汽车以太网对TCP/IP协议簇的应用

汽车以太网与传统以太网的主要区别在于物理层及应用层，而网络层及传输层大多参考传统应用，即TCP/IP协议簇（TSN暂不讨论）。使用传统网络TCP/IP协议簇，既能加快汽车以太网数据传输的速度，又能与因特网无缝连接，从而实现车内与车外的信息交互。同时，还具有良好的扩展空间以及支持新增上层应用协议的传输。

OSI（开放系统集成）模型是通信行业的基本模型，具体规定了每一层所应具备的功能：

　　第七层：应用层     定义了用于在网络中进行通信和数据传输的接口 - 用户程式；提供标准服务，比如虚拟终端、文件以及任务的传输 和处理； 
　　第六层：表示层     掩盖不同系统间的数据格式的不同性； 指定独立结构的数据传输格式； 数据的编码和解码；加密和解密；压缩和 解压缩 
　　第五层：会话层     管理用户会话和对话； 控制用户间逻辑连接的建立和挂断；报告上一层发生的错误 
　　第四层：传输层     管理网络中端到端的信息传送； 通过错误纠正和流控制机制提供可靠且有序的数据包传送； 提供面向无连接的数 据包的传送； 
　　第三层：网络层     定义网络设备间如何传输数据； 根据唯一的网络设备地址路由数据包；提供流和拥塞控制以防止网络资源的损耗 
　　第二层：数据链路层 定义操作通信连接的程序； 封装数据包为数据帧； 监测和纠正数据包传输错误 
　　第一层：物理层      定义通过网络设备发送数据的物理方式； 作为网络媒介和设备间的接口；定义光学、电气以及机械特性。

而TCP/IP协议簇亦是一种分层结构，相对应OSI模型中的第三层网络层及第四层传输层。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议包含了一系列构成互联网络基础的网络协议，是Internet的核心协议。

TCP/IP协议簇的每一层包含的都是一些相对独立的协议，使用时可以根据系统的需要把这些协议混合并重新搭配。当应用层的数据用TCP传送数据时，数据首先被传送到协议栈中，然后逐层封装，最后在物理层以比特流的形式进行传输。其中在每一层的封装过程中都要增加一些首部信息（有时也需要尾部信息）。具体封装过程如上图所示，首部信息中相应字段用来表明本层所服务的上层协议类型，接收端可以依据这些字段进行分用。

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接下来分别介绍一下网络层及传输层的一些主要协议。

1. 网络层

以太网在数据链路层传输数据时，局限于一个子网内。若两个不在同一子网的设备需要进行通信，就需要借助路由器进行数据转发。因此传输过程中就需要找到一种方法，能够区分MAC地址是否在同一个子网内，而MAC地址本身无法实现这一点。因机是否属于同一个子网。这套地址也称做“网络地址”，即IP地址。

• IP协议：

  IP协议是TCP/IP协议簇的核心，传输层上的数据信息和网络层上的控制信息都以IP报文的形式传输。IP协议定义的地址称为IP地址，IPv4地址是一个32位的地址，它定义了一台主机或路由器与因特网连接时全球唯一的地址。使用IP地址判断设备是否在同一子网的方法就是将IP地址与子网掩码作“与”运算，求各自的子网地址，如果相同则在同一子网中。

  网络层传输的数据内容称为数据报文，包含首部和数据两个部分。IP报文首部如上图所示。主要包含了版本号、长度、IP地址、分片等信息。IP报文的首部长度为20到60字节，整个数据报文的总长度最大为65535个字节，而以太网帧（二层报文）的数据部分最长只有1500字节，因此如果IP报文长度超过了1500字节，就需要进行分片传输。

  汽车行业中通常会将车内节点设置为静态IP地址，即预先分配好固定的IP地址。而车外节点（比如T-Box、诊断边缘节点等）则会通过DHCP分配动态IP地址。

• ARP协议：

  IP数据传输是封装在以太网帧中传输的，因此传输过程中同时需要MAC地址及IP地址。而通常情况下目标主机的IP地址是已知的，而MAC地址是不知道的，所以就需要一种能够通过目标主机IP地址获得其MAC地址的机制。这里又可以分为两种情况。

  • 第一种情况：如果两个主机不在同一子网内，就需要把数据报文发送到两个子网连接处的路由器或网关（Router/Gateway），让网管处理。
  • 第二种情况：如果两台主机在一个子网内，那么就需要使用ARP协议，得到目的主机的MAC地址。 

       ARP协议也是通过发送数据报文（封装在以太网帧中）来实现的。其报文中包含发送端的IP地址及MAC地址，接收端的IP地址，在接         收端的MAC地址处输入全0（因为此时不知道MAC地址，以全0代替）。以太网帧的目的地址填入全F，表示这是一个广播地址（此时         不知道接收端目的地址，广播发送给同一子网的所有主机），这些主机接收到数据报文之后，将目的IP地址与自己的IP地址表作比             较。若不同则丢弃，若相同则以单播方式向发送端发送ARP应答报文以报告自己的MAC地址。

• ICMP协议：

  由于IP协议提供的是不可靠的、无连接的数据传输方式，它本身缺少差错报告和纠正机制，ICMP协议就是为了弥补这个缺憾而产生的，其负责网络中的错误处理。虽然ICMP是一个网络层协议，但是它的报文是先封装成IP报文，然后再封装到以太网帧中。如平时我们使用“ping命令”发送回送请求与应答报文来确定两台主机或路由器在IP层能否通信，就是一种典型的ICMP协议的应用。

传输层

有了MAC地址和IP地址，我们就可以在互联网上任意两台主机之间建立通信。但同一台主机上有许多程序（进程）都需要使用网络。比如，当我们一边浏览网页，一边使用QQ聊天时，一个数据包从网络上发来时，无法分辨出它表示的是网页的内容，还是聊天的内容。因此，还需一个参数来表示该数据包供哪个程序使用，这个参数就是端口（Port）。其本身就是不同网卡的程序编号，不同的程序对应于不同的端口。传输层的功能就是建立端口到端口的通信。只要确定了主机和端口，就可以实现程序之间的通信。代表主机的IP地址与端口号组合后成为“套接字”（socket）。

• UDP协议：

UDP是一种简单的、无连接、不可靠的传输协议。若某进程需要发送一个不关心其可靠性的报文，可使用UDP。UDP报文同样由首部和数据部分组成，首部主要定义了发送和接收端口。UDP报文封装在IP数据段中。UDP没有流量控制机制，在收到分组之后也不会有确认，但是它提供了某种程度的差错控制。如果在收到的UDP分组中检测到错误，则说明需要丢弃该分组。

▶TCP协议：

不同于UDP，TCP是一种面向连接的、可靠的传输协议。它能够保证两端通信主机之间的信息可达。在传送数据前，源主机需要先和目的主机建立连接，然后在此连接上，按顺序收发带有编号的数据段。同时，需要对每个数据段进行确认，如果指定时间内没有收到确认，源主机重发该数据段。数据传输完毕之后还需要将连接关闭。TCP能够正确处理传输过程中丢包、传输顺序错乱等异常情况。

TCP报文同样由首部和数据部分组成，如上图所示首部中包含了源/目的端口、序号、确认号、控制字段等。这些控制字段主要用在TCP的流量控制、连接建立和终止、连接异常终止以及数据传送方式等方面。虽然在某些特定应用场合中，TCP/IP协议未来有可能会被AVB/TSN协议所取代，但截至目前，仍然是汽车以太网通信中普遍采用的通信方式。许多汽车相关的应用层协议诸如DoIP、SOME/IP、UDPNM等都是基于TCP/IP实现的。TCP/IP中Socket的设计是SOA架构设计中的重要部分，而TCP/IP协议栈的开发或集成则是以太网节点实现中的重要部分。