电子电气架构学习笔记-车载 Ethernet 通信协议原理

hdy · 发表于 2025-5-27 22:57

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车载 Ethernet 是近些年逐渐开始应用于车载通信领域中。相比 CAN/LIN 总线的简单、低效的传输形式，车载 Ethernet 具有高带宽、低延时和高传输效率的特点。目前被广泛地应用在车载多媒体通信、TBOX 相关外网与内网的互联互通、自动驾驶控制和域控制器骨干网络通信中。下图说明了车载 Ethernet 的通用性架构模型。车载 Ethernet 本身来源于传统的互联网，所以整体符合互联网的通信架构。

车载 Ethernet 物理层通常采用 100BASE-T1 或 1000BASE-T1 标准的物理层通信协议，具体要求参见 IEEE802.3bw 和 IEEE802.3bp。下图中描述了 100BASE-T1 和1000BASE-T1的物理层接口电路。

车载 Ethernet 采用 1 对双绞线进行通信通过 PHY 实现物理层通信。不同的 PHY 芯片需要匹配不同的接口电路，需要根据 PHY 的数据手册进行匹配。对于应用需求，上层协议架构会分为异步通信网络和实时的时间敏感网络通信架构。若为异步通信网络、没有时间同步要求的系统，MAC 采用 IEEE802.1Q 协议定义的支持 VLAN 通信的 MAC 层架构；如下图所示，支持 VLAN 的 2 层网络报文封装格式，具有 3 个比特的 PCP 字段，可以按照报文的优先级定义不同的 PCP 等级，实现基于优先级的转发。

在协议架构中的第三层和四层，主要采用与传统互联网一致的 TCP/IP 协议栈，完成对网络层和传输层的数据定义。在协议架构中的第五层以上，主要为软件中间层或直接对接应用层数据。在车载Ethernet的通信控制中，多使用 SOME/IP 和SOME/IP-SD(SD:Service Discovery)协议实现基于服务的调用和发布，完成基于服务通信设计。对于诊断设计，多采用基于 DoIP（Diagnostic communication over Internet Protocol，基于 IP 网络的诊断通信）协议完成对 UDS（Unified Diagnostic Services，统一诊断服务）协议的封装。DoIP 协议是基于 IP 的诊断协议的缩写，其作用是帮助车外诊断仪与车内 DoIP 节点建立有效的连接机制，进行车辆识别，路由建立，是诊断通信的激活过程。如果选用的芯片支持以太网的网络管理机制，则可以在 UDP 协议基础上构建基于AUTOSAR的网络管理协议栈，实现对以太网控制器的休眠、唤醒和保持机制的控制和管理。若为 AVB/TSN（Audio Video Bride 音视频桥接技/Time Sensitive Network 时间敏感型网络）时间明确的时间敏感网络，需要采用基于 AVB/TSN 的 MAC 协议，此协议会要求 MAC 层进行时间同步和带宽预留要求，同时要求在交换机中二层协议上进行队列排队、优化传输选择算法，使得数据在网络中传输经过路径延时计算和内部迟滞计算后，使系统中每个 ECU 实现低延迟和高确定性的需求。