前言

伴随着汽车工业的不断发展，电子硬件设备的运算能力也不断提高，使得车载电子系统变得复杂多样。电子控制单元（ECU）是汽车电子工业诞生的产物，原本是应用在电喷发动机作为其控制系统，之后也泛用在汽车的其他控制系统上，负责为车辆的不同系统实现相应的功能。早期 ECU 数量较少，ECU 之间采用点对点连接即可满足需求。可是随着汽车内部的 ECU 数量不断上升，ECU 之间必须设计构建合适的通信链路，而这些通信链路逐渐发展成了现在庞大的车载网络。目前汽车上比较流行的网络有控制器局域网络（CAN）、局域互联网络（LIN）、FlexRay 等。 

CAN 总线技术早期被用在飞机坦克等武器电子设备系统的通讯功能上面，之后也被用在了民用汽车上，负责传递车上各种传感器数据。部分汽车的 ECU 之间的所有信息都可以通过由两根数据线组成的 CAN 数据总线进行交换。这种技术下的布线方式比传统的布线传输速率更高，同时还节省了线束。CAN 系统下若某一条发生故障，也支持双线转为单线运行模式，提升整车稳定性。LIN 总线是一种低端分布式的串行通信总线，特点是成本低且速率也低。它的目标在不需要 CAN 总线的带宽和多功能的场合使用，来为现有汽车网络提供辅助功能，以较低的带宽和受局限的单宿主总线访问方法来降低成本。LIN 总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起，可实现多种数据传输模式，且一个报文帧可以同时被多个节点接收利用。过去车辆的应用对带宽的需求并不高，带宽过低的问题并没有引起广泛的关注。随着新的子系统不断被添加到车载环境中，一般的总线型网络带宽已经不能支撑过多的 ECU。比如驾驶辅助系统（ADAS）等新功能的引入，使得车载网络带宽的需求出现了爆发式增长，并丝毫没有减慢的趋势，这就导致了传统的车载网络技术有些时候已经不能满足带宽需求。

FlexRay 是一种适用于汽车的高速总线技术，同时具备了可确定性和故障容错能力。它将事件触发（Event-Triggered）和时间触发（Time-Triggered）两种方式相结合，具有高效的网络利用率和系统灵活性的特点。Flexray 相比较于 CAN 总线要复杂许多，安全性也相对较高。然而造价成本过高的原因导致了 Flexray 无法大面积应用，取代 CAN 总线还是不太现实。

自1980年至今，IEEE组织、OPEN Aliance SIG组织、宝马、博通公司等为传统以太网到汽车领域的应用拓展发挥了十分关键的作用，1980年，Ethernet 1.0成功发布；1985年，IEEE 802小组公布802.3协议，推出了基于CSMA/CD的10M以太网技术；2004年，BMW公司考虑采用博通公司的以太网技术并于2008年在宝马7系上成功量产以太网刷写技术；2013年，BroadR-reach技术成功在宝马5系的环视系统中成功量产；近年来由著名汽车整车厂与供应商组成的OPEN Aliance SIG相继发布了TC8（车载以太网ECU测试规范）以及TC10（车载以太网休眠唤醒规范），同时携手IEEE将车载以太网标砖转化为通用标准。

车载以太网和车联网的区别

车载以太网虽然和车联网都带网字，但它们却是相关却而不相同的产物，车载以太网是车辆内部系统之间数据传输和通信的网络技术，而车联网则是将车辆与外部网络和服务连接起来，实现车辆与外界的数据交换和通信。简单来说，车联网仅仅是车载以太网具体实现功能中的其一。

车载以太网（Automotive Ethernet）是指在汽车内部使用以太网技术进行数据传输和通信的网络系统。它采用了以太网协议和物理接口，提供高速、可靠的数据传输能力，用于连接车辆的各种电子控制单元、传感器、执行器和娱乐信息系统等；主要用于车辆内部各个系统之间的通信和数据交换，例如车辆控制单元之间的数据传输、实时传感器数据的收集和处理、娱乐信息系统的互联与娱乐内容的分发等。它可以提供更高的带宽和可靠性，以满足现代汽车对数据处理和通信的需求，具体应用，包括以下几个方面：

1.车辆控制系统：车载以太网被广泛用于车辆的电子控制单元（ECU）之间的数据通信，实现各种车辆控制功能，如发动机控制、转向系统、制动系统等。

2.自动驾驶系统：车辆自动驾驶技术需要高速和可靠的数据传输来支持感知、决策和执行功能。车载以太网可以满足这些要求，为自动驾驶系统提供实时高带宽的通信能力。

3.车载娱乐和信息系统：车载以太网可以连接车内的娱乐系统、导航系统、音频系统等，并与外部网络进行交互，实现诸如在线地图更新、音乐流媒体、应用程序下载等功能。

4.车联网通信：车辆通过车载以太网可以实现与外部服务器、云平台的通信，实现远程诊断、软件升级、车辆远程监控等功能。同时，车辆之间也可以通过车载以太网进行通信，实现车辆之间的协作和信息共享。

5.车辆安全系统：车载以太网在车辆安全系统中具有重要作用，例如传感器数据的实时传输和处理、驾驶员辅助功能的实现等，为提升车辆安全性能发挥着关键作用。

总体而言，车载以太网的应用范围覆盖了车辆控制、自动驾驶、车载娱乐与信息系统、车联网通信和车辆安全系统等多个方面，为汽车领域带来了更高效、智能和安全的交通解决方案。

车联网（Connected Car）是指通过无线通信技术将车辆与外部网络连接起来，使车辆能够与互联网、移动通信网络或其他车辆进行数据交换和通信的技术和服务体系。它使得车辆能够实现远程监控、远程诊断、车辆定位、导航服务、车辆安全等功能，并能够与其他车辆、交通基础设施和智能手机等进行互联互通。通过车联网技术，车辆能够实现以下功能和服务：

1. 实时交通信息：获得道路状况、拥堵情况、事故和施工区域等实时交通信息，帮助驾驶者规划最优路线和避开拥堵。

   
   

2.导航和定位服务：提供精准的车辆定位、导航指引和语音提示，方便驾驶者进行导航。

3.远程监控与管理：通过手机或其他终端，远程监控车辆状态、位置、油量等信息，并可以远程锁车、解锁车门、启动引擎等操作。

4.音频娱乐与互联网应用：接入音乐、电台、播客等娱乐内容，实现多媒体播放和互联网应用。

5.车辆安全与救援：提供车辆盗警报、远程跟踪和救援服务，增强车辆安全性。

6.智能驾驶辅助：通过传感器和通信技术，实现自动驾驶辅助功能，如自动泊车、高级驾驶辅助系统（ADAS）等。

7.车辆健康诊断：监测车辆的状态、故障码和维保信息，并提供预警和维修建议。

车联网的发展为汽车行业带来了更智能、便捷和安全的驾驶体验，也推动了智能交通系统的发展。通过车辆与外部网络的连接，驾驶者可以享受到更多的信息。

车载以太网的拓扑与技术难点

车载以太网常见的拓扑结构有星型，链型和树型。星型拓扑以专用的网络设备（如交换机）为中心，节点之间的可用通讯带宽更高，延时和抖动更小，结构管理方便，极易扩展，安装维护成本低。但如此一来对核心设备的负担较重，减少节点会导致核心设备接口的浪费，增加节点需要不同的核心设备硬件支持。而链型结构是通过链或串行的方式增加下一个节点。链型拓扑结构容易扩展，各个节点消息处理比较独立，也减轻了与 ECU 相连接的网络设备的通信负担，但是节点之间的通讯相对较复杂，可用带宽较小，相对星型拓扑延迟和抖动增加不少，因为网络通信设备的增加导致后期安装维护成本也较高。

树型拓扑结构是结合以上两种拓扑结构的优势实现的，在保证了链型的良好分布处理性能的情况下，又利用星型的以交换设备为中心的方案，降低了节点安装拆卸的维护成本。以功能为划分，将相互之间数据交互频繁的节点集中在同一个交换设备上，也弥补了链型下节点通讯复杂的劣势。

车载以太网作为一种高速数据通信技术，面临着以下几个技术难点：

1. 抗干扰和可靠性：在汽车环境中，存在各种电磁干扰源，如引擎、发电机、电动机等，在车载以太网的设计中需要考虑如何抵御这些干扰并确保数据传输的可靠性。

2.实时通信：对于某些关键应用，例如自动驾驶、车辆安全系统等，对数据传输的实时性要求非常高。车载以太网需要具备低延迟和确定性的特性，以满足这些实时通信需求。

3.安全性和隐私保护：现代汽车涉及许多关键功能和用户隐私信息，如车辆控制、车联网通信等。车载以太网必须采取适当的安全措施，包括数据加密、身份验证、防篡改等来保护系统免受恶意攻击和侵犯。

4.网络管理和互操作性：车载以太网通常由多个子系统组成，这些子系统可能来自不同的车载设备厂商。为了实现良好的网络管理和互操作性，需要制定统一的网络标准和协议，并解决不同设备之间的兼容性问题。

为了应对这些技术难点，行业联盟和标准化组织如OPEN Alliance SIG、IEEE Automotive Ethernet标准等在车载以太网领域进行了广泛的研究和制定标准，推动了车载以太网的发展和应用。同时，汽车制造商和技术提供商也积极投入研发，并采用各种技术手段和解决方案来克服这些挑战，以提供更安全可靠的车载以太网系统。

车载以太网的网络分层

传统车载网络支持的通信协议较为单一，而车载以太网可以支持 TCP/IP、SOME/IP 等多种通信协议。与传统以太网不同，车载以太网采用非屏蔽单双绞线布线，以减重和控制成本。车载以太网帧具有高达 1500 字节的有效负载以及100Mbps 的数据速率。下图为车载以太网帧格式。

车载以太网参考了 OSI 分层结构。OSI 模型由七层组成，自底向上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，但车载以太网将上三层统称为应用层。通过在各层搭配不同协议满足了汽车对以太网通信的不同需求；

车载以太网物理层的标准的第一个版本为 BroadR­Reach，由 Broadcom 公司发布，后被 IEEE 发布的 100BASE­T1 和 1000BASE­T1 所取代。车载以太网与传统以太网最大的不同就是端口物理层 (Port Physical Layer, PHY)的不同，车载以太网采用汽车专用的 PHY 实现了在一对非屏蔽双绞线上进行双向传输提供 100Mbit/s 及更高的带宽性能，并进行了优化处理以满足车辆EMC要求。上层接口参照了以太网MAC层的标准，所以它与其他类型的以太网采用相同的数据链路层的逻辑功能和帧格式。
数据链路层负责生成在物理总线上进行传输的以太网帧，它由媒体访问控制 (Media Access Control, MAC)和逻辑链路控制 (Logical Link Control, LLC)两个子层组成。在MAC子层中，使用MAC地址寻址网络节点，在以太网帧中包含了源MAC地址和目的MAC地址。LLC子层拥有流量控制和冲突避免机制。另外，LLC还负责使用VLAN标记帧，以限制从一个域到另一个域的广播，例如：在以车载以太网为骨干网络的车载网络中，将来自信息娱乐系统、机箱和动力总成的帧分别做不同的VLAN标记，每个域内的ECU仅能看到属于本域的帧，不同域间的帧传输需要经由交换机或网关。

IPv4协议和IPv6协议位于网络层。为了使帧从一台设备传输到另一台设备，需要知道源 IP 地址和目的 IP 地址，IP地址有公有和私有两种类型。在汽车网络中，如果节点不与外部进行通信，则其IP地址可以为私有地址。使用子网掩码和网络ID能够最大限度地减少IP地址的浪费。

传输层包含UDP和TCP两个重要的传输协议。UDP协议是一种无连接协议可以用于单播通信，也可以用于多播通信（如当一个数据被传输至多个节点）。TCP则是一种面向连接的协议，所以仅能用于单播通信，在其上发送的每条信息都要接收确认信息。每个TCP/UDP连接对应一个端口号，来自应用程序的数据通过对应端口传至网络层，然后再发送到总线上。在传输以太网帧时，需要源端口、源IP地址、目标端口、目标IP地址，这四者组成了套接字，通过该套接字来发送和接收特定应用程序的数据。