车载以太网技术概述
来源：汽车电子与软件
2023-10-13
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目前车内总线类型繁多，汽车厂商需要使用多种总线技术用于车内网络：如经常用到的 CAN, LIN, FlexRay；用于新型娱乐的 MOST；用于传输音频的 A2B；用于传输视频的 LVDS；以及本期主要分享的 Ethernet......如此多的总线造成车辆线缆总长度过长/总重量过重/装配成本过高等问题。
多数厂商希望将汽车总线技术压缩到 2-4 种，图1列出了车内总线技术，其中纵轴表示总线的带宽。图中红色的五角星表示以太网！从图中可以看出，以太网的带宽从 10Mbps 到 10Gbps 都有分布，所以应用场景也比较广泛，除此之外以太网本身在时延/可扩展性/安全性等方面的巨大优势，成为当前的研究热点。传统行业的以太网带宽已经可以高达 400Gbps，而且还在往 Tbps 研究发展。汽车以太网的带宽也已经覆盖 10Mbps 到 10Gbps 的范围，引入车内后可以满足信息娱乐/自动驾驶/5G/法规等越来越复杂的车辆需求。
另外，以太网提供可扩展的更低/更高带宽，在使用更低/更高带宽时，只需要选择相应带宽的物理层芯片，上层的协议和软件不需要随着带宽的变化而更改。进而实现了上层软件、协议与芯片的解耦！传统以太网在设计之初是作为”尽力交付“（Best-effort）网络被提出，并未考虑网络时延等可靠性问题，而汽车和工业等网络对时延有着十分严格的要求。于是，AVB/TSN 技术被提出，用于提供有保障的以太网网络服务质量，使能新应用。
AVB/TSN 提供了几个方向的可靠性保障，网络时延是其中之一，通过对流量整形/调度/抢占机制保证有界的低时延。除了时延，AVB/TSN 还包括同步、可靠性冗余机制以及时钟的冗余，当然还有一些资源管理方面的定义等都属于 AVB/TSN 的内容，在后续的系列分享中，我们也会为大家进行分享。以太网提供了非常灵活的拓扑可扩展性，方便物理节点的增减。可以根据需要搭建星型/环形/树形/分布式冗余拓扑。在星型网络中，中间只需有个交换机，当交换机的端口足够多时，就可以任意的添加物理节点，其他节点不需要做更改。当然，也可以组成环形拓扑或者树形拓扑。树形拓扑有点类似于传统 EEA 架构中的Domain 架构，这取决于网络如何配置，可以有主干网，主干网下还可以有子网。也可以组分布式网络拓扑，比如在 EEA 发展后期的 Zonal 架构中，除了组成环形拓扑外，还需要有一些冗余的备份、链路等，都可能用到分布式网络拓扑，它的物理可扩展性是非常灵活的。以太网的可扩展性除了表现在物理拓扑上，还体现在它的兼容性上。它使用开放公开的标准，使汽车网络与世界其它网络一致，这也是为什么汽车以太网的引入促进了FOTA/V2X 的发展。汽车作为以太网生态系统的一部分，进行万物互联。汽车将作为一个互联因子，在万物互联中扮演一定的角色！传统以太网经历了几十年的应用和发展，在这个过程中遭遇过不同种类的威胁和攻击，为了应对这些威胁和攻击，以太网上已经有成熟的信息安全解决方案。下图显示了以太网信息安全技术。从上图中，我们可以看到，在以太网的每一层都可以添加防火墙！应用层也可以添加防火墙！传输层可以添加 UDP 防火墙以及与状态相关的 TCP/IP 防火墙！在网络层和下层也可以添加防火墙。通过添加防火墙可以进行一定的过滤！除此之外还有一些认证加密的机制，比如传输层的 TLS 协议。通过 TLS，可以对基于 TCP/IP 的节点进行认证，对报文进行加密，还可以做一些签名等。
类似的，在网络层还有 IPSec 协议，同样也可以做认证、加密、解密等。
再下层，在数据链路层也有 MACsec 这样的机制，对报文进行加密、解密等。
除了上述提到的各个层级的防火墙，认证/签名/加密机制外，还可以使用最基础的VLAN 技术。VLAN 技术可以简单理解为虚拟的局域网。通过 VLAN 技术可以将物理上连接的关系进行虚拟化的划分。除此之外还有一些其他的技术，如深度包检测，即 DPI。可以对每个包长度，包头每个字段的内容进行检测，可以做一些过滤机制等。这些都取决于如何设置！还有上图中的 Ingress Filters，可以在每个交换机的入端口或者每个节点的入端口配置一些机制，可以对报文进行一些过滤的操作。过滤后的报文如何操作，取决于如何设置。还有一些可能在智能充电的时候用到的协议 ISO15118 等。从上述我们可以看到以太网在应用的过程中有很多安全（security）解决方案，应对不同的威胁和攻击，在具体的使用过程中，可以根据具体的使用场景选择不同的安全（security）解决方案。并不是所有的协议都用得到！可以先评估车内的威胁和攻击有哪些，再去选择相应的解决方案，这是一个相互博弈的过程。汽车以太网促进了汽车EE架构从网关架构到 Domain 架构再到 Zonal 架构的发展。当前，很多主机厂都在使用 Domain 架构。在 Domain 架构中，通过将整车分成几个域，再通过将以太网作为主干网将几个域连接起来。
还有最近比较热门的 Zonal 架构，这种架构的核心是有一个中央计算单元。在Zonal 架构下，更多的是使用 SOA 的设计。以太网的发展也促进了应用从传统的基于信号的设计到面向服务的 SOA 设计。SOA 设计的好处之一在于，更方便后期的迭代开发！另外，以太网还支持 PoDL（Power over Data Line）技术，可以消除电源线。相比 LVDS 高速总线，基于一对双绞线的汽车以太网降低了车辆的重量。了解了以太网的一些特性后，接下来看看以太网到底是什么。以太网最初是由 Xerox 公司开发的一种基带局域网技术，被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波侦听多路访问和冲突检测(CSMA/CD)机制，数据传输速率达到 10Mbps。下图是描述以太网的原始术语，由以太网发明人 RobertM. Metcalfe 手绘，用于向1976 的美国计算机会议展示以太网。汽车以太网的开始是源于刷写时间要求，当时 BMW 需要将 1GB 的数据在 15min 中刷完，使用 CAN 总线大概需要 16h，而使用快速以太网 100BASE-TX 可以达到目标。于是 BMW 在 2008 年将 100BASE-TX 应用到 OBD 口。也就有了我们现在常听到的 DoIP！而 100BASE-TX 是基于两对双绞线的以太网，CAN 等传统总线技术是基于一对双绞线，100BASE-TX 以太网相对于 CAN 来说，在总线上是没有优势的！因此，BMW 通过与 Broadcom 等公司合作，发明了基于一对双绞线的 BroadR-Reach 汽车以太网，这也就是后来被 IEEE 规范化的 100BASE-T1 的以太网技术！BMW 也在 2012 年将该技术应用到了车内。其他厂商也纷纷加入到这个方向，陆续应用到车内。
当然，现在大多数厂商除了 100BASE-T1 以外，也已经使用了 1000BASE-T1。现在可能 1Gbps 也都无法解决带宽需求！接下来我们来看一下汽车以太网标准！
在了解汽车以太网标准之前，我们先来看一下 IEEE 802 标准，因为与以太网相关的很多标准都是在 IEEE 802 里面进行定义的。如图 9 所示为 IEEE 802 的典型结构。
上图中，IEEE 802.1 主要是关于 Bridge、VLAN 以及 AVB/TSN 等的定义。
还有蓝牙等，也都是在 IEEE 802 协议里面定义的。接下来我们看一下汽车以太网有哪些技术！行业上有多个组织在制定汽车以太网的标准：OPEN 联盟主要制定物理层和数据链路层的标准和测试标准，如 100BASE-T1，100BASE-T1 最开始是上文我们提到的 BroadR-Reach 协议，后来被 IEEE 标准化后成为了 100BASE-T1！现在也有 1000BASE-T1 的协议。此之外还有 TC8 测试协议，以及与休眠唤醒相关的 TC10 也是在 OPEN 联盟里面定义的。AUTOSAR 对 TCP/IP 协议栈进行了一些定义和测试标准，另外制定了 SOME/IP，SOME/IP-SD，和 UDPNM 等协议。IEEE 组织主要定义汽车以太网的物理层标准和数据链路层标准，ISO 定义了 DoIP 和汽车以太网的标准化，IETF 任务组定义了最初的 TCP/IP 协议族和一些性能测试标准。经过多个标准组织的共同努力，汽车以太网形成一套严格分层的完整协议栈。如下图所示，严格意义上的汽车以太网主要是指汽车特有的以太网技术，包括物理层的100BASE-T1/1000BASE-T1 等，应用层的 DoIP/SOMEIP 等。物理层以及 5-7 层也是汽车以太网与传统以太网主要的不同之处。
在应用的过程中，根据不同的应用场景，选择不同的协议(集)。一开始也提到了以太网是"尽力交付"到"可靠性交付"，而汽车以太网主要是通过AVB/TSN 定义的同步、资源管理、预留、QoS、冗余等机制来保障的可靠性要求的。需要注意的是，上图中 802.1x 严格意义上不属于 AVB 的协议。当我们使用AVB/TSN 的时候，需要具体看一下到底使用了哪几种技术。不是所有的技术都是需要的，需要根据具体的应用场景来选择所需要的机制等。
最后，我们来看一下汽车以太网技术面临的问题、挑战和解决方案。汽车以太网在应用的过程中并不是完美契合汽车领域的，还存在着一些问题，这也是我们今后可能都要遇到的问题，需要持续的研究，共同去解决。
