導(dǎo)致失真進(jìn)行測試。 ?

QoS即服務(wù)質(zhì)量，將不同數(shù)據(jù)根據(jù)重要程度劃分優(yōu)先級，并優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，保證重要數(shù)據(jù)能優(yōu)先獲取網(wǎng)絡(luò)傳輸資源。TC 8中對嚴(yán)格優(yōu)先級（Strict Priority，SP）、加權(quán)輪詢（Weighted Round Robin，WRR）和基于速率的流量整形進(jìn)行測試。可根據(jù)交換機(jī)各端口對不同調(diào)度算法的支持情況選擇測試用例。 ?

車載以太網(wǎng)交換機(jī)的性能測試

RFC 2544中定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基準(zhǔn)的測試方法和測試要求，與車載以太網(wǎng)交換機(jī)相關(guān)的測試有吞吐量、時延、幀丟失率和連續(xù)幀。RFC2889中定義了局域網(wǎng)交換機(jī)的測試方法和測試要求，與車載以太網(wǎng)交換機(jī)相關(guān)的測試有擁塞控制、前向壓力與最大轉(zhuǎn)發(fā)速率、地址緩存容量、地址學(xué)習(xí)速率、錯誤幀過濾、廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)與廣播幀處理時延。 ?

吞吐量測試測量在沒有幀丟失的前提下，交換機(jī)的最大轉(zhuǎn)發(fā)速率，即每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)。測試過程以一定的速率向交換機(jī)發(fā)送一定數(shù)量的幀，如果交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的幀數(shù)小于接收的幀數(shù)，說明丟失了部分幀，則降低速率重新測試。依次測試幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518時的吞吐量。 ?

時延測試測量交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)單播幀所需要的處理時長。測試儀向交換機(jī)發(fā)送的單播幀上的時間戳與交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后的幀的時間戳的差值即為交換機(jī)處理該單播幀的時延。依次測試幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518時的時延，每個幀長度下至少測試20次然后取平均值。 ?

幀丟失率測試測量丟失的幀占發(fā)送的總幀數(shù)的百分比。在幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518的場景下，分別以最大速率的100%、90%、80%、...、10%、0%向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后測量交換機(jī)的幀丟失率。 ?

連續(xù)幀測試測量交換機(jī)能連續(xù)處理的最大幀數(shù)量，用于衡量交換機(jī)的數(shù)據(jù)緩存能力。以最小幀間隔持續(xù)向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)出現(xiàn)幀丟失為止。然后測量持續(xù)時間略小于幀丟失持續(xù)的時間且無幀丟失的場景下的最大幀數(shù)量，即連續(xù)幀數(shù)量。依次測試幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518時的連續(xù)幀數(shù)量。 ?

擁塞控制測試交換機(jī)如何應(yīng)對端口數(shù)據(jù)擁塞現(xiàn)象，包括是否具備擁塞管理機(jī)制（抗壓力機(jī)制）以及一個端口的擁塞是否會影響其他端口（首位阻塞）。具備擁塞管理機(jī)制的交換機(jī)檢測到端口接收速率即將超過最大負(fù)載時，會主動要求數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點降低發(fā)送速率。 ?

前向壓力在交換機(jī)過載的情況下測量轉(zhuǎn)發(fā)端口的幀間隔。如果交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的幀間隔小于IEEE 802.3規(guī)定的最小幀間隔（96比特），則前向壓力測試通過。 ?

地址緩存容量與地址學(xué)習(xí)速率是描述交換機(jī)MAC地址學(xué)習(xí)性能的兩個主要參數(shù)。地址緩存容量為交換機(jī)端口能緩存的最大MAC地址數(shù)量，當(dāng)交換機(jī)緩存的地址數(shù)量超過地址緩存容量時，會引發(fā)交換機(jī)內(nèi)部的泛洪。地址學(xué)習(xí)速率為交換機(jī)在不出現(xiàn)泛洪和丟幀的條件下，學(xué)習(xí)MAC地址的最大速度。 ?

錯誤幀過濾測試交換機(jī)是否能正確處理經(jīng)其轉(zhuǎn)發(fā)的錯誤或異常幀，丟棄錯誤幀并對異常幀予以糾正。常見的錯誤類型有幀長過長（無VLAN標(biāo)記的幀大于1518字節(jié)、有VLAN標(biāo)記的幀大于1522字節(jié)）、幀長過短（長度小于64字節(jié)）、CRC錯誤和對齊錯誤等。 ?

廣播幀吞吐量與廣播幀處理時延測試交換機(jī)處理廣播幀的性能。廣播幀吞吐量指在沒有幀丟失的情況下，交換機(jī)正確地接收并轉(zhuǎn)發(fā)廣播幀的最大處理速率。廣播幀處理時延指從交換機(jī)接收廣播幀到成功轉(zhuǎn)發(fā)需要的時長。

審核編輯：黃飛