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2022.11.22广西
以太网作为一种局域网（LAN）技术自1973年发明以来，已经历40多年的发展历程，成为当前应用最为普遍的局域网技术。以太网主要由IEEE802.3工作组负责标准化，以太网从最初支持10Mbit/s的吞吐量开始，经过不断的发展，支持快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1Gbit/s）、万兆以太网（10Gbit/s）及100Gbit/s。同时，为了适应应用的多样化，以太网速率打破了以10倍为一级来提升的惯例，开始支持2.5、5、25及400Gbit/s的速率。以太网技术不仅支持双绞线的铜线传输介质，也支持光纤传输。随着城域以太网论坛（MEF）不断将以太网技术作为交换技术和传输技术广泛应用于城域网建设，以太网已经不仅仅局限于局域网应用，可以更广泛地应用到城域网（MAN）和广域网（WAN）的领域。
在进入汽车领域之前，以太网已经获得了广泛的应用，同时还具有技术成熟、高度标准化、带宽高以及低成本等优势。伴随着汽车电子产品的不断增多，车内电控系统规模和复杂性日益增加，ECU数量也不断攀升。据统计，1996年，欧美典型的车辆上ECU数量为6个，到2009年，欧美高端车的控制器数量已经大于70个。同时，新的功能需求对车载网络提出不同要求，如高带宽、安全性、低成本等，而传统CAN总线已经满足不了日益增加的新需求。
车载以太网是一种用以太网连接车内电子单元的新型局域网技术。与普通的以太网使用4对非屏蔽双绞线（UTP）电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率，同时还应满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。因此可以理解为，车载以太网在民用以太网协议的基础上，改变了物理接口的电气特性，并结合车载网络需求专门定制了一些新标准。针对车载以太网标准，IEEE组织也对IEEE802.1和IEEE802.3标准进行了相应的补充和修订。，IEEE已经完成对100Mbit/s车载以太网技术的标准化，正在对1Gbit/s传输速度的车载以太网进行标准化。
当这些车载以太网新特性没有纳入IEEE之前，有一些商业组织负责和参与了前期的网络规格定义，例如：
AVnuAlliance
OPEN(OnePairEtherNet)Alliance
这个联盟最先提倡在车载上使用Broadcom（博通）公司设计的10/100MbpsBroadR-Reach解决方案。BroadR-Reach技术使用一对差分信号实现10/10/100Mbps数据的双向传输，并且使用了特殊的编码方式，使数据传输的基频变为了66MHz（民用以太网为125MHz），通过这种方式来改善EMI/RF等电气特性，从而满足了车载设备的对于辐射和抗扰规的要的要求。OPENAlliance统合了IC厂商，车厂以及车载设备供应商，在前期定义了车载以太网的物理规格和一些网络协议，形成了最初的10M/100Mbps车载以太网的解决方案。后期IEEE根据BroadR-Reach为基础，命名了IEEE100Base-T1的电气规格。因此，车载以太网接口也常被称作BroadR-Reach接口。
物理层PHY：数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口；
数据链路层MAC：提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。
(1)传统以太网不能满足汽车OEM厂商对于EMI（电磁干扰)和RF(辐射)的要求，民用的100BASE-TX和1000BASE-TX的辐射噪声很难控制，并且承受噪声干扰（抗扰）的能力比较差。
(2)车载系统对于传感器及控制系统的响应速度有非常高的要求，而传统以太网不能保证ms级别（或更小）的传输延迟。
(3)传统以太网没有提供网络带宽分配的方法，因此在不同的数据流同时传输时，无法保证每个数据流所需要的带宽。
(4)传统以太网没有提供网络设备之间进行时钟同步的方法，无法保证多个设备同一时刻针对数据进行同步采样（尤其是音视频数据）。
1.数据带宽需求
汽车上的电子设备变得越来越复杂，各种控制系统以及传感器的使用越来越多，车内的各种处理器和域控制器需要更多的数据交互，这种大量的数据交互对于车内数据传输带宽的要求越来越高。
应用举例：
车联网应用：在万物互联的大趋势下，汽车也慢慢变成了互联网的一部分，很多汽车中都配备了4G/Wi-Fi。通过联网，用户和汽车OEM厂商可以对汽车中的电子设备的软件进行OTA升级，对汽车进行远程诊断和状态监控。同时，车内设备也可以通过互联网获得实时交通信息和娱乐信息，这些数据的交互都需要更高的车内总线带宽。
智能驾驶应用：智能驾驶的实现必须依赖于大量的传感器（例如激光雷达，摄像头），这些传感器数的据的传输和处理也依赖于更高的车内总线带宽。
2.车内布线需求
通常，车内各个电子设备之间都是通过专用的电缆进行连接，这使车内的线缆的布置和连接变得更加复杂，同时也带来了车内线缆成本和重量的成倍增加（车内线束的重量是在整车成本排名第三位，同时成本也仅次于动力总成和底盘排名第三）。博通（Broadcom）和博世（Bosch）通过一起研究和评估，实现了通过使用非屏蔽双绞线（UTP）作为10/10/100Mbps以太网的传输介质，而且可以使用更小的连接器端子，这样可以使得线缆的重量大大减少。并且通过以车载太网的应用，车内的电子设备可以抛弃点对点的传统布线连接，只需要将各个设备连接到车载网关控制器上即可，这样也大大减少了车内布线的复杂度。
传统的车载网络主要有LIN、CAN、FlexRay及MOST：
随着汽车科技化、智能化、网络化的不断发展，汽车ADAS系统、高清车载娱乐系统、车联网系统、云服务及大数据等新兴技术在车辆上的应用，现有车载总线无法满足当前需求，亟需一种高带宽、可开放、可扩展、兼容性强及网络聚合便捷的车载网络，同时满足车载严格法规要求、车载电气环境、高可靠性要求。因此，一种新型车载网络（车载以太网）应运而生。车载以太网是一种连接车内电子单元的新型局域网技术，与普通民用以太网使用4对非屏蔽双绞线电缆不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现100Mbit/s甚至1Gbit/s的数据传输速率，同时满足汽车行业高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。
车载以太网协议是一组多个不同层次上的协议簇，但通常被认为是一个4层协议系统：应用层、传输层、网络层、数据链路层，每一层具有不同的功能。4层结构对应于OSI参考模型，并且提供了各种协议框架下形成的协议簇及高层应用程序，车载以太网及其支持的上层协议的技术架构见下图。
2.1物理层（OABR）
参照OSI模型，车载以太网在物理层，即第1、第2层采用了博通公司的BroadR-Reach技术，BroadR-Reach的物理层（PHY）技术由OPEN（One-pairEthernetAlliance，一对以太网）联盟推动，因此有时也被称为OPEN联盟BroadR-Reach（OABR）。
BroadR-Reach提供标准以太网的MAC层接口，因而能够使用与其它以太网类型相同的数据链路层逻辑功能及帧格式，能够通过与其他以太网类型相同的方式运行高层协议和软件。
BroadR-Reach利用两组编码和信令方法将MAC层100Mb/s的数据流转换成66Mbaud/s的三元信号，可使100Mb/s的数据速率能够在较低的频率范围内实现，从而使得BroadR-Reach以较低的布线成本实现高数据速率。较低的信号带宽可以改善回波损耗，减少串扰，并确保车载以太网可满足汽车电磁辐射标准要求。BroadR-Reach在单对非屏蔽双绞线上传输差分信号，与CAN等其他车载网络类似，同时BroadR-Reach能够为网络提供电流隔离，其接地偏移额定值高达2500V。
BroadR-Reach支持全双工通信，可使一条链路上的两个车载以太网节点能够同时发送和接收数据。BroadR-Reach利用先进的数字信号处理技术实现一条链路上的两个节点能够同时在该链路中发送和接收数据，包括使用混合电缆等特殊设备和回音抵消等技术，使各以太网节点能够区分发送和接收的数据。
2.2AVB协议簇
AVB——以太网音视频桥接技术（EthernetAudioVideoBridging）是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的一套基于新的以太网架构的用于实时音视频的传输协议集。
汽车在信息娱乐与驾驶辅助领域的快速发展，需要更多的音视频数据在汽车系统中进行传输，因此基于以太网的音视频桥接（AVB）技术得到应用。
AVB的高带宽和服务品质，确保数据的及时传递、更高的可靠性与较低的成本、开放的技术标准等特点，非常适合通过AVB协议应用在汽车部署中。
2.802.1Qat：流预留协议（StreamReservationProtocol，简称SRP）
3.802.1Qav：排队及转发协议（QueuingandForwardingProtocol，简称Qav）
4.802.1BA：音视频桥接系统（AudioVideoBridgingSystems）
5.1722：音视频桥接传输协议（Audio/VideoBridgingTransportProtocol，简称AVBTP）
6.1733：实时传输协议(Real-TimeTransportProtocol，简称RTP)
7.1722.1：负责设备搜寻、列举、连接管理、以及基于1722的设备之间的相互控制。
AVB不仅可以传输音频也可以传输视频。用于音频传输时，在1G的网络中，AVB会自动通过带宽预留协议将其中750M的带宽用来传输双向420通道高质量、无压缩的专业音频。而剩下的250M带宽仍然可以传输一些非实时网络数据。用于视频传输时，可以根据具体应用调节预留带宽。比如：750M带宽可以轻松传输高清fullHD视觉无损的视频信号。并且可以在AVB网络中任意路由。
AVB中的802.1AS是1588协议在二层架构下一种具体实现。是AVB协议集中最重要的一部分。
2.3TCP/IP协议簇
TCP/IP协议负责提供一些重要的服务以使高层的软件应用能够在互联网络中起作用，充当高层应用需求和网络层协议之间的桥梁。TCP/IP主要负责主机到主机之间的端到端通信。两个关键的传输协议为用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）。
2.4应用层协议
应用层协议是用户与网络的交互界面，负责处理网络特定的细节信息覆盖了OSI参考模型的第5层至第7层。
应用层可根据用户需求为用户提供多种应用协议，如超文本传输协议（HTTP）、通信控制（SOME/IP）、服务发现（ServiceDiscovery）、动态主机配置协议（DHCP）、流媒体服务（StreamMediaService）、设备发现、连接管理和控制协议（IEEE1722.1AVDECC）等。
3.1车载以太网标准化现状
车载以太网为了投入使用，形成一个产业，需要标准化。通过标准化，打通行业上下游的产业链，同时缩短产品的开发周期以及后期的维护。车载以太网标准化的过程中，OPEN联盟、IEEE802.3和IEEE802.1工作组、AU-TOSAR联盟和AVnu联盟起到了巨大的推动作用1，现阶段标准化的情况见表1。
3.2车载以太网应用
车载以太网被定义为下一代车载局域网络技术，短期内无法全部取代现有车载网络，其在汽车行业上的应用需要一个循序渐进的过程。依据车载以太网在汽车网络上的应用过程，大致可分为3个阶段：局部网络阶段、子网络阶段、多子网络阶段。
随着汽车数量的不断增加，人们对汽车的功能性和安全性的要求也不断提高。汽车的高品质、高可靠性以及高安全性需要充分完整的测试进行保证，车载以太网研发过程中应尽早快速、有效地发现问题并早期解决问题，降低成本损失。
4.1传统以太网与车载以太网测试区别
以太网是计算机有线网络标准之一，一般用于家庭和工作单位所用的LAN是最常用的技术标准。传统以太网测试与车载以太网测试存在一定的差异。如传统的IT行业对以太网一致性要求不高，无一致性测试标准，汽车行业对车载以太网测试要求高，已由相应的组织或联盟制定了行业的一致性测试标准。相应测试对比信息见下表。
4.2车载以太网测试内容
现在，汽车行业对可靠性和安全性要求越来越高，车载以太网在应用的过程中，为了保证其可靠性与安全性，就迫切需要对其开展测试工作。传统的以太网测试和车载以太网测试还存在着一定的差异，因此传统以太网测试方法并不适用干汽车以太网测试。汽车行业对测试的要求更高，所以需要由相应的组织或联盟制定车载以太网测试标准。目前，业界通用的车载以太网测试方法参考OPEN联盟制定的TC8-OPENAllianceAutomotiveEthernetECUTestSpecification2）和TC-11EthernetSwitchTestSpecification回标准，测试的内容主要包括物理层测试、车载以太网交换机测试、协议层与应用层除了AVB/TSN以外的一致性测试。下面就这些测试内容和测试方法做具体的介绍。
4.2.1物理层测试
车载以太网物理层测试主要包括两个方面的测试∶PMA（PhysicalMediaAttachment）测试和IOP（Interoperability）测试，即互操作性测试。物理层测试的目的是为了保证端口的互连互通性能，检测发送器和接受器发送或接收信号是否符合汽车通信标准。
（1）PMA测试
PMA（物理媒质接入层）主要评估车载以太网的电气特性，针对PMA测试方面，OPEN联盟于2014年6月发布"BroadR-ReachPhysicalLayerTransceiverSpecificationForAutomotiveApplicationsV3.2"规范标准，定义了BroadR-Reach的PMA电气规范。在OPENTC8规范中，测试的内容主要包括6种常规测试项∶传输衰落、传输失真、传输时钟抖动（Master&Slave）、传输功率谱密度、传输时钟频率、MDI回损，还有其他的测试项∶MDI模式转换损耗、共模辐射等。
测试过程中，需要用到的仪器主要有示波器、矢量网络分析仪、分析软件、夹具等，夹具连接在被测设备（DUT）和示波器之间，起到电路转换的作用，设备连接示意图如图2所示。根据被测对象的特点和测试项的不同，分别连接不同的测试仪表。
测试过程中，为了完成不同的测试项，需要将DUTPHY通过修改寄存器的方式设置为不同的测试模式，使其发出特定的数据包，BroadR-Reach中定义了4种测试模式。
1)Testmode1-Transmitdrooptestmode。
2)Testmode2-TransmitjittertestinMASTERmode。
3)Testmode4-Transmitdistortiontest。
4)Testmode5-Normaloperationatfullpower(forthePSDmask)。
（2）IOP测试
IOP测试的内容主要包括以下几项。
2）信号品质
逐步提高人工噪声水平，获取信号品质指数SQI的变化曲线;逐步降低人工噪声水平，获取信号品质指数SQI的变化曲线。
3）线束诊断
测试DUT在远端或近端发生一条或两条线路开路时，是否能够可靠地检测到开路故障;测试DUT在远端或近端发生短路时，是否能够可靠地检测短路故障。
测试过程中，采用GoldenDevice作为LinkPartner，测试的连接示意图如图3所示。
图3物理层IOP测试连接示意图
4.2.2交换机测试
1）通用功能
数据帧正常转发、端口镜像、端口禁用、处理巨型帧、读出设备ID等基本功能。
2）地址解析功能
3）虚拟局域网功能（VLAN）
TPID以太类型字段自由配置功能、双标签Q-in-Q功能、非标签数据帧支持、VLAN跳跃攻击抑制、共享VLAN学习等功能。
5）服务品质（QoS）
对优先级流量正确处理和实现不同流量整形策略的功能，包括基于优先级的服务品质、基于WRR转发数据包功能、PCP字段覆盖功能、优先级映射功能、支持漏桶算法功能等。
6）配置功能
运行中可重新配置的功能，端口可单独配置功能、配置完成前支持在"禁止转发"模式下启动的功能、读回配置信息功能、支持锁定配置项功能等。
7）过滤功能
8）诊断功能
计数器能否正确计数诊断、线缆和连接状态反馈功能的诊断等。
测试过程中，可以将测试平台作为流量发生器，发送不同类型的数据报文，由与之相连的计算机上的软件对报文的类型进行配置，在软件上对测试项的结果进行检查。与DUT相连的计算机也对DUT的工作模式进行配置。测试连接示意图如图4所示。
图4交换机测试连接示意图
4.2.3协议一致性测试
协议一致性测试(protocolconformancetest），指的是检验开放系统互连（OSI）产品的协议实现与OSI协议标准一致性程度的测试。车载以太网2层到7层除了AVB/TSN以外的协议一致性测试的测试项目和测试过程以及测试判据主要依据TC8-OPENAllianceAutomotiveEthernetECUTestSpecifi-cation标准。
测试项主要为了验证两个方面的内容∶
①Con-formancetest——验证被测设备/系统是否遵循协议标准;
②Negativetest——通过发送非法报文验证被测设备/系统的稳定性/鲁棒性。
测试时，需要在DUT上安装辅助测试工具UpperTester。UpperTester（UT）本质上是一个运行在DUT中的应用，它能够接收测试平台发送的指令，来配置被测协议栈（IUT）的参数，或触发被测协议栈产生某种行为。UT支持的指令和格式遵循AUTOSAR体系下的"TestabilityProtocolandServicePrimitives"规范。将测试平台与DUT连接，选择对应的协议测试套件与DUT进行特定的通信，配置测试套件的参数，如IP、MAC地址等，结合UpperTester的辅助作用对指定协议的测试项开展测试，测试平台收集测试数据，生成测试报告。测试设备连接示意图如图5所示。
图5协议一致性连接示意图
以一个ARP测试项为例，介绍协议一致性的测试过程。
1）配置DUT以清除ARP缓存中的动态条目。
2）配置DUT以在其ARP缓存中添加一个静态条目，包含测试平台的IP地址和物理地址。
3）配置DUT向测试平台发送UDP请求消息报文。
4）测试平台监控接收到的报文信息。
5）观察DUT的动作。
6）根据判据判断DUT的动作是否能够通过测试。
除此之外，车载以太网测试还包括AVB协议簇的测试，测试的内容和参考标准主要是;时钟同步功能（IEEE802.1AS）、流量控制功能（IEEE802.1Qav）、流管理功能（IEEE802.1Qat）、音频/视频传输协议（IEEE1722（a））。