车载以太网技术连载（一）：汽车为什么需要以太网？

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车载以太网

连载目录: 车载以太网技术连载

（1）汽车为什么需要以太网？

下期内容：

（2）车载以太网物理层详解

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网络发展从它一诞生，就势不可挡，甚至可以说是所向披靡。在互联网时代，不仅人与人、人与物之间通过网络产生连接，万物的互联的社会，智能网联汽车之间也通过网络保持连接。

个人终端设备的网络连接，大多以无线连接为主，但有线局域网（LAN）还是广泛应用于办公室、家庭等场景中。现在，整个汽车行业都在推进以太网（以及TCP/IP）在车载LAN方面的应用，作为下一代车载网络技术，以太网在汽车行业内备受瞩目。

本篇文章将从车载以太网的背景、作用和标准动向到相关协议的概要进行说明。

· 为什么汽车上需要以太网？

自碰撞轻减系统推出，已过去了很多年。如今的汽车都配备了多项高级自动驾驶辅助功能，自动驾驶水平达到了L2或者更高的水平，汽车技术的进化和变革浪潮从未停止。变革的关键词为“CASE”，取自互联（Connected）、自动（Autonomous）、共享（Sharing）、电动（Electric）的首字母缩写。在这些领域，汽车行业与崛起中的其他行业不断融合，其核心技术将大大改变。

为了使汽车更加便利，我们设法让汽车与外部世界连接。为了应对这些变化，车载网络和E/E（电子/电气）架构将发生巨大的变化。以下是具体的影响和变化，例如：

• 通信数据量增加（更高的传感器分辨率，网络安全措施）
• 从分布式处理到集中处理（高性能计算机的导入）
• 从静态配置到动态配置（出厂后功能的添加/更改，资源共享）

• 网络类型的减少

图1 为了应对汽车的革命性变化趋势，车载网络和E/E架构发生了巨大变化

也就是说，我们要将大量有用的信息又快又准确的传递给需要的一方，但是对方在网络中的位置，是我们未知的，并且所在的位置也不固定。

未来的完全自动驾驶汽车将会搭载更多的传感器。据说，为了应对数量暴增的传感器所发出的庞大数据量，需要更快的Gbps通信速度。CAN总线作为车载网络骨干网已经有超过三十年的时间。但是即便是更快的 CAN FD 数据比特率最高也只有8Mbp，显然是不够的。最重要的是，CAN采取的是在总线上先发送信息，必要时再取入的形式，没有一个机制是可以将特定的信息传递给特定的对象。然而，随着信息量的增加，在庞大的信息量的情况下，能够把信息传输给“指定的对方”，这一点格外重要。

· 以太网的应用

前文我们提到的“庞大的数据量”“更快的网络”“未知的位置”“特定的信息接收方”，要满足这些条件，就要在车内建立一个类似于网络的结构。

以太网（包括经常同时使用的上层协议TCP/IP）作为现代互联网的基础技术之一，毫无意外的被选中。对于以太网的期望，自然是能提供超高速的数据通信，以起到如下作用：

• 骨干网络

• 自动驾驶，ADAS
• 信息娱乐

图2 通过以太网从中央网关连接到每个域控制器

图3 以高性能计算机为中心，通过高速以太网连接到每个区域

图4 高性能计算机与每个传感器/执行器之间通过以太网的直接连接

· 以太网究竟是什么？

我们一直在说“以太网“这个词，那么以太网究竟是什么呢？对于比较熟悉网络协议的人来说，会把公司内部网络LAN称为”以太网“，这种说法可能不太正确。原因在前文注明的（包括经常同时使用的上层协议TCP/IP）已经解释过了。

以太网是在70年代初期推出的，1983年IEE 802.3标准正式发布。初期的以太网是基于同轴电缆的，与总线型连接组成。由基于LAN协议的以太网设备（如交换集线器、第二层交换机）组成的网络与上层协议TCP/IP相结合，构成了当前的LAN网络，这种情况是很普遍的。因此，我认为LAN约等于以太网+TCP/IP，把”以太网“称为是LAN网络的并不在少数，但其实以太网只是LAN的一部分。

OSI参考模型和PDU（PCI / SDU）

那么“以太网”和“（上层协议）TCP / IP”之间有什么区别？讲到这里，就不得不提讲到网络协议，那就不得不说互联网中的一种基本的网络模型框架：OSI参考模型，它有助于我们理解两者之间的差异。OSI全称为开放系统互联 （Open System Interconnection），正如名称所示，该模型是由国际标准化组织（ISO）制定，它表示用于实现不同计算机网络和通信系统之间的信息交换的通信功能的结构，并且是通信所需的功能，是一个分为7层的模型。分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

模型每一层都运行不同的协议，都有不同的作用，且由上层处理来自下层所提供的实际数据，如此一来，每个通信协议对应于哪个模型层，以及要在哪个层做切口再接入，都更加容易了。下图展示了每个层的名称和简要说明，以及协议的对应关系，这在下面的内容也会详细介绍。OSI说到底也只是个“参考”，不是一个严格的定义，仅仅具有理论意义，实际操作中有很多情况是不适合这个框架的，但是你要记住这个模型，会更有利于你对协议的理解。

图5 车载应用中使用的OSI参考模型层和协议

如图5，以太网对应于第一层物理层和第二层数据链路层，IP 对应于第三层网络层，TCP/UDP 对应于第四层传输层。也就是说，以太网和 TCP/IP 具有不同的作用（层次结构）。

物理层负责安排在信息在物理介质的交换，例如使用哪种介质，在介质上如何表示位 （0/1），以什么速度执行信息交换，以及用什么单位进行通信。

数据链路层负责对由物理层定义的单位（帧）赋予含义，定义信息的单位，同时定义必要的标识符以交换信息。网络层负责提取数据链路层承载的信息，并根据情况将其传输到不同的通信路径。此外，网络层上面的传输层集成了网络层承载的信息，检测错误，保证信息正确的传输。

如下图所示，每个层都有不同的作用，并且每一层都有通信时需要遵守的规定。当此类规定和通信的过程跨越了多个层，控制多个实体之间的通信，我们称之为协议。前文提到的“上层协议”指的是在OSI参考模型中位于“上层”，上层协议仅处理来自下层协议且对自身协议有用的信息。

这里所说的'来自下层协议且对自身协议有用的'是什么意思？实际上，在分层协议中，控制信息会随着从上层到下层的添加而增加，并且大小会逐渐增加。相反，越往上层，所携带的实际数据就越小。

换句话说，由特定协议处理的信息分为三部分，一是该协议的控制信息，称为PCI（协议控制信息），二是该协议本身携带的信息，并要传递给更高级别协议的实际信息，成为SDU（服务数据单元），三是前两者的结合，称为PDU（协议数据单元）。模型的每个层，都是一层套着一层的。

图6 PDU结构和协议层

举个例子，发快递的时候，先把多个东西分别包装到不同的纸箱里，再根据目的地，把同一个目的地的纸箱放到一个篮子里，再把多个篮子分别装到卡车上，这样一来，就有了多个篮子和装有多个篮子的卡车。这就是一个嵌套的结构，本篇连载将更新的文章中，表示相同概念的词将会以不同的表达方式反复出现（例如MAC地址、IP地址、端口），并表示原则上，仅在该层次结构中直接处理该项所指示的信息。

从笔者自身的经验来看，OSI模型在学习以太网以及TCP/IP的时候最容易理解的一个知识点了。如果你只是想明白一个大概，你可以理解为“下层是为了传达给上层协议的信息的基础设施”。如果你想了解更详细的技术，可以点击链接，参加牛喀学城的技术培训：《车载以太网物理层、AVB/TSN和网络安全培训》

下期预告：

本文我们已经介绍了以太网作为车载网络技术的背景和作用，以太网（和TCP / IP）与OSI参考模型之间的关系，以及PDU的结构。从下一篇开始，笔者将从底层物理层开始，依次讨论OSI参考模型。其中的第3层（IP）和第4层（TCP / UDP）并不只适用于汽车，但汽车中使用的高级协议（例如SOME / IP和DoIP）取决于这些层和协议，我将会一起介绍。