李志濤

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，人民生活品質(zhì)的需求日益增長(zhǎng)，汽車網(wǎng)聯(lián)化悄然而至，汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、擬人化成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。汽車科技化的發(fā)展，帶來的是汽車無人駕駛技術(shù)、高品質(zhì)車載影音、OTA升級(jí)、V2X、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等一系列技術(shù)在汽車上的應(yīng)用，同時(shí)帶也來了車載通信數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，巨大的數(shù)據(jù)通信容量顯然已經(jīng)超出CAN、Flexray等傳統(tǒng)總線的通信速率極限?，F(xiàn)有車載總線無法滿足當(dāng)前需求［1］，因此，一些新型的車載總線技術(shù)得到了快速發(fā)展、應(yīng)用。車載總線的發(fā)展歷程，如圖1所示。

車載以太網(wǎng)高速率傳輸特性，成為與智能網(wǎng)聯(lián)汽車深度集成的契機(jī)。以太網(wǎng)將在下一代汽車車載網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用［2］。由于車輛網(wǎng)聯(lián)化的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)、外相應(yīng)OEM為解決車輛內(nèi)、外通信互聯(lián)，把車載以太網(wǎng)技術(shù)列入需掌控的核心技術(shù)之一，并投入大量資源開展研發(fā)、測(cè)試工作。

1 協(xié)議架構(gòu)及測(cè)試概述

1.1 車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)

車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)參考OSI模型，結(jié)合汽車行業(yè)與傳統(tǒng)IT行業(yè),組建成基礎(chǔ)協(xié)議架構(gòu)模型，主要分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及4層以上的會(huì)話、表示、應(yīng)用層部分。基礎(chǔ)協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。

圖1 車載總線發(fā)展歷程

圖2 基礎(chǔ)協(xié)議架構(gòu)

第1層為物理層，包含100Base-TX、100Base-T1、1000 Base-T1，通?？珊?jiǎn)稱為“PHY”。物理層是OSI參考模型中的底層，主要實(shí)現(xiàn)拓?fù)浜臀锢砭W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、硬件規(guī)范的界定、編碼和信令、數(shù)據(jù)收發(fā)；第2層為數(shù)據(jù)鏈路層，主要涉及Ethernet的 MAC及VLAN需求，通常簡(jiǎn)稱為DLL層，數(shù)據(jù)鏈路層主要實(shí)現(xiàn)邏輯鏈路控制、媒體接入控制、底層數(shù)據(jù)組幀，本地設(shè)備尋址、差錯(cuò)檢測(cè)和處理、VLAN實(shí)現(xiàn)、服務(wù)品質(zhì)；第3層為網(wǎng)絡(luò)層，主要包含IPV4／6、ICMP、ARP協(xié)議，該層是OSI模型中一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)交換的層，網(wǎng)絡(luò)層主要功能為邏輯尋址、數(shù)據(jù)報(bào)封裝、路由、分片和重組、診斷和輔助；第4層為傳輸層，主要包含TCP／UDP協(xié)議，傳輸層對(duì)于確保數(shù)據(jù)在設(shè)備之間準(zhǔn)確傳遞有著重要作用，主要功能為進(jìn)程尋址、多路復(fù)用和多路解復(fù)用、分段和重組、連接的建立、管理和終止、確認(rèn)和重傳、流量控制；第5～7層主要涉及軟件應(yīng)用問題，而不是網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，如會(huì)話層用于建立和管理會(huì)話，實(shí)現(xiàn)軟件進(jìn)程之間持續(xù)的邏輯連接；表示層解決不同設(shè)備在應(yīng)用層傳送數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的任何問題，如處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)加密等；應(yīng)用層為OSI參考模型的頂層，該層具有多種不同的應(yīng)用層協(xié)議，如UDS／DOIP、UDPNM、SOME／IP、DHCP等，通過不同的各種應(yīng)用層協(xié)議的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用戶通過網(wǎng)絡(luò)達(dá)成各項(xiàng)任務(wù)所執(zhí)行的功能。針對(duì)音視頻數(shù)據(jù)傳輸特性要求，采用AVB協(xié)議族，實(shí)現(xiàn)精確時(shí)鐘同步，流媒體傳輸格式，流量整形，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量較大、實(shí)時(shí)性要求高的音視頻場(chǎng)景應(yīng)用。

協(xié)議架構(gòu)中所涉及相關(guān)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化方面，當(dāng)前有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織或聯(lián)盟起到了主要的推動(dòng)作用［3］。主要由IEEE、OPEN、AVNU、Autosar組織聯(lián)盟開展協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化和推動(dòng)作用。IEEE規(guī)定了以太網(wǎng)的一些主要的、通用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；OPEN聯(lián)盟推進(jìn)以太網(wǎng)在汽車行業(yè)的應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作；AVNU致力于推廣AVB及后續(xù)的TSN技術(shù)，為汽車內(nèi)低時(shí)延、高可靠性傳輸需求提供標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法；Autosar規(guī)定了基于服務(wù)的中間件SOME／IP（SD），可用于控制指令傳輸，為車載應(yīng)用量身定制的應(yīng)用層協(xié)議。OPEN和AVNU定義汽車行業(yè)的特有需求，而IEEE不區(qū)分行業(yè)應(yīng)用，為基本標(biāo)準(zhǔn)；OPEN和AVNU定義行業(yè)的一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行測(cè)試認(rèn)證。

1.2 車載以太網(wǎng)測(cè)試概述

測(cè)試是產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，期望通過測(cè)試驗(yàn)證，以最少的資源投入，早期發(fā)現(xiàn)各種錯(cuò)誤、潛在缺陷、失效，達(dá)成早期問題整改。在汽車電子電氣領(lǐng)域，典型的V模型在OEM電子電器產(chǎn)品開發(fā)中廣泛應(yīng)用。車載以太網(wǎng)的開發(fā)依據(jù)此V模型，左側(cè)為需求的開發(fā)設(shè)計(jì)工作，右側(cè)對(duì)應(yīng)相應(yīng)階段的測(cè)試工作，測(cè)試貫穿于整個(gè)開發(fā)設(shè)計(jì)工作中，車載以太網(wǎng)測(cè)試分別開展ECU級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、實(shí)車級(jí)3個(gè)層級(jí)的測(cè)試驗(yàn)證工作。

車載以太網(wǎng)ECU級(jí)別測(cè)試，主要依據(jù)TC8標(biāo)準(zhǔn)開展IOP、PMA、協(xié)議一致性、交換機(jī)測(cè)試等，用于驗(yàn)證ECU互聯(lián)互通、物理層接口、協(xié)議一致性、兼容性、交換機(jī)特性需求等，同時(shí)參照RFC2544、2889開展車載交換機(jī)部分性能相關(guān)測(cè)試，依據(jù)OEM電子電器架構(gòu)及車載以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，開展部分自定義需求測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)需求；車載以太網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，依據(jù)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，連接各個(gè)真實(shí)以太網(wǎng)ECU節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，在系統(tǒng)臺(tái)架上開展系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試驗(yàn)證工作，在系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證各協(xié)議基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需求、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)性能、機(jī)制策略、多子系統(tǒng)之間的通信等；實(shí)車級(jí)測(cè)試需結(jié)合系統(tǒng)級(jí)測(cè)試結(jié)果與實(shí)車測(cè)試需求，基于實(shí)車測(cè)試環(huán)境，開展協(xié)議基礎(chǔ)點(diǎn)檢確認(rèn)、重點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證以太網(wǎng)功能相關(guān)需求、整車級(jí)通信機(jī)制、策略等。

針對(duì)車載以太網(wǎng)3個(gè)層級(jí)的測(cè)試驗(yàn)證工作，ECU級(jí)別測(cè)試原則上由產(chǎn)品供應(yīng)商負(fù)責(zé)開展測(cè)試驗(yàn)證工作、OEM一般可選擇性進(jìn)行接收測(cè)試。整車廠需重點(diǎn)開展系統(tǒng)級(jí)測(cè)試與實(shí)車級(jí)測(cè)試。由于車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，一個(gè)鏈路上只連接2個(gè)車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，非CAN總線共享介質(zhì)式連接方式，車載以太網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)與實(shí)車級(jí)測(cè)試時(shí)，無法像CAN總線測(cè)試一樣，在總線傳輸介質(zhì)上連接測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)仿真發(fā)送與所有節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集。因此，為實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、仿真發(fā)送，在系統(tǒng)級(jí)與實(shí)車級(jí)測(cè)試時(shí)，需依據(jù)測(cè)試需求，對(duì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置或應(yīng)用專業(yè)的測(cè)試設(shè)備，搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境。

2 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試環(huán)境搭建

車載以太網(wǎng)系統(tǒng)測(cè)試前，參照總線拓?fù)涠x，所有以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接完成，并且交換機(jī)節(jié)點(diǎn)需加入到每一條鏈路中，構(gòu)建完整的以太網(wǎng)系統(tǒng)鏈路。依據(jù)測(cè)試需求，搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，主要通過“端口鏡像”與“動(dòng)態(tài)TAP”方法實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集、發(fā)送。

2.1 端口鏡像

借鑒傳統(tǒng)以太網(wǎng)測(cè)試技術(shù)，交換機(jī)節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行端口鏡像配置，系統(tǒng)上每一個(gè)經(jīng)過交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀都可依據(jù)配置需求被鏡像到該交換機(jī)節(jié)點(diǎn)一個(gè)專門的調(diào)試端口或預(yù)留的常規(guī)端口。然后，這個(gè)調(diào)試或預(yù)留的端口連接到測(cè)試設(shè)備上，通過測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集、仿真發(fā)送。端口鏡像連接如圖3所示。

圖3 端口鏡像連接

采用端口鏡像方法，通過交換機(jī)節(jié)點(diǎn)配置即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集、發(fā)送，看似簡(jiǎn)單易行，但卻存在著一些嚴(yán)重的缺陷，如下所述。

1）為了采集來自系統(tǒng)上全部端口的所有以太網(wǎng)幀，必須將幀從多個(gè)端口鏡像到調(diào)試端口，數(shù)據(jù)傳輸量巨大，除非調(diào)試端口的運(yùn)行速度比其它端口快一個(gè)數(shù)量級(jí)，否則就有可能出現(xiàn)溢出，造成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀丟失，這意味著測(cè)試工具無法采集到被丟棄的數(shù)據(jù)幀。

2）在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膲牡囊蕴W(wǎng)幀會(huì)被交換機(jī)丟棄，不會(huì)通過配置端口轉(zhuǎn)發(fā)至測(cè)試工具，測(cè)試工具無法檢測(cè)壞幀。

3）在涉及到車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)仿真發(fā)送測(cè)試場(chǎng)景時(shí)，仿真的以太網(wǎng)幀需要一個(gè)源MAC地址，但同一條鏈路上不可以有2個(gè)相同的MAC地址，所以測(cè)試工具無法復(fù)制一個(gè)已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)上的MAC地址，端口鏡像技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)幀的仿真發(fā)送。

4）另外激活交換機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏡像模式，可能會(huì)對(duì)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)功能、通信造成影響，一般情況下不建議在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部變動(dòng)。

5）調(diào)試端口的存在增加了交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的成本，要使用調(diào)試端口，就必須在交互機(jī)節(jié)點(diǎn)上預(yù)留該端口，加裝相應(yīng)的物理層芯片，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試時(shí)的端口鏡像。量產(chǎn)汽車中增加此端口，直接導(dǎo)致整車成本的增加。

2.2 動(dòng)態(tài)TAP

考慮端口鏡像技術(shù)缺陷，結(jié)合車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、仿真發(fā)送需求，采用一種替代方法，即動(dòng)態(tài)TAP方法。該方法長(zhǎng)期用于開發(fā)和測(cè)試以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，動(dòng)態(tài)TAP是一個(gè)插入到以太網(wǎng)鏈路以便接入網(wǎng)絡(luò)從而進(jìn)行測(cè)試的設(shè)備。TAP不是簡(jiǎn)單的連接到網(wǎng)絡(luò)的物理導(dǎo)線，而是一個(gè)插入鏈路的專業(yè)設(shè)備，如Technica公司的Media Gateway。連接TAP和交換機(jī)的導(dǎo)線與連接TAP和以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線已被物理隔離。動(dòng)態(tài)TAP連接如圖4所示。

相對(duì)于端口鏡像方法，TAP實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)ECU節(jié)點(diǎn)與交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的物理隔離，在TAP軟件配置中實(shí)現(xiàn)各鏈路數(shù)據(jù)的映射，數(shù)據(jù)全部傳輸至連接測(cè)試設(shè)備的端口，通過測(cè)試設(shè)備端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控、采集、仿真發(fā)送，同樣采用TAP方法，也有其相應(yīng)的優(yōu)劣勢(shì)，如下所述。

圖4 動(dòng)態(tài)TAP連接

1）TAP可將壞幀封裝到新幀中并通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口轉(zhuǎn)發(fā)至測(cè)試工具，從而可以在測(cè)試軟件中進(jìn)行壞幀分析。

2）將測(cè)試軟件與動(dòng)態(tài)TAP相結(jié)合，可以在測(cè)試軟件中仿真需發(fā)送的報(bào)文，發(fā)送MAC地址與相連節(jié)點(diǎn)相同的以太網(wǎng)幀，從此可以在鏈路上實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)送以太網(wǎng)報(bào)文而無需引入外部MAC地址。

3）動(dòng)態(tài)TAP方法需要把TAP接入各個(gè)以太網(wǎng)鏈路中，勢(shì)必會(huì)進(jìn)行以太網(wǎng)線路連接處理、調(diào)整。

4）在端口之間復(fù)制以太網(wǎng)幀時(shí)會(huì)產(chǎn)生約2μs左右的延遲。

綜上所述，端口鏡像技術(shù)一般不會(huì)應(yīng)用于車載以太網(wǎng)系統(tǒng)集成測(cè)試，在各鏈路集成或調(diào)試過程中可選擇性應(yīng)用此方法。為確保車載以太網(wǎng)系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的監(jiān)控、采集、仿真發(fā)送，盡量不影響被測(cè)車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，綜合考慮，通常應(yīng)用動(dòng)態(tài)TAP方法完成系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建。

3 系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容

車載以太網(wǎng)由于在車載環(huán)境中受溫度和震動(dòng)等環(huán)境因素的影響，比民用以太網(wǎng)要求更加嚴(yán)格，因此，各個(gè)層級(jí)充分、深入的測(cè)試驗(yàn)證非常有必要。車載以太網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試主要進(jìn)行車載總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的測(cè)試驗(yàn)證，主要涉及車載以太網(wǎng)配置、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)魯棒性、Some／IP測(cè)試等，主要測(cè)試內(nèi)容見表1。

表1 系統(tǒng)級(jí)相關(guān)測(cè)試內(nèi)容

車載以太網(wǎng)因使用的用戶層不同，通信條件也不同，必須選定滿足用戶層的協(xié)議［4］。OEM依據(jù)整車電子電氣架構(gòu)及所需實(shí)現(xiàn)的電器功能需求，選擇開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議，如SomeIP／SD、DOIP、UDP-NM等，通過匹配相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)電器功能需求，因此，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試時(shí)，應(yīng)用層協(xié)議測(cè)試內(nèi)容需依據(jù)協(xié)議開發(fā)設(shè)計(jì)同步調(diào)整。同時(shí)，車載以太網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，需著重開展車載以太網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)通信特性、機(jī)制策略、故障處理等系統(tǒng)層設(shè)計(jì)需求的驗(yàn)證，關(guān)注車載通信與電器功能感知緊密相關(guān)點(diǎn)，外部環(huán)境與場(chǎng)景交互的通信性能等。

4 系統(tǒng)測(cè)試示例

本示例為測(cè)試以太網(wǎng)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)是否可正確地響應(yīng)回顯 （Ping）報(bào)文。測(cè)試前，參照?qǐng)D4搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，連接測(cè)試設(shè)備，配置測(cè)試軟件。查閱車載以太網(wǎng)系統(tǒng)IP地址列表，獲取各節(jié)點(diǎn)的IP地址信息，仿真需發(fā)送的Ping報(bào)文。

啟動(dòng)車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信，使車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)處于正常運(yùn)行模式中。操作測(cè)試工具，依次向IP地址列表中的每個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送Ping報(bào)文，檢查是否每條Ping報(bào)文都得到了回應(yīng)，Ping報(bào)文中所攜帶數(shù)據(jù)是否正確。Ping報(bào)文測(cè)試分析如圖5所示，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件WireShark，根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置軟件的捕獲過濾器、顯示過濾器、著色規(guī)則等配置，完成Ping報(bào)文測(cè)試數(shù)據(jù)的抓取，協(xié)助測(cè)試數(shù)據(jù)的分析。

圖5 Ping報(bào)文測(cè)試分析

參見圖5，Ping報(bào)文測(cè)試過程大致為：IP地址為172.16.0.123測(cè)試設(shè)備仿真發(fā)送ping報(bào)文至IP地址為172.16.0.96的被測(cè)節(jié)點(diǎn)，被測(cè)節(jié)點(diǎn)收到Ping報(bào)文請(qǐng)求后，向測(cè)試設(shè)備發(fā)送了Ping回顯報(bào)文，采用wireshark軟件抓包分析，發(fā)送方收到了接收方發(fā)出的回顯Ping報(bào)文，請(qǐng)求ping報(bào)文與回顯的Ping報(bào)文中所攜帶的數(shù)據(jù)量一致、回應(yīng)數(shù)據(jù)正確，該節(jié)點(diǎn)的該項(xiàng)測(cè)試通過。同樣，按以上所述測(cè)試需求與步驟，完成車載以太網(wǎng)系統(tǒng)上各節(jié)點(diǎn)的回顯報(bào)文測(cè)試驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析、判定。

5 結(jié)論

車載以太網(wǎng)在未來的20年隨著整車電子控制模塊的增多勢(shì)必會(huì)成為車載骨干網(wǎng)絡(luò)［5］，與此同時(shí)，車載以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也由相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化組織不斷完善、推進(jìn)，進(jìn)一步促進(jìn)了車載以太網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程，有利于指導(dǎo)OEM開展以太網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、測(cè)試工作。本文旨在描述車載以太網(wǎng)應(yīng)用趨勢(shì)、基礎(chǔ)協(xié)議架構(gòu)、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)，系統(tǒng)測(cè)試相關(guān)范圍及測(cè)試方法等內(nèi)容，對(duì)車載以太網(wǎng)測(cè)試具有一定的指導(dǎo)意義。