徽州骆驼 · 1月19日

车载以太网介绍

以下文章来源于智能汽车开发者平台 ,作者bill

I.车载以太网总线介绍

1.1 以太网让连接更容易

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以太网技术在生活中的应用随处可见,日常电脑上网,或者手机上网都与以太网密不可分。现在汽车中的5G车联网、V2X,以及后面汽车的智能化应用这些都跟以太网技术密不可分。

1.2 车载以太网最大优势:带宽高,成熟度高

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车载以太网的普及主要依赖于以太网的两个优势:带宽高和成熟度比较高。车载以太网带宽目前有100M或者1000M,甚至随着技术的发展后面可以达到2.5G、5G、10G的带宽。目前工业以太网已经可以达到100G的带宽,从工业以太网应用到车载以太网应用主要解决汽车上EMC的问题,不需要做单独的验证或者技术难题攻关,相当于可以直接拿来应用,这对车载以太网的发展是非常有利的,所以说车载以太网的成熟度比较高,这也是车载以太网广泛应用的重要原因。

汽车技术的发展对以太网需求明显提高:

1)随着高算力,多功能,中央化智能ECU出现,刷写速率以及迭代速度要快;

2)高阶智能驾驶,针对时延以及带宽,提出了更高的要求;

3)新能源换电,针对换电站的WIFI需求,无线灵活化;

4)智能车联网,极致的座舱享受,消费&汽车一体化

降本增效,使用以太网AVB/TSN技术实现视频传输,节省LVDS专用线束成本。

1.3 常见以太网线束分类

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一对双绞线

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两对双绞线

OBD对外通信通常使用的是3、11、12、13 这四个引脚,外加一个引脚8做DOIP激活,在这里面,用于数据传输的是3、11、12、13,这四个引脚用了两对双绞线,这四根线跟外部网线中四根进行连接,从而实现跟诊断仪或PCG进行数据传输。

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四对双绞线(线序分T568A和T568B)

上图是常见的网线,网线的采用四对双绞线,一般一百兆网络的话会用到里面1,2, 3,6四根。OBD口的四个引脚要跟网线里某四根线进行一一匹配才能进行车外通信。

II.车载以太网协议分析

2.1 以太网经典OSI(Open System Interconnect)七层模型,由ISO组织发布

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以太网经典OSI七层模型以及对应的解释见上图,同时列出了TCP/IP五层模型进行对比,对比来看,OSI和TCP/IP本质描述的都是同一个东西,只不过OSI将TCP/IP最上方的应用层详细的分解成三层,做了详细的功能描述,这样方便加深理解。但是在实际学习和实施中,更多的是按照TCP/IP的五层模型进行。

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OSI模型协议分布

2.2 以太网帧结构

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以太网帧结构见上图,我们能够抓到的以太网报文帧从目标MAC地址开始到IP数据报,前面的前导码和帧开始符再被抓包前就已经被解析掉了,帧跟帧之间存在帧间距。

因此以太网帧由目标MAC地址、源MAC地址、帧类型以及IP数据报构成,其中IP数据报有一个规定的长度,从46字节到1500个字节,因此以太网存在最大帧和最小帧:

1)以太网最大帧:

6+6+2+1500+4=1518字节

2)以太网最小帧

6+6+2+46+4=64字节

2.3 IP及子网掩码:子网掩码不能单独存在,它必须结合IP地址一起使用

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1)子网掩码作用:就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分

2)例如192.168.1.1/24或者192.168.1.1,255.255.255.0,则主机数2^8-2=254

以太网路由示例:

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以PC访问百度(www.baidu.com)为例,对于PC来说,它压根不知道也关心www.baidu.com

是在北京还是深圳,它只需要根据它的缺省网关去做路由,知道把IP往哪里送即可,就好比我们寄快递到北京,快递员从这个片区收件后,他不需要知道去具体北京的路线,

他只需要把物件送到下一个汇聚点就可以,就像接力一样。这就是以太网通信的概念,因此,在进行以太网通信设计时,需要考虑把信息发送给谁。

电脑获取网卡IP信息

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2.4 以太网DOIP协议

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上图为抓取的一个DOIP报文,这里注意一下,图中的帧不包括前导码、帧起始符、CRC校检部分,这些已经被剥离掉,特别是CRC校验,如果这个帧能被抓取到,那么意味着CRC校验一定是通过的。

图中整个DOIP报文一共有69个字节,分别是:

14字节数据标层,包含6个字节的源MAC,6个字节的目的MAC,2个字节的帧类型,
然后是IPV4,一般缺省是20字节,在某些情况下会额外有一些option字段,这样可能就不止20字节,这种情况用的比较少,可以仅做了解,

再往下是TCP,同样缺省是20字节,在极少数的情况下会额外有一些option字节

DOIP协议有8个字节的header,注意一下header中不包含逻辑地址。

以上就是DOIP协议的帧结构

2.5 以太网SOMEIP协议

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SOMEIP协议帧结构见上图,SOMEIP就是我们常说的SOA用的协议一种。SOMEIP帧结构跟DOIP帧结构类似,前面的部分基本差不多,SOMEIP报文头部有16个字节,包含Service ID,Method ID,长度等。不同的SOMEIP一个请求或者消息,它的payload需要不同的解析,因为不同OEM的payload定义是不一样的,可能需要额外做一些插件进行解析。

III.车载以太网的应用场景

3.1 DoIP应用

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DOIP协议数据格式

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诊断仪通过DOIP跟网关进行通信,从内部网关到内部,包含了四种情况:

1)CAN ECU:诊断仪与网关建立DOIP链接,通过网关协议转换进行ECU诊断;

2)智能ECU:诊断仪与网关建立DOIP链接,通过网关协议砖混进行ECU诊断;

3)智能ECU:网关代理:诊断仪与网关建立DOIP链接,网关与智能ECU建立1)DOIP链接,进行ECU诊断;

4)智能ECU:网关穿透:诊断仪与智能ECU建立DOIP链接,进行ECU诊断。

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DOIP应用过程示例

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DOIP应用过程示例

3.2 端口镜像的应用

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镜像是指将指定源的保温复制一份到目的端口。指定源被称为镜像源,目的端口被称为观察端口,复制的报文被称为镜像报文。镜像可以在不影响设备对原始报文正常处理的情况下,将期复制一份,并通过观察端口发送给监控设备,从而判断网络中运行的业务是否正常。

镜像端口:原始报文经过的端口

观察端口:连接监控设备的端口,车上一般指OBD口

原理:PC可以通过OBD接入,通过诊断指令打开能使端口镜像功能抓取ECU1→ECU2的通信报文,进行分析和解决问题。

IV.车载以太网的项目经验

4.1 车载以太网落地考虑事项

在进行车载以太网的整车设计,需要知道以太网通信的物理特性,进而决定线束及插件选型方向:

1)按需选择屏蔽线还是非屏蔽线(成本和长度)

2)线束的选型需要参考阻抗和S参数,有TC2/9规范约束

3)拉脱力对供应商的生产以及压接工艺有要求

4)性能测试可以配合PHY进行压测时延和丢帧率

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4.2 无线WIFI通信优化

优化一:信道管理

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优化1:信道管理

当大家同时往空中发信号或者都在传数据时意味着各个设备间存在相互干扰。比如大家同时在办公室上网的时候,同一个网络,有时候觉着好用,有时候觉着不好用,这个可能有时候干扰比较大一点。这样就要做信道管理,就是要错开信道,一般在中国大概有11个信道,1信道到11信道,要间隔5个信道才能没有干扰。

优化二:负载均衡管理

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优化2:负载均衡管理

以换电站为例,特别是春节期间,换电时有很多车在排队,有可能换电站里一个路由器或者WIFI上面接入很多车,另一个又没有接入车辆,这就造成了对资源的一个不均衡使用。在这种情况下就可以对负载均衡进行管理。

优化三:功率管理

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优化3:功率管理

前面提到信道之间有干扰,理想情况下是信号相互之间不要干扰,可以通过把功率相互之间重叠的地方减少,这样可以减少干扰。

4.3 诊断仪无法建立DoIP链接

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  • 原因分析:

物理链路问题

数据链路问题

DoIP激活电压问题

对端节点DoIP协议栈实现问题

协议一致性不匹配问题

逻辑地址定义问题

其它具体问题CASE分析

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  • 总结:“一看,二ping,三分析”
  • 排查常用操作:SSH、ADB、Linux命令、telnet、tcpdump、wireshark、日志记录等
来源:智能汽车开发者平台
微信公众号:
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