基于OSI模型的车载以太网

一、

车载以太网是汽车内部使用的网络连接技术，支持各个电子设备之间的传输和通信。

车载以太网的实现功能：娱乐系统、导航系统、车辆诊断维护、驾驶辅助。

车载以太网较传统以太网的差异：根据使用环境，车载以太网需要考虑振动、温度变化、电磁干扰，物理上采用汽车级连接器。根据实际需求，传统以太网的数据传输速率为千兆或万兆，车载以太网为百兆或千兆。

二、

OSI模型将网络通信划分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。车载以太网参考OSI模型分为五层。

SOME/IP：支持车辆中不同电子控制单元（ECU）之间的通信。

DHCP：自动分配IP地址和其他网络配置信息给网络上的设备，简化网络设备的配置过程。

DOIP:诊断协议，在车辆诊断系统中进行网络通信的协议。通过DOIP，诊断工具远程访问车辆中的ECU，读取写入诊断数据，执行诊断操作，并对车辆进行远程诊断和维护，支持数据加密和身份验证。

XCP：测量和校准协议，便于对车辆的电子控制单元（ECU）进行测量、校准和诊断操作。测量和校准工具可以向ECU发送命令，如读取和写入ECU内部的参数、测量实时数据、修改控制参数等。ECU则响应这些命令并返回相应的数据或执行相应的操作。

UDPNM:以太网网络管理，同硬件无关的协议，它可以在基于TCP/IP的系统上运行，可以检测当前所有节点的状态。（NM packets是广播发送的，每个节点都能监听到。只要有节点发送NM packets就说明NM-cluster是wake态，或者不让它进入sleep状态。如果有节点想进入sleep，则需停止发NM packets。如果收到其他节点发来的NM packets，必须推迟进入sleep。如果经过一段时间，节点没有收到NM packets，所有的节点从transmition进入到sleep modes。如果有节点需要进行bus-communication，它可以通过发送NM packets保持NM-cluster awake状态。对于每一个节点，只要需要进行bus-communication，都得周期性发送NM messages。除需进行bus-communication，其他的情况不发送NM messages。）

AVNTP是指汽车娱乐导航传输协议。用于在车辆中传输音视频和导航数据的协议，定义了数据传输的格式、编码和控制规范，支持车载娱乐系统和导航系统之间的数据交互。

gPTP：一种用于实现高精度时间同步和时钟分发的网络协议。

（一）、物理层

物理层提供了高速、高带宽的通信基础。物理层标准常见三个，其中如上图100BASE-T1用于传输100 Mbps的数据速率，用双绞线作为传输介质，并采用特定的电气特性和编码技术。特点：

1、传输介质：车载以太网可使用多种传输介质，常见是双绞线和光纤。双绞线用于短距离通信，而光纤适用于长距离通信或对抗电磁干扰的环境。

2、连接器：常见的连接器类型有RJ45（8P8C）连接器和光纤连接器（如LC、SC等）。

3、传输速率：车载以太网的物理层支持不同的传输速率，例如100 Mbps、1 Gbps或更高。

4、电气特性：车载以太网要满足在汽车环境下的特殊电气要求，包括抗电磁干扰、抗噪声和抗振动等。为了实现这些特性，车载以太网使用了特殊的物理层编码和调制技术。

（二）、数据链路层

数据链路层将数据分割为帧进行传输，实现帧的发送和接收、帧同步、流量控制、差错检测等。用的数据链路层协议是Ethernet MAC（媒体访问控制）协议。

1、帧格式：使用与传统以太网相似的帧格式，包括前导码（8字节，同步和定时）、起始帧界定符（标志前导码结束）、目标MAC地址（6字节）、源MAC地址（6字节）、长度/类型字段（2字节表示数据字段长度、上层协议类型）、数据字段、帧校验序列（4字节，接收端校验）。

2、媒体访问控制（MAC）：确保不同节点在共享介质上的数据传输不会发生冲突。管理对共享传输介质的访问，定义帧的传输规则、帧同步机制和冲突检测等。

3、帧同步：保持发送和接收同步，确保数据可靠传输正确解析。

4、流量控制：管理数据的发送和接收速率，避免数据丢失或溢出。

5、差错检测：检测帧传输中可能出现的错误。

（三）、网络层

网络层通常使用IP作为主要协议。IP协议用于在网络中传输数据包，提供源和目的地的逻辑通信。功能：

1.IP地址：网络层使用IP地址来唯一标识网络中的设备。其中IPv4使用32位地址，而IPv6使用128位地址。

1、路由选择：网络层根据目标IP地址选最佳路径（路由）转发数据包。

2、分组交换：车载以太网的网络层使用分组交换技术，将大的数据包分割成较小的数据包，每个数据包都带有目标和源IP地址。数据包独立进行路由和转发，在目的地组装成完整的数据包。

3、IP协议族：车载以太网的网络层不仅包括基本的IP（IPv4和IPv6），还包括与IP相关的协议，如ARP用于IP地址与MAC地址的解析，ICMP用于网络状态和错误报告。

4、网络互联：车载以太网的网络层可以通过路由器和交换机等设备进行不同网络之间的互联。

（四）、传输层

传输层负责提供端到端的可靠数据传输和通信服务，基于网络层为应用层提供数据传输的功能和服务。常见的传输层协议包括TCP和UDP。

TCP提供面向连接的可靠数据传输，使用三次握手建立连接，提供数据的有序传输、数据的分段和重组、流量控制和拥塞控制等。TCP适用对数据传输的可靠性和顺序性有较高要求的应用，如文件传输、远程登录。

UDP提供无连接的不可靠数据传输，不保证数据的可靠传输和顺序性但传输延迟低。UDP适用于对实时性要求较高的应用，如音频和视频传输、实时数据采集等。

（五）、应用层

在车载以太网中，应用层涉及到各种应用程序和服务，用于实现车辆内部的数据交换、通信和控制。功能及特点：

1、车辆诊断和维护：车辆内部的电子控制单元（ECU）和传感器可以通过以太网诊断维护。应用层协议如UDS和OBD用于实现车辆故障诊断、参数读取和ECU编程等。

2、多媒体和娱乐系统：支持多媒体和娱乐系统，如音频播放器、视频显示和控制界面等。应用层协议如RTSP和MTP用于多媒体流的传输和控制。

3、导航和位置服务：导航和位置服务包括地图显示、导航指引和实时交通信息。应用层协议如NDS和OLP用于导航数据的交换和处理。

4、远程车辆控制：车辆可以与外部服务器进行通信，实现远程车辆控制功能。包括远程门锁解锁、启动引擎、预热或预冷车辆等。应用层协议如V2C和V2X用于车辆与云平台或其他车辆的通信。

5、车联网和智能交通系统：车联网和智能交通系统的应用，如交通流管理、智能车辆间通信和车辆到基础设施的通信。应用层协议如DSRC和C2X用于车辆之间和车辆与基础设施之间的通信。

三、

CAN（Controller Area Network）和LIN（Local Interconnect Network）是两种常见的串行通信协议，用于在车辆电子系统中传输数据。

CAN总线：CAN是Controller Area Network（控制器局域网），是国际标准化的串行通信协议。

组成：电控单元（ECU）、传输介质双绞线、终端电阻。（理论上不限制ECU结点，实际上线路长传输效率低，CAN总线结点可达上百个，每个ECU独立完成网络数据交换、测控。）

优点：控制单元间数据在同一平台交换。CAN总线上并联多个控制单元，可以实现通过控制单元来控制系统。可控制多单元进行诊断并自诊断。适配各种传输介质。方便加装备。

CAN总线结构特点：准确识别传输故障。某一控制单元故障不影响其他。两控制单元间的数据五偏差，若有故障所有原件被通知。数据交换速率快。双线传输抗干扰。

LIN总线：低成本、低速率的串行通信协议，用于连接简单、低速设备的通信。

CAN和LIN总线通常在车辆电子系统中同时存在，各自用于不同的设备和通信需求。CAN总线和LIN总线的区别：

1、通信速率：CAN总线具有较高通信速率，达几百kbps或甚至更高。LIN总线在几十kbps左右。

2、应用领域：CAN总线在车辆电子系统中处理更复杂和快速的通信需求，如发动机控制、刹车系统、车身电子。连接多个电子控制单元（ECU）进行高速数据传输。LIN总线适用于连接较简单和低速的设备，如门控制器、雨刷控制器。数据传输方式：CAN总线使用差分信号传输数据，具有较强的抗干扰能力，在较长距离上传输数据。而LIN总线使用单端信号传输数据，传输距离短，抗干扰较低。

3、成本：由于CAN总线硬件成本较高。LIN总线的硬件成本较低，适用于对成本敏感的应用场景。