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01

傳統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

很明顯的，車(chē)載以太網(wǎng)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一種車(chē)載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。所以，在開(kāi)始介紹車(chē)載以太網(wǎng)之前，我們要先介紹一下傳統(tǒng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。傳統(tǒng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)主要有CAN、LIN、FlexRay 及 MOST。

• CAN 總線是一個(gè)性能穩(wěn)健并久經(jīng)車(chē)輛實(shí)踐應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，具備成本低與高可靠性特點(diǎn)，已成為各汽車(chē)制造商車(chē)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)用的首選網(wǎng)絡(luò)；

• LIN 總線適合用于汽車(chē)車(chē)窗、天窗、座椅、車(chē)內(nèi)照明等通信速度較低的應(yīng)用場(chǎng)景，在滿足通信速度需求與無(wú)需 CAN 總線性能的同時(shí)可進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)成本，因此在現(xiàn)代汽車(chē)應(yīng)用中通常作為 CAN 總線的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)；

• FlexRay 提供兩個(gè)獨(dú)立信道，采用雙信道冗余結(jié)構(gòu)，基于時(shí)間發(fā)送報(bào)文，所有節(jié)點(diǎn)共享高準(zhǔn)確時(shí)基，實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的可靠性，該總線用于滿足汽車(chē)環(huán)境下獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)需求，支持重要的安全線控技術(shù)應(yīng)用，如線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)等，廣泛用于德系豪華車(chē)的底盤(pán)系統(tǒng)與輔助駕駛系統(tǒng)；

• MOST 用于滿足車(chē)載信息娛樂(lè)應(yīng)用的特殊需求，內(nèi)置流媒體數(shù)據(jù)信道，高數(shù)據(jù)帶寬，支持多種光纖電纜布線方式，EMC 性能良好，主要應(yīng)用于汽車(chē)音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸；

2010年之后，汽車(chē)電子行業(yè)開(kāi)始爆發(fā)，導(dǎo)致ECU的數(shù)量和運(yùn)算能力和傳輸帶寬等方面的需求都呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，而這個(gè)現(xiàn)象在ADAS時(shí)代和即將到來(lái)的無(wú)人駕駛時(shí)代將會(huì)更加明顯，這就造成汽車(chē)電子系統(tǒng)成本大增：

一方面是ECU系統(tǒng)數(shù)量和質(zhì)量的增加，由于是分布式計(jì)算，大量的運(yùn)算資源被浪費(fèi)了，由此產(chǎn)生的成本增加大約300-500美元，如果沿用目前的電子架構(gòu)體系，產(chǎn)生的成本增加最少也是1000美元。

另一方面是線束系統(tǒng)。一輛低端車(chē)的線束系統(tǒng)成本只要大約300美元，重量大約30公斤，長(zhǎng)度大約1500米，線束大約600根，1200個(gè)接點(diǎn)。而目前一輛豪華車(chē)的線束系統(tǒng)成本大約550-650美元，重量大約60公斤，線束大約1500根，長(zhǎng)度大約5000米，3000個(gè)接點(diǎn)。如果沿用目前的電子架構(gòu)體系，無(wú)人車(chē)時(shí)代的線束成本不會(huì)低于1000美元，重量可達(dá)100公斤。

02

車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

如上所述，隨著汽車(chē)科技化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，汽車(chē) ADAS 系統(tǒng)、高清車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、云服務(wù)及大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在車(chē)輛上的應(yīng)用，現(xiàn)有車(chē)載總線無(wú)法滿足當(dāng)前需求，亟需一種高帶寬、可開(kāi)放、可擴(kuò)展、兼容性強(qiáng)及網(wǎng)絡(luò)聚合便捷的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)滿足車(chē)載嚴(yán)格法規(guī)要求、車(chē)載電氣環(huán)境、高可靠性要求。因此，一種新型車(chē)載網(wǎng)絡(luò)（車(chē)載以太網(wǎng)）應(yīng)運(yùn)而生。

車(chē)載以太網(wǎng)是一種連接車(chē)內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，與普通民用以太網(wǎng)使用 4 對(duì)非屏蔽雙絞線電纜不同，車(chē)載以太網(wǎng)在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn) 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)滿足汽車(chē)行業(yè)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。因此可以理解為，車(chē)載以太網(wǎng)在民用以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，改變了物理接口的電氣特性，并結(jié)合車(chē)載網(wǎng)絡(luò)需求專門(mén)定制了一些新標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)車(chē)載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE組織也對(duì)IEEE 802.1和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)充和修訂。

車(chē)載以太網(wǎng)被定義為下一代車(chē)載局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，短期內(nèi)無(wú)法全部取代現(xiàn)有車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，其在汽車(chē)行業(yè)上的應(yīng)用需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。依據(jù)車(chē)載以太網(wǎng)在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用過(guò)程，大致可分為 3 個(gè)階段：局部網(wǎng)絡(luò)階段、子網(wǎng)絡(luò)階段、多子網(wǎng)絡(luò)階段。

局部網(wǎng)絡(luò)階段，可單獨(dú)在某個(gè)子系統(tǒng)上應(yīng)用車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能，如基于 DoIP 協(xié)議的 OBD 診斷、使用 IP 協(xié)議的攝像頭等；

子網(wǎng)絡(luò)階段，可將某幾個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行整合，構(gòu)建車(chē)載以太網(wǎng)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能，如基于 AVB 協(xié)議的多媒體娛樂(lè)及顯示系統(tǒng)、ADAS 系統(tǒng)等；

多子網(wǎng)絡(luò)階段，將多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，車(chē)載以太網(wǎng)作為車(chē)載骨干網(wǎng)，集成動(dòng)力、底盤(pán)、車(chē)身、娛樂(lè)等整車(chē)各個(gè)域的功能，形成整車(chē)級(jí)車(chē)載以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載以太網(wǎng)在車(chē)載局域網(wǎng)絡(luò)上的全面應(yīng)用。

車(chē)載以太網(wǎng)協(xié)議是一組多個(gè)不同層次上的協(xié)議簇，但通常被認(rèn)為是一個(gè)4層協(xié)議系統(tǒng)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，每一層具有不同的功能。4層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于 OSI 參考模型，并且提供了各種協(xié)議框架下形成的協(xié)議簇及高層應(yīng)用程序，車(chē)載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)下圖。

03

車(chē)載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)有啥區(qū)別

以太網(wǎng)是由鮑勃梅特卡夫（Bob Metcalfe）于1973年提出的，以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)）技術(shù)，目前通常使用雙絞線（UTP線纜）進(jìn)行組網(wǎng)。包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆網(wǎng)（1Gbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)。它們都符合IEEE802.3 。

以太網(wǎng)中所有的傳輸都是串行傳輸，就是說(shuō)在網(wǎng)卡的物理端口會(huì)在每一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)“寫(xiě)入”或是“讀取”一個(gè)電位值（0或1）。那么這個(gè)單位時(shí)間對(duì)于1Gbps帶寬來(lái)說(shuō)就是1÷1000,000,000=1ns，每8個(gè)位（bit）相當(dāng)于1個(gè)字節(jié)（Byte）。多個(gè)字節(jié)（Byte）可以組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)是以幀為單位的。以太網(wǎng)規(guī)定每一個(gè)數(shù)據(jù)幀的最小字節(jié)是64byte，最大字節(jié)是1518byte。實(shí)際上每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間還會(huì)有一個(gè)12字節(jié)的間隔。

由于帶寬通常是由多個(gè)設(shè)備共享的，這也是以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)所在。但是所有的發(fā)送端沒(méi)有基于時(shí)間的流量控制，并且這些發(fā)送端永遠(yuǎn)是盡最大可能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這樣來(lái)自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)流就會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生重疊，即我們通常所說(shuō)的沖突。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)流重疊/沖突的部分會(huì)遵循QoS優(yōu)先機(jī)制【QoS，Quality of Service，即服務(wù)質(zhì)量，它提供了針對(duì)不同用戶或者不同數(shù)據(jù)流采用相應(yīng)不同的優(yōu)先級(jí)，或者是根據(jù)應(yīng)用程序的要求，保證數(shù)據(jù)流的性能達(dá)到一定的水準(zhǔn)】進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，一部分的數(shù)據(jù)包肯定會(huì)被丟棄。在IT專業(yè)里有一個(gè)不成文的規(guī)定。當(dāng)某個(gè)交換機(jī)的帶寬占用率超過(guò)40%時(shí)就必須得擴(kuò)容，其目的就是通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)避免擁堵的產(chǎn)生。

由于以太網(wǎng)的發(fā)明時(shí)間太早，并沒(méi)有考慮實(shí)時(shí)信息的傳輸問(wèn)題。盡管RTP（Realtime Transport Protocol）能在一定程度上保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，但并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制。因此，想要對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，就離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的緩沖（Buffer）。但一旦采用緩沖的機(jī)制就又會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題—極大的“延時(shí)”。換句話說(shuō)，當(dāng)數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臅r(shí)候從不考慮延時(shí)、排序和可靠交付。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)最大的缺點(diǎn)是不確定性或者說(shuō)非實(shí)時(shí)性，由于Ethernet采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求，一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。盡管傳統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)引入了優(yōu)先級(jí)(Priority)機(jī)制，三層網(wǎng)絡(luò)也已內(nèi)置了服務(wù)質(zhì)量（QoS）機(jī)制，仍然無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的傳輸。

此外，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，只有當(dāng)現(xiàn)有的包都處理完后才會(huì)處理新到的包，即使是在Gbit/s的速率下也需要幾百微秒的延遲，滿足不了車(chē)內(nèi)應(yīng)用的需求。更何況目前是Mbit/s的速率，延遲最多可能達(dá)上百毫秒，這肯定是無(wú)法接受的。普通以太網(wǎng)采用的是事件觸發(fā)傳輸模式，在該模式下端系統(tǒng)可以隨時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于端系統(tǒng)的服務(wù)也是先到先服務(wù)。事件觸發(fā)模式的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是當(dāng)幾個(gè)端系統(tǒng)需要在同一傳輸媒介上進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，所產(chǎn)生的傳輸時(shí)延和時(shí)間抖動(dòng)會(huì)累積。

04

EAVB和TSN技術(shù)是什么

隨著音視頻娛樂(lè)大量進(jìn)入汽車(chē)座艙，IEEE開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)用于音視頻傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)，這就是EAVB。EAVB即Ethernet Audio VideoBridging，翻譯過(guò)來(lái)就是以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)。它是IEEE的802.1任務(wù)組于2005開(kāi)始制定的一套基于新的以太網(wǎng)架構(gòu)的用于實(shí)時(shí)音視頻的傳輸協(xié)議集。

以太網(wǎng)默認(rèn)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制叫做“Best Effort”，即盡力而為。也就是說(shuō)當(dāng)數(shù)據(jù)包抵達(dá)端口后，本著先入先出的原則轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的流量稀疏，這本不是一個(gè)問(wèn)題。但在實(shí)際環(huán)境中，大量的數(shù)據(jù)包極有可能在一瞬間抵達(dá)端口。當(dāng)然，端口可以在一定程度上緩存并延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，但我們一方面是不能容忍過(guò)大的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，另一方面交換機(jī)的物理端口緩存也非常小，不可能有效解決大量數(shù)據(jù)包瞬間抵達(dá)的問(wèn)題。這種情況下，我們只能對(duì)數(shù)據(jù)中比較重要或是強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。這就要依靠QoS來(lái)對(duì)所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類(lèi)和標(biāo)注，并依據(jù)規(guī)則來(lái)進(jìn)行較為智能的轉(zhuǎn)發(fā)。目前市場(chǎng)上較大多數(shù)的需要低延時(shí)的實(shí)時(shí)傳輸采用QoS這一技術(shù)。但QoS能否徹底解決網(wǎng)絡(luò)擁堵的問(wèn)題嗎？

由于Best Effort的機(jī)制，通常具有一定帶寬的一個(gè)數(shù)據(jù)流會(huì)在每秒中不同時(shí)間段傳輸，盡管所占用的帶寬相等，但在每個(gè)時(shí)間段上的時(shí)間節(jié)點(diǎn)卻不同。如下圖所示，這樣在多個(gè)數(shù)據(jù)流共存的時(shí)候，就會(huì)很容易產(chǎn)生帶寬重疊的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致丟包。

?我們所希望看到的是每一個(gè)數(shù)據(jù)流都盡可能按照時(shí)間順序排序從而有效避免不同數(shù)據(jù)流在同一通道中傳輸時(shí)產(chǎn)生重疊，進(jìn)而提高帶寬的利用率。如下圖所示：

我們發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)音視頻流恰好是沿等長(zhǎng)的時(shí)間間隔發(fā)布數(shù)據(jù)的。比如說(shuō)：一個(gè)24比特48K采樣的專業(yè)音頻通道，每個(gè)采樣的時(shí)間間隔是20.83 μs。如果我們按照每6個(gè)采樣封裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包的固定間隔就是125 μs。每個(gè)數(shù)據(jù)包是由兩個(gè)部分組成，數(shù)據(jù)報(bào)頭（74字節(jié)）+音頻通道采樣數(shù)據(jù)（24字節(jié)X通道數(shù)）。

為了避免帶寬重疊，我們所需要做的就是將幾個(gè)不同的音頻流進(jìn)行流量整形（Traffic shaping）。以達(dá)到提高可靠交付的目的。這里大家要注意，我指的是流量整形而不是流量控制（Traffic Control）。

比如在一個(gè)帶寬里，有非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和3個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。未經(jīng)整形的帶寬，極易產(chǎn)生重疊：

而經(jīng)過(guò)流量整形每個(gè)流所占的帶寬會(huì)在同一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。所有的非實(shí)時(shí)流可以見(jiàn)縫插針提高對(duì)帶寬的占用率。這就是AVB的基本原理。

AVB不僅可以對(duì)發(fā)送端比如各種音視頻設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行流量整形，還可以對(duì)交換機(jī)中的每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整形。從而確保每個(gè)音視頻流只占用各自相應(yīng)的帶寬而不對(duì)其他數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

EAVB與傳統(tǒng)以太網(wǎng)比有4個(gè)不同：

必須采用基于MAC地址的傳輸方式即二層傳輸或是基于IP地址UDP的傳輸方式，從而減小數(shù)據(jù)包的開(kāi)銷(xiāo)以及降低傳輸延時(shí)；

由于二層傳輸和UDP均不屬于可靠交付，因此必須依靠QoS來(lái)“盡可能”保障可靠交付；

所有數(shù)據(jù)包需要有“時(shí)間戳”(Time Stamp)，數(shù)據(jù)抵達(dá)后根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的“時(shí)間戳”進(jìn)行回放。因此各個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備必需進(jìn)行“時(shí)鐘同步”也就是通常所說(shuō)的時(shí)鐘校準(zhǔn)；

數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需采用隊(duì)列協(xié)議按序轉(zhuǎn)發(fā)，從而盡可能做到低延時(shí)；

但是EAVB一直沒(méi)推廣開(kāi)，原因在于汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)傳輸音視頻流最典型的應(yīng)用是后座娛樂(lè)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)完全不用考慮延遲，那就是哄小孩的。而其他應(yīng)用大多是純視頻，EAVB需要硬件壓縮然后再解壓，這就大幅度增加成本。純視頻可以采用低成本傳輸方式，比如GMSL、MIPI或FPDLINK。所以EAVB一直沒(méi)有什么應(yīng)用，在2011年3月，美國(guó)SAE跨界推出AS 6802標(biāo)準(zhǔn)，這是一種飛機(jī)航天領(lǐng)域內(nèi)以太網(wǎng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，也可以在汽車(chē)上用。IEEE受到刺激，在2012年11月，將EAVB小組改名為T(mén)SN（Time Sensitive Networking），翻譯過(guò)來(lái)就是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。

TSN主要定位數(shù)據(jù)鏈路層，在物理層方面，IEEE也做了新標(biāo)準(zhǔn)，這就是IEEE 802.3bp和IEEE 802.3bw，IEEE的目標(biāo)不僅是車(chē)載領(lǐng)域，還包括了工業(yè)以太網(wǎng)。TSN主要支持者包括思科、英特爾、瑞薩、德國(guó)工業(yè)機(jī)器人巨頭KUKA、三星哈曼、寶馬、通用汽車(chē)、現(xiàn)代汽車(chē)、博世、博通、德州儀器、NXP、三菱電機(jī)、LG、Marvell、模擬器件，通用電氣。TSN是一系列標(biāo)準(zhǔn)，非常龐大，也非常靈活，可以按需求選擇，不過(guò)對(duì)技術(shù)實(shí)力差的廠家來(lái)說(shuō)就很痛苦，不知如何選擇。

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吉利汽車(chē)、上汽乘用車(chē)、長(zhǎng)城汽車(chē)、上汽大眾、長(zhǎng)安汽車(chē)、北京汽車(chē)、東風(fēng)汽車(chē)、廣汽、比亞迪、一汽集團(tuán)、一汽解放、東風(fēng)商用、上汽商用......

全球領(lǐng)先一級(jí)供應(yīng)商：

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