车载以太网的基础知识

车载网络由于自动驾驶和连接技术的飞速发展而快速发展，推动着汽车行业向前发展。需要支持更多功能以提高效率、安全性和驾驶体验。因此，对数据带宽和电缆数量的要求越来越高，以及复杂性、灵活性和成本效益等因素也变得更加具有挑战性。

要实现自动驾驶，必须将多种技术很好地集成到车内。这包括长程雷达、短/中程毫米波雷达、激光雷达、摄像头、超声波传感器和 GPS，它们都以不同的数据速率和通信协议运行。因此，这些分散的网络正越来越多地演变为集中的网络架构。

大多数的这些新功能和应用都需要依赖昂贵且复杂的布线和需要较大带宽的电子 设备。这将会是增加汽车价格和重量的关键因素。为了解决这个问题，新制定的BroadR-Reach100 Mbit/s汽车以太网规范试试图优化车内布线，在单根非屏蔽双绞铜线上基于100Mbit/s运行。

BroadR-Reach 100 Mbit / s汽车以太网标准旨在解决这个问题 - 通过允许多个车载系统同时通过非屏蔽单根双绞线电缆访问信息，降低连接成本和布线重量。

OPEN Alliance BroadR-Reach（OABR）规范定义了一个单一的双绞线100Mbit/s接口。OABR将降低车载网络的成本和重量，因为只使用一根线。信号均在双绞线上发送。

双绞线是一种由两根相互绝缘的导线绞合而成的电缆。它是一种常见的传输介质，用于电信、计算机网络和其他应用。双绞线的两根导线通常由铜制成，并包裹在绝缘层中。两根导线绞合在一起，以减少外部电磁干扰。

车载以太网是新的物理层标准，使用以太网标准作为车内网络技术。它提供高抗干扰性、减少了布线和高速数据速率。高抗干扰性和减少了布线是将以太网引入车内的两大创新。如果没有高抗干扰性能力，我们熟悉的标准以太网，100Base-T和100Base-TX，将无法承受车内恶劣的电磁环境。

图1. 双工 PHY 输入输出 (I/O) 与全双工 PHY 输入输出 (I/O)

PHY 层是物理层 (PHY)，它定义了数据在物理介质上传输的方式。PHY 层有两种 I/O 模式：双工和全双工。

双工：在双工模式下，每个节点只能在一个时间内发送或接收数据。这意味着，如果一个节点正在发送数据，那么另一个节点必须等待才能发送数据。双工模式通常用于低速链路，例如以太网 10Base-T 和以太网 100Base-TX。

全双工：在全双工模式下，每个节点都可以在任何时候同时发送和接收数据。这意味着，两个节点可以同时交换数据，从而提高数据吞吐量。全双工模式通常用于高速链路，例如以太网 1000Base-T 和以太网 10GBase-T。

表1双工 PHY I/O 和全双工 PHY I/O 的比较

图 1 显示了物理 (PHY) 层的高级概述。标准以太网 100Base-Tx 是具有 2 个双绞线的双半双工配置。相比之下，车载以太网 100Base-T1 是一种全双工链路，具有单个双绞线，可以双向传输 100 兆位每秒 (Mbps)。这意味着节点之间理论上可以进行 200 Mbps 的通信聚合。在 1000Base-T1 上可以看到同样的改进。

以太网速度与以比特每秒或千比特每秒速度运行的 CAN、CAN-FD、LIN 和 FlexRay 进行比较，就会发现巨大的差异。这清楚地表明了汽车以太网的优势，它可以满足自动驾驶汽车 (AV) 对更大带宽的需求。

图2. 异构网络到分层同构网络

图 2 的左侧图显示了异构网络。网络的右侧可能是环形拓扑的 MOST 网络。网络的左侧可能是 CAN 或 CAN-FD 总线，其中多个节点可以直接访问总线。这被认为是经典的拓扑结构，其中只有单级通信。子网之间的所有通信都可以由中央网关直接管理。另一方面，图 2 的右侧图是层次同构网络，其中经典技术如 CAN、CAN-FD、LIN 和 FlexRay 在最低层。网络的第二层（由六边形表示）是 Ethernet 和经典技术之间的中间网关。顶层的矩形可以是交换机或仅具有 Ethernet 端口的单元。这是为了使通信能够以更响应的方式与所有网络进行通信。

图 3. 以太网作为骨干

图 3 说明了分层同构网络的应用。我们有车载信息娱乐系统、驾驶员辅助系统、环绕视图和动力总成和底盘，域间网关将经典技术转换为以太网。这些不同技术之间的翻译，也称为以太网骨干，允许子单元及其中间网关连接到支持以太网的中央网关。以太网千兆位每秒的实现愿景已经成为现实，许多原始设备制造商都使用这种架构作为其以太网骨干。

汽车网络架构的演变：网络架构将需要成为特定于模型的，因为低端和高端车辆都有不同的需求。目前，汽车以太网不会取代所有联网需求，而是将在很长一段时间内与经典总线网络共存。这是因为成本是阻碍汽车以太网更广泛采用的一个关键障碍。像 CAN、CAN-FD 和 LIN 这样的经典技术已经成熟且具有成本效益。它们将仍然与特定应用领域相关，尤其是那些以低成本和低带宽为关键设计规范的领域。

由于汽车以太网高性能、可靠且具有成本效益的网络技术，在汽车行业中日益得到采用。它相对于传统的汽车网络技术，如 CAN 和 LIN，具有以下优势：

更高的带宽：汽车以太网可以支持高达 10 Gbps 的数据速率，这比 CAN 和 LIN 的带宽要高得多。这允许传输大量数据，例如高分辨率图像和视频，这对于高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车 (AV) 至关重要。

更低的延迟：汽车以太网的延迟非常低，这是数据包从一个节点传输到另一个节点所需的时间。这对于实时应用程序，例如安全气囊和电子稳定控制 (ESC) 非常重要。

减少布线：汽车以太网使用单根双绞线，可以是屏蔽或非屏蔽的。这减少了车辆中所需的布线量，从而可以节省重量和空间。

提高灵活性：汽车以太网是一种基于标准的技术，因此易于与其他系统和设备集成。这使其成为比传统汽车网络技术更灵活和可扩展的解决方案。

以太网协议栈基于计算机网络的七层OSI模型，OSI 定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），即 ISO 开放互连系统参考模型。

每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。OSI 的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的无关。

第一层：物理层

物理层负责在设备（例如网络接口控制器、以太网集线器或网络交换机）和物理传输介质之间传输和接收非结构化的原始数据。它将数字比特转换为电信号、无线信号或光信号。层规范定义了诸如电压水平、电压变化的定时、物理数据速率、最大传输距离、调制方案、信道访问方法和物理连接器等特性。这包括引脚布局、电压、线路阻抗、电缆规格、信号定时和无线设备的频率。比特率控制是在物理层完成的，并且可能将传输模式定义为单工、半双工和全双工。物理层的组件可以用网络拓扑来描述。物理层规范包含在流行的蓝牙、以太网和 USB 标准的规范中。一个不太知名的物理层规范的例子是 CAN 标准。

物理层还指定了编码如何在物理信号（例如电电压或光脉冲）上发生。例如，1 比特可能在铜线上表示为从 0 伏到 5 伏信号的转换，而 0 比特可能表示为从 5 伏到 0 伏信号的转换。因此，在物理层经常发生的常见问题通常与不正确的媒体终止、EMI 或噪声干扰以及配置错误或无法正常工作的 NIC 和集线器有关。

第二层：数据链路层:

数据链路层提供节点到节点的数据传输 - 两个直接连接的节点之间的链路。它检测并可能纠正物理层可能发生的错误。它定义了在两个物理连接的设备之间建立和终止连接的协议。它还定义了它们之间的流量控制协议。

IEEE 802 将数据链路层分为两个子层：中继访问控制 (MAC) 层 - 负责控制网络中的设备如何获得对媒介的访问权限和传输数据的权限; 逻辑链路控制 (LLC) 层 - 负责识别和封装网络层协议，并控制错误检查和帧同步。

IEEE 802 网络（例如 802.3 以太网、802.11 Wi-Fi 和 802.15.4 Zigbee）的 MAC 和 LLC 层在数据链路层运行。

点对点协议 (PPP) 是一个可以在多个不同的物理层（例如同步和异步串行线）上运行的数据链路层协议。

ITU-T G.hn 标准通过选择性重复滑动窗口协议提供误差校正和流量控制，该标准通过现有的电线（电力线、电话线和同轴电缆）提供高速局域网。安全性，特别是（经过身份验证的）加密，可以在此层使用 MACsec 应用。

第三层：网络层:

网络层提供将数据包从一个连接到“不同网络”的另一个节点的功能和程序方法。网络是一种可以连接许多节点的媒介，每个节点都有一个地址，并允许连接到它的节点仅通过提供消息的内容和目标节点的地址来将消息传输到连接到它的其他节点，并让网络找到将消息传递到目标节点的方法，可能会通过中间节点路由它。如果消息太大而无法在这些节点之间的数据链路层上传递，则网络可以通过在一个节点将消息拆分成多个片段、独立发送片段并在另一个节点重新组装片段来实施消息传递。它可能会但并不需要报告传递错误。

在网络层的消息传递不一定保证是可靠的；网络层协议可能会提供可靠的消息传递，但它并不需要这样做。

许多层管理协议（定义在管理附件 ISO 7498/4 中的功能）属于网络层。这些包括路由协议、多播组管理、网络层信息和错误以及网络层地址分配。是有效载荷的功能使其属于网络层，而不是携带它们的协议。

第四层：传输层:

传输层提供了在源主机和目标主机之间通过网络从一个应用程序传输到另一个应用程序的可变长度数据序列的功能和程序方法，同时保持服务质量功能。传输协议可以面向连接或无连接。

这可能需要将大型协议数据单元或长数据流分解为更小的块，称为“段”，因为网络层施加了称为最大传输单元 (MTU) 的最大包大小，该大小取决于所有数据链路层在网络路径之间的所有数据链路层施加的最大包大小。两个主机。数据段中的数据量必须足够小，以容纳网络层报头和传输层报头。例如，对于通过以太网传输的数据，MTU 为 1500 字节，TCP 标头的最小大小为 20 字节，IPv4 标头的最小大小为 20 字节，因此最大段大小为 1500−(20+20) 字节，或 1460 字节。将数据划分为段的过程称为分段；它是传输层的可选功能。一些面向连接的传输协议，例如 TCP 和 OSI 面向连接的传输协议 (COTP)，会在接收方执行段的分割和重新组装；无连接的传输协议，例如 UDP 和 OSI 无连接的传输协议 (CLTP)，通常不会执行。

传输层还通过流量控制、错误控制和对序列和存在性的确认来控制源主机和目标主机之间给定链接的可靠性。一些协议面向状态和连接。这意味着传输层可以跟踪段并通过确认握手系统重新传输那些未能送达的段。传输层还会提供成功数据传输的确认，并在没有错误发生时发送下一个数据。

传输层可以用一个邮局来形象地说明，邮局负责处理邮件和包裹的派送和分类。邮局只检查邮件的外封以确定其投递地址。更高级的层可能相当于双层封套，例如加密表示服务，只有收件人才能阅读。一般来说，隧道协议是在传输层工作的，例如通过 IP 网络传输非 IP 协议，如 IBM 的 SNA 或 Novell 的 IPX，或者使用 IPsec 进行端到端加密。虽然通用路由封装 (GRE) 可能是网络层协议，但如果负载的封装只在端点处进行，GRE 则更接近于传输协议，它使用 IP 头，但包含完整的第 2 层帧或第 3 层包，以传递到端点。L2TP 将 PPP 帧封装在传输段中。

尽管没有根据 OSI 参考模型开发，也不严格符合 OSI 对传输层的定义，但在 Internet 协议套件中的传输控制协议 (TCP) 和用户数据报协议 (UDP) 通常被归类为 OSI 中的第 4 层协议。传输层安全 (TLS) 也不严格符合该模型。它包含传输层和表示层的特征。

第五层：会话层：

会话层在两个或多个计算机之间创建、控制连接并结束连接，称为“会话”。由于 DNS 和其他名称解析协议在此部分进行操作，因此会话层的常见功能包括用户登录（建立）、名称查找（管理）和用户注销（终止）功能。包括此问题，身份验证协议也内置于大多数客户端软件中，例如 Microsoft 网络的 FTP 客户端和 NFS 客户端。因此，会话层在本地应用程序和远程应用程序之间建立、管理和终止连接。会话层还提供全双工、半双工或单工操作，并建立检查点、挂起、重新启动和终止两个相关数据流之间会话的程序，例如网络会议应用程序中的音频流和视频流。因此，会话层通常在使用远程过程调用的应用程序环境中显式实现。

第六层：表示层：

表示层在封装传出消息时将数据格式化和翻译成应用程序层指定的格式，并在向上传递协议栈时对传入消息进行解封装时可能会反转。正是出于这个原因，在封装过程中，传出消息会转换为应用程序层指定的格式，而在解封装过程中，传入消息的转换会反转。

表示层处理协议转换、数据加密、数据解密、数据压缩、数据解压缩、操作系统之间的数据表示不兼容以及图形命令。表示层将数据转换为应用程序层接受的形式，以通过网络发送。由于表示层将数据和图形转换为应用程序层的显示格式，因此表示层有时称为语法层。出于这个原因，表示层通过抽象语法表示一 (ASN.1) 的基本编码规则来协商语法结构的传输，具有诸如将 EBCDIC 编码的文本文件转换为 ASCII 编码的文件或对象序列化以及其他数据结构与 XML 之间的转换等功能。

第七层：应用程序层

应用程序层是 OSI 模型中与最终用户最接近的层，这意味着 OSI 应用程序层和用户都直接与软件应用程序交互，该应用程序实现了客户端和服务器之间通信的组件，例如文件资源管理器和 Microsoft Word。此类应用程序程序除非通过通信功能直接集成到应用程序层，否则不在 OSI 模型的范围内，例如网络浏览器和电子邮件程序。其他软件示例包括用于文件和打印机共享的 Microsoft 网络软件和用于访问共享文件资源的 Unix/Linux 网络文件系统客户端。

应用程序层功能通常包括通过应用程序层最常见的协议（称为 HTTP、FTP、SMB/CIFS、TFTP 和 SMTP）来进行文件共享、消息处理和数据库访问。在识别通信伙伴时，应用程序层会确定具有要传输数据的应用程序的通信伙伴的身份和可用性。应用程序层最重要的区别是应用程序实体和应用程序之间的区别。例如，预订网站可能有两个应用程序实体：一个使用 HTTP 与用户通信，另一个用于远程数据库协议来记录预订。这两个协议都没有与预订有任何关系。该逻辑位于应用程序本身中。应用程序层无法确定网络中的资源可用性。

OSI七层模型简写

七层模型优点：

把复杂的网络划分成为更容易管理的层（将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题）。

没有一个厂家能完整的提供整套解决方案和所有的设备，协议，独立完成各自该做的任务，互不影响，分工明确，上层不关心下层具体细节，分层同样有益于网络排错。

汽车以太网是汽车网络的未来。它是一种高性能、可靠且具有成本效益的技术，非常适合现代汽车的需求。随着汽车行业继续发展 ADAS 和 AV，汽车以太网将发挥越来越重要的作用。

随着连接性的增强，网络安全将成为一个至关重要的设计考虑因素。与 CAN 相比，汽车以太网安全性是复杂的，需要专业知识和专用的集中管理。

随着汽车电子化、智能化的发展，汽车网络化程度不断提高，汽车内部的通信需求也越来越多。OSI 模型可以为汽车网络提供一个统一的框架，帮助汽车制造商和供应商设计和开发汽车网络。汽车网络的安全性越来越受到关注。OSI 模型可以为汽车网络提供安全保障，例如通过身份认证、授权、加密等手段来保护汽车网络免受攻击。自动驾驶对汽车网络提出了更高的要求：OSI 模型可以为自动驾驶提供一个可靠的通信基础，例如通过 QoS 保障（Quality of Service）来保证数据传输的质量。

具体来说，在汽车网络化方面，OSI 模型可以应用于以下几个场景：

车内网络用于连接汽车内部的各个电子设备，例如车载信息娱乐系统、车载导航系统、车载安全系统等。OSI 模型可以为车内网络提供一个统一的通信协议，帮助汽车制造商和供应商简化车内网络的设计和开发。

车联网用于连接汽车和外部网络，例如道路基础设施、云计算等。OSI 模型可以为车联网提供一个统一的通信框架，帮助汽车制造商和供应商构建安全可靠的车联网。

在汽车安全方面，OSI 模型可以应用于以下几个场景：

身份认证：OSI 模型可以使用身份认证协议来验证汽车网络中的各个设备的身份，防止未经授权的设备访问汽车网络。

授权：OSI 模型可以使用授权协议来控制汽车网络中的各个设备的访问权限，防止未经授权的设备访问敏感数据。

加密：OSI 模型可以使用加密协议来保护汽车网络中的数据，防止数据被窃取或篡改。

在自动驾驶方面，OSI 模型可以应用于以下几个场景：

车辆通信：OSI 模型可以用于车辆之间的通信，例如车辆与车辆之间的通信 (V2V)、车辆与基础设施之间的通信 (V2I)。

车辆感知：OSI 模型可以用于车辆感知系统之间的通信，例如雷达、摄像头、激光雷达之间的通信。

车辆控制：OSI 模型可以用于车辆控制系统之间的通信，例如动力系统、转向系统、制动系统之间的通信。

总体而言，基于OSI 模型开发的车载以太网在汽车方面的应用越来越广泛，将在未来汽车的发展中发挥重要作用。

审核编辑：汤梓红