車載以太網(wǎng)的出現(xiàn)背景樓主就不多做贅述了，其實主要是因汽車E/E架構(gòu)和功能的復(fù)雜度提升而帶來的對車輛數(shù)據(jù)傳輸帶寬提高和通訊方式改變（基于服務(wù)的通訊-SOA）的需求。

就目前汽車總線的應(yīng)用情況，成本低、可靠性高、應(yīng)用普遍的有Lin、CAN通訊，CAN FD也是最近幾年才逐漸得到應(yīng)用，而FlexRay、車載Ethernet等基于成本因素，目前主要在高檔車型中使用。

其中樓主之前介紹的FlexRay后續(xù)得到普遍應(yīng)用的可能性樓主認(rèn)為不是很大，首先成本方面與車載以太網(wǎng)差不多而通訊速率又遠(yuǎn)低于它，而伴隨著未來智能化、網(wǎng)聯(lián)化的趨勢，車載Ethernet在未來得到推廣的可能性要比FlexRay高很多。需要注意的是CAN FD在市場推廣實施還沒有幾年，第三代CAN總線-CAN XL也即將登場，CAN XL傳輸速率將達(dá)到10Mbit/s，可填CAN FD和百兆車載以太網(wǎng)（100BASE-T1）之間的鴻溝，從這點(diǎn)也可以看出車載通訊的快速發(fā)展及對通訊帶寬的越來越高的要求，同時也可從另一方面說明FlexRay的尷尬。當(dāng)然所有總線的應(yīng)用都是分所在的域和場景的，例如對于安全要求很高的場合，采用了基于時間觸發(fā)機(jī)制的FlexRay因?qū)崟r性和確定性更高則更合適。

標(biāo)準(zhǔn)

在車載網(wǎng)絡(luò)方面，玩家是很多的，也推出了各自的標(biāo)準(zhǔn)，如下：

其中OPEN Alliance和電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）制定的標(biāo)準(zhǔn)是車載以太網(wǎng)領(lǐng)域比重大和應(yīng)用廣泛的，例如我們熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1。

自1980年以來，IEEE一直負(fù)責(zé)以太網(wǎng)的維護(hù)、開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。盡管各個公司都可提供專有的以太網(wǎng)解決方案，但大多數(shù)時候公司都會交給IEEE進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以確保更廣泛的應(yīng)用。802工作組則專門負(fù)責(zé)以太網(wǎng)，因此，所有與以太網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都以802開頭（例如，IEEE 802.1，IEEE 802.2，IEEE 802.3等）。

OPEN Alliance SIG是由汽車制造商和供應(yīng)商組成的聯(lián)盟，目的是促進(jìn)以太網(wǎng)在汽車工業(yè)中的進(jìn)一步發(fā)展。OPEN Alliance SIG與IEEE合作，將汽車以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通用標(biāo)準(zhǔn)。就目前的車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方面，主流標(biāo)準(zhǔn)的是如下幾個，目前主要是第二個100BASE-T1：用單對雙絞線實現(xiàn)100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，走的靠前的OEM則使用更快的千兆以太網(wǎng)。

車載以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分層和拓?fù)?/span>

OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中一個很重要的模型。OSI是一個開放性的通信系統(tǒng)互連參考模型，其含義就是建議所有公司使用這個規(guī)范來控制網(wǎng)絡(luò)。只有統(tǒng)一通信規(guī)范時，才能實現(xiàn)真正的互聯(lián)化。OSI 七層模型及通信互聯(lián)的傳輸過程，如下圖所示：

OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型是一個理想的網(wǎng)絡(luò)參考模型，TCP/IP模型是已經(jīng)被實際廣泛應(yīng)用于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分層模型。TCP/IP 模型沒有對 OSI 的 5~7 層做嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為應(yīng)用層。

車載以太網(wǎng)是基于 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)分層模型，并由 OPEN 和 AUTOSAR 等聯(lián)盟對以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議進(jìn)行了規(guī)范和補(bǔ)充。

以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點(diǎn)對點(diǎn)形式、類似于CAN或LIN的總線形式、鏈?zhǔn)胶托切偷刃问剑?/span>

也有由上面幾種形式的組合形式：

當(dāng)然現(xiàn)在多個節(jié)點(diǎn)的車載以太網(wǎng)的互聯(lián)互通需要交換機(jī)Switch，Switch的作用如下：

車載以太網(wǎng)的物理連接

從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理層接口PHY（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成，如下圖所示：

MAC及PHY工作在OSI七層模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下

PHY和MAC之間是如何傳送數(shù)據(jù)和相互溝通的呢？MAC與PHY之間通過兩個接口連接，分別為SMI接口和MII接口。

MII（Media Independent Interface）即媒體獨(dú)立接口，MII接口是MAC與PHY連接的標(biāo)準(zhǔn)接口，以太網(wǎng)MAC通過該接口發(fā)出數(shù)據(jù)幀經(jīng)過PHY后傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，同時其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)先經(jīng)過PHY后再由MAC接收。MII是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯(lián)技術(shù)，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粚挒?位。'媒體獨(dú)立'表明在不對MAC硬件重新設(shè)計或替換的情況下，任何類型的PHY設(shè)備都可以正常工作。802.3協(xié)議最多支持32個PHY，但有一定的限制：要符合協(xié)議要求的connector特性。

SMI叫串行管理接口，以太網(wǎng)MAC通過該接口可以訪問PHY的寄存器，通過對這些寄存器操作可對PHY進(jìn)行控制和管理。SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以獲取PHY的狀態(tài)）和MDC（為MDIO提供時鐘）。MDC由MAC提供，MDIO是一根雙向的數(shù)據(jù)線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態(tài)信息。MDIO數(shù)據(jù)與MDC時鐘同步，在MDC上升沿有效。

由此可見，MAC 和PHY，一個是數(shù)據(jù)鏈路層，一個是物理層；兩者通過MII傳送數(shù)據(jù)。 因此Ethernet的接口實質(zhì)是MAC通過MII總線控制PHY的過程。

MII接口后續(xù)又衍生了很多其他版本，如RMII、GMII、SGMII、RGMII等。這里簡要介紹其中的MII和RMII，如下圖所示。MII共使用了16根線。其中CRS與COL只在半雙工模式有效，而車載以太網(wǎng)固定工作在全雙工模式下，故應(yīng)用在汽車環(huán)境需要14根線。

RMII是精簡版的MII，數(shù)據(jù)發(fā)送接收均為兩根，相比MII減少了4根，另外它整合或減去了一些線，最終RMII只有8根線RMII的接口如下：

在實際的設(shè)計中，以上三部分并不一定獨(dú)立分開的。由于，PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數(shù)字器件?？紤]到芯片面積及模擬/數(shù)字混合架構(gòu)的原因，通常，將MAC集成進(jìn)微控制器而將PHY留在片外。更靈活、密度更高的芯片技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)MAC和PHY的單芯片整合，可分為下列幾種類型:

CPU集成MAC與PHY，目前來說并不多見：

CPU集成MAC，PHY采用獨(dú)立芯片，這種在車載以太網(wǎng)上是主流方式，因嵌入式芯片廠商一般都將MAC集成在MCU內(nèi)部，而PHY芯片則由OEM或控制器供應(yīng)商自己選擇：

在以太網(wǎng)連接線束上，車載以太網(wǎng)與消費(fèi)用以太網(wǎng)也是不同的，首先消費(fèi)用以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)主要采用10BASE-2、10/100BASE-TX和1000BASE-T，其中1000BASE-T是使用RJ45接口，需要四對雙絞線共8根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而10/100BASE-TX則是只使用四對雙絞線其中的兩對共4根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如下是100BASE-TX的示意圖（使用了兩對雙絞線）。

在很早之前的10BASE-2則是同軸電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此消費(fèi)類以太網(wǎng)采用線束總結(jié)如下：

而車載以太網(wǎng)一般都基本采用帶T1的標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 100BASE-T1（以前稱為OABR）、IEEE 1000BASE-T1，這些都使用一對雙絞線共兩根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：

其次在編碼方式上，1000BASE-T主要采用PAM5的編碼方式：

而車載以太網(wǎng)100BASE-T1和1000BASE-T1主要采用PAM3的編碼方式。

從上面可知，車載以太網(wǎng)主要采用基于一對雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00BASE-T1或1000BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)，而我們電腦則使用RJ45接口采用基于4對雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?000BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)，因此當(dāng)我們用電腦測量控制器以太網(wǎng)時，有時需要轉(zhuǎn)換器，如下：

車載以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀的格式如下：

以太幀有多種類型，不同類型的幀具有不同的格式和MTU值，但在同種物理媒體上都可同時存在。常見有兩種幀格式，一種是上世紀(jì)80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II幀格式。Ethernet II后來被IEEE802標(biāo)準(zhǔn)接納，并寫進(jìn)了IEEE802.3x-1997的3.2.6節(jié)。

第二種是1983年提出的IEEE802.3格式。

這兩種格式的主要區(qū)別在于，Ethernet II格式中包含一個Type字段，標(biāo)識以太幀處理完成之后將被發(fā)送到哪個上層協(xié)議進(jìn)行處理。IEEE802.3格式中，同樣的位置是長度字段。

不同的Type字段值可以用來區(qū)別這兩種幀的類型，當(dāng)Type字段值小于等于1500（或者十六進(jìn)制的0x05DC）時，幀使用的是IEEE802.3格式。當(dāng)Type字段值大于等于1536（或者十六進(jìn)制的0x0600）時，幀使用的是Ethernet II格式。以太網(wǎng)中大多數(shù)的數(shù)據(jù)幀使用的是Ethernet  II格式。

以太幀中還包括源和目的MAC地址，分別代表發(fā)送者的MAC和接收者的MAC，此外還有幀校驗序列字段，用于檢驗傳輸過程中幀的完整性。

汽車行業(yè)通常使用Ethernet  II格式，該格式還可包含VLAN信息作為擴(kuò)展，因此，又分基本MAC幀（無VLAN）和標(biāo)記MAC幀（包括VLAN）兩種。

MAC addresses: Ethernet II幀通常以接收者目標(biāo)地址開頭。 作用是要接收消息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 與隨后的發(fā)送者源地址相反，除單播地址外，還可以使用多播或廣播地址。對于以太網(wǎng)幀，只能有一個發(fā)送方，但可以有多個接收方。

Ether type: 基本和標(biāo)記的MAC幀通過類型字段（以太類型）進(jìn)行區(qū)分。 這通常標(biāo)識有效載荷數(shù)據(jù)區(qū)域中包含的分組，并給出有關(guān)較高層中使用的協(xié)議（例如，IPv4）的信息。如果以太類型的值為0x8100，則將類型字段向后移四個字節(jié)，并在其原始位置插入一個VLAN標(biāo)簽。

VLAN Tag：VLAN標(biāo)簽由協(xié)議標(biāo)識符（TPID）和控制信息（TCI）組成。TPID包含原始類型字段的值，而TCI由優(yōu)先級（PCP），符合丟棄要求或規(guī)范的形式指示符（DEI或CFI）和標(biāo)識符（VID）組成。標(biāo)識符和優(yōu)先級主要用于汽車行業(yè)。標(biāo)識符區(qū)分不同應(yīng)用區(qū)域的相應(yīng)虛擬網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)先級允許通過交換機(jī)優(yōu)化運(yùn)行時間，以便優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)重要信息。

Payload：在類型字段之后，以太幀包含有效載荷數(shù)據(jù)區(qū)域。 有效負(fù)載的最小長度為不帶VLAN標(biāo)記的46字節(jié)或帶VLAN標(biāo)記的42字節(jié), 在汽車工業(yè)中，它最多可以包含1500個字節(jié)。

CRC校驗：CRC校驗在以太幀的末尾發(fā)送。 校驗中包含的值是使用標(biāo)準(zhǔn)化算法計算的，該算法在發(fā)送方和接收方中以相同的方式實現(xiàn)。該計算是在以太幀的所有字段中進(jìn)行的，因此可以確保整個消息的完整性。

以太網(wǎng)Packet: 對于以太網(wǎng)II幀的傳輸，以太網(wǎng)控制器在開頭插入前同步碼和起始幀定界符（SFD）,用于指示傳輸開始。前同步碼，開始幀定界符和以太幀的組合稱為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。

車載以太網(wǎng)幀傳輸過程

上面我們已經(jīng)提到，車載以太網(wǎng)是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)模型，因此我們先不考慮應(yīng)用層數(shù)據(jù)是根據(jù)哪種應(yīng)用層協(xié)議組織的，從應(yīng)用層來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過傳輸層會加上TCP/UDP報頭，再到網(wǎng)絡(luò)層的IP報頭，然后到鏈路層增加MAC地址等信息，最后由PHY轉(zhuǎn)換成線路上的二進(jìn)制流實現(xiàn)在發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)傳輸。

其中上面?zhèn)鬏攲拥腡CP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議，樓主在本篇文章中就不過多贅述了，大家感興趣的請自行查詢了解。而應(yīng)用層協(xié)議有不少，例如DoIP、DHCP、SOME/IP等，而最重要的車載以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議主要是SOME/IP協(xié)議。

SOME/IP介紹

如上篇闡述的，車載以太網(wǎng)采用基于 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)分層模型，TCP/IP 模型沒有對 OSI 的 5~7 層做嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為應(yīng)用層，如上。

其中應(yīng)用層協(xié)議有關(guān)的協(xié)議有SOME/IP、AVB/TSN、DoIP等，本篇我們主要闡述SOME/IP協(xié)議。SOME/IP (Scalable Service-Oriented MiddlewarE Over IP) ，即“運(yùn)行于IP之上的可伸縮的面向服務(wù)的中間件”，它是車載以太網(wǎng)技術(shù)中的核心內(nèi)容，可用于控制消息及應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸，該技術(shù)是SOA架構(gòu)的重要支撐。它在系統(tǒng)中其實就是一個中間件的存在，所謂“Middleware中間件”是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件可借助Middleware在不同的技術(shù)之間共享資源。所謂的分布式應(yīng)用軟件，在這里指的就是“服務(wù)”；不同的技術(shù)之間，在這里指的就是“不同的平臺或操作系統(tǒng)，比如Adaptive AUTOSAR系統(tǒng)等。因此SOME/IP用于面向服務(wù)的通訊，可實現(xiàn)方法復(fù)用和擴(kuò)展、可降低負(fù)載（因SOME/IP是在接收方有需求的時候才發(fā)送，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于總線上不會出現(xiàn)過多不必要的數(shù)據(jù)，從而降低負(fù)載。）并適用于不同操作系統(tǒng)

上文的我們也已經(jīng)說過了輸出的傳輸過程：數(shù)據(jù)從應(yīng)用層到物理層是經(jīng)過一層一層封裝然后傳輸?shù)?，上三層的?shù)據(jù)流在傳輸層被封裝成數(shù)據(jù)段，在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)段被封裝成數(shù)據(jù)報，在數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)報被封裝成數(shù)據(jù)幀，最后在物理層編碼成比特流進(jìn)行傳輸，這次我們重點(diǎn)關(guān)注TCP/IP模型中應(yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)SOME/IP協(xié)議是如何封裝的。

服務(wù)是SOME/IP的最核心概念，在一個服務(wù)中，定義了Server和Client兩個角色：Server提供服務(wù)，Client調(diào)用服務(wù)。對于同一個服務(wù)，只能存在一個Server，但可以同時存在多個Client調(diào)用服務(wù)，一個Service由Event/Method/Field組成。

Method類型：即函數(shù)調(diào)用的形式，Client通過函數(shù)調(diào)用的方式向Server端請求數(shù)據(jù)。

Event類型：即事件類型，Client會向Server端訂閱信息，Server則會以事件觸發(fā)的形式向Client端發(fā)送所訂閱的內(nèi)容。

Filed類型：是Method和Event的組合，由以下三項內(nèi)容構(gòu)成：Notifier：通知，Client訂閱了服務(wù)后，Server時間主動向其發(fā)送數(shù)據(jù)-Event方式Getter：獲取，由Client向Server請求數(shù)據(jù)-Method方式Setter：設(shè)置，由Client修改Server的數(shù)據(jù)--Method方式

從上面可看到Notification分為Event和Field 兩類，這兩類通知都需要首先使用SOME/IP-SD(Service Discovery)來進(jìn)行服務(wù)訂閱，然后才能發(fā)布通知。

區(qū)別在于，Event是某一時刻的快照，只是事件通知，而Field除了事件通知之外，還具有Getter和Setter的功能，即對信息進(jìn)行讀寫的操作。

對于上面三種方法的總結(jié)如下：

SOME/IP數(shù)據(jù)格式

SOME/IP 的數(shù)據(jù)格式如下：

Message Type用來識別不同的消息類型，目前類型如下圖，其中TP用來表示分包的報文：

REQUEST、REQUEST_NO_RETURN、RESPONSE屬于同一類遠(yuǎn)程過程調(diào)用方法，當(dāng)Client有需求的時候，發(fā)送一個Request消息，Server根據(jù)這個消息類型（REQUEST或REQUEST_NO_RETURN）來決定是否發(fā)Rresponse消息。Return Code則用于表示請求是否被成功的處理，下表是AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)中定義的Return Code類型：

Payload就是用于自定義原始數(shù)據(jù)了。

SOME/IP- SD介紹

上面我們提到Event和Field這兩類的通知都首先需要使用SOME/IP-SD(Service Discovery)來進(jìn)行服務(wù)訂閱，然后才能發(fā)布通知并且服務(wù)需要由Server和Client共同完成，因此在進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸之前，需要一系列的準(zhǔn)備工作確認(rèn)Server和Client之間是否已有網(wǎng)絡(luò)連接。之后，Client還要詢問Server能否提供所需的服務(wù)，并對服務(wù)的Event進(jìn)行訂閱。

那么Client是怎么知道Server提供哪些服務(wù)呢，就是通過SOME/IP-SD來實現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程的。SOME/IP服務(wù)發(fā)現(xiàn)用于定位服務(wù)實例、檢查服務(wù)是否可用以及部署發(fā)布和訂閱句柄,。服務(wù)發(fā)現(xiàn)只能通過UDP實現(xiàn)。SOME/IP-SD是一種特殊的SOME/IP格式，它對SOME/IP-SD報文中的Payload進(jìn)行了定義和實現(xiàn),。而Message ID字段則是固定的0xFF FF 81 00。

其主要功能就是：定位服務(wù)實例、檢測服務(wù)實例是否在運(yùn)行（即服務(wù)實例的狀態(tài)）、發(fā)布/訂閱行為的管理。格式如下：

關(guān)于SOME/IP樓主就簡單介紹到這下，想詳細(xì)了解的同學(xué)可通過如下網(wǎng)站進(jìn)行學(xué)習(xí)：Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP (SOME/IP)->/index.shtml

需要說明的是，車載以太網(wǎng)涉及的知識點(diǎn)太多了，樓主整理和介紹的是有限的，感興趣的童鞋可針對每個點(diǎn)再深入查閱資料。

參考文獻(xiàn)：

1、Ethernet introduction（BOSCH、Tektronix、Vector、CSDN等資料）

2、Ethernet introduction（BOSCH、Vector、CSDN、BMW、中國汽研等資料）