車載以太網(wǎng)是指將傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應用在汽車電控領域。

車載以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)一樣，都是采用交換機式(SwitchedNetwork)的通信方式，交換機式通信指的是所有的終端節(jié)點都要通過交換機才能連接到一起，所有傳遞的信息都需要通過交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲-交換機式

也就是說每個ECU節(jié)點上只有一個以太網(wǎng)端口，交換機有多個以太網(wǎng)端口，每個節(jié)點與交換機之間都是通過網(wǎng)線點對點相連，節(jié)點與節(jié)點之間都不直接相連。

這與CAN網(wǎng)絡的總線式拓撲完全不同，CAN網(wǎng)絡是所有的節(jié)點都通過總線相互直接連接，所以CAN網(wǎng)絡可以稱為CAN總線，但是以太網(wǎng)只能叫以太網(wǎng)網(wǎng)絡。

CAN網(wǎng)絡拓撲-線型總線

交換機的主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)信息，這個功能有點類似于CAN總線中的網(wǎng)關(guān)，但是它們的使用原因和場景不同。

網(wǎng)關(guān)是由于車內(nèi)中不同的網(wǎng)絡間需要信息交互而使用的，比如LIN與CAN之間，高速CAN與低速CAN之間，網(wǎng)關(guān)是根據(jù)實際網(wǎng)絡狀態(tài)和功能需求而使用，是用在不同的網(wǎng)絡之間，是可選的設備！

網(wǎng)關(guān)是用于網(wǎng)絡間交互的可選設備

而交換機是由于以太網(wǎng)的通信協(xié)議自身要求使用的，是在同一個網(wǎng)絡中使用的，而且是必須使用的設備！

交換機是因為自身的網(wǎng)絡要求必選的設備

1 物理層

車載以太網(wǎng)與CAN總線都是差分信號傳輸，都有專用的收發(fā)器芯片，傳輸介質(zhì)也都使用雙絞線。

CAN總線的傳輸速率最大是1Mbps（CANFD是8M）；車載以太網(wǎng)的速率要快得多，速率范圍為10M-10Gbps，高速率適合數(shù)據(jù)量大，實時性強的系統(tǒng)應用，比如智能駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、智能座艙、環(huán)視、雷達等產(chǎn)品。

工業(yè)以太網(wǎng)連接器插頭是RJ45，俗稱水晶頭，RJ45連接器有8個引腳。

RJ45連接器

工業(yè)以太網(wǎng)常使用2對或4對雙絞線和標準水晶頭連接。

工業(yè)以太網(wǎng)

但是RJ45的引腳數(shù)量多，連接后容易松動，并不適合車輛中的控制器使用。

因此車載以太網(wǎng)的物理層有專用標準和協(xié)議，主要目的是為了簡化接口，以便能夠通過單對雙絞線實現(xiàn)全雙工通信，使用汽車級接插件，降低系統(tǒng)的復雜度和成本。

車載以太網(wǎng)接口

與CAN的物理層采用統(tǒng)一的標準不同的是，車載以太網(wǎng)根據(jù)網(wǎng)速的不同，物理層標準分為10base-T1S、100base-T1、1000base-T1和2.5/5/10Gbase-T1共4個標準。

目前車輛內(nèi)部主要使用百兆以太網(wǎng)100base-T1和千兆以太網(wǎng)1000base-T1,其中的T表示Twisted pair雙絞線，1表示只使用1對雙絞線。

車用百兆/千兆以太網(wǎng)

車輛外部可以使用傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)標準，比如100BASE-TX可以用于診斷系統(tǒng)。連接車輛部分常用OBD連接口，連接診斷設備部分常用RJ45連接器。

OBD II接插件中有兩對雙絞線引腳

CAN的傳輸距離是40米，車載以太網(wǎng)的傳輸距離為15米，這是因為在串行通信中，速率越高，能傳輸?shù)木嚯x越短。

1.1收發(fā)器

以太網(wǎng)的收發(fā)器接口電路包括共模電感、直流阻斷電容（DC）、共模終端網(wǎng)絡（CMT）和可選的ESD。

100BASE-T1收發(fā)器接口電路

其中與CAN接口電路的主要差異是終端電路和直流阻斷電容。

終端電路的作用是隔離MDI，防止接地回路和驅(qū)動器直流偏移，可以改善共模噪聲，在保持高抗擾度的同時減少輻射發(fā)射。

直流阻斷電容用于隔離PHY端和RJ45端直流分量，防止外部干擾。

DC隔離電容

2 協(xié)議規(guī)范

2.1單播、多播和廣播

CAN總線某個節(jié)點發(fā)送CAN報文時，網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都可以收到，發(fā)送方式是一點對多點的關(guān)系，這種方式稱為廣播式通信。其道理類似于村里的廣播，發(fā)出通知后，每個村民都能聽到，聽到跟自己相關(guān)的事情，就抓緊時間處理。

廣播時，所有人都能收到信息

與CAN總線不同，以太網(wǎng)某個節(jié)點發(fā)送報文時，網(wǎng)絡中只有對應的節(jié)點能收到，發(fā)送方式是點對點的關(guān)系，這種方式稱為單播式通信。

CAN報文只有發(fā)送地址（ID）,而以太網(wǎng)的報文中不僅有發(fā)送地址，還要有接收地址。

交換機通過發(fā)送地址和接收地址，把對應的兩個節(jié)點連接起來。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流-單播

交換機的內(nèi)部就像是一個組合開關(guān)，ECU1連接到端口1，ECU2連接到端口2，當內(nèi)部開關(guān)把1和2連通后，信息就可以從節(jié)點ECU1傳輸?shù)搅斯?jié)點ECU2。

單播方式就像是某個人（節(jié)點1）先打通村里的總機電話(交換機)，再按分機號（節(jié)點2）打通另一個人的電話。

單播方式就像撥通了分機號

但是如果有信息需要發(fā)給多個節(jié)點，怎么辦呢？

這時候就需要用到多播，多播實際上就是指以太網(wǎng)發(fā)送報文中的接收地址可以覆蓋很多個節(jié)點，這種地址稱為多播地址，交換機會按照多播地址逐個連接。

多播

當多播中的接收地址包括所有的節(jié)點時，就變成了廣播。交換機會根據(jù)廣播地址把發(fā)送端口和所有的端口連接起來。

廣播

多播和廣播就像是通過微信群發(fā)起電話會議，選擇幾個人（多播地址）就是多播，選擇所有人（廣播地址）就是廣播。

2.2幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)中的前同步碼、幀開始符、FCS等都是一些數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)和校驗等格式編碼，對我們的實際作用不大。

我們主要使用的是MAC幀中的目標地址、源地址、幀類型和數(shù)據(jù)這幾部分。

2.2.1MAC地址

MAC地址表示媒體存取控制地址，也稱為局域網(wǎng)地址，它屬于物理地址，與硬件綁定，在以太網(wǎng)的網(wǎng)絡中唯一標識一個節(jié)點（網(wǎng)卡），MAC地址長度為6個字節(jié)，48位數(shù)。

目標MAC地址是指需要接收數(shù)據(jù)的節(jié)點地址。

源MAC地址就是當前正在發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點地址。

比如00-16-EA-AE-3C-40就是一個MAC地址，其中前3個字節(jié)表示網(wǎng)絡設備制造商編號，后24位表示網(wǎng)絡設備的序列號。

2.2.2幀類型

幀類型是2個字節(jié)，表示以太網(wǎng)的類型，不同的幀類型值對應了不同的協(xié)議。

常見的幀類型

2.2.3 IP數(shù)據(jù)報

IP協(xié)議層的信息叫做IP數(shù)據(jù)報（IPDatagram），它不是數(shù)據(jù)鏈路層，屬于網(wǎng)絡層協(xié)議。

IP數(shù)據(jù)報中包含了我們最終要使用的應用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為46-1500個字節(jié)。

IP數(shù)據(jù)報

這里要說一下，我們經(jīng)常看到的IP地址就是這一層，IP地址是邏輯地址，是一個動態(tài)分配（不固定）的地址，用于實現(xiàn)跨網(wǎng)絡（不同局域網(wǎng)間）的通信和路由。

而MAC地址是物理地址，是在數(shù)據(jù)鏈路層中使用的，是固定的地址，不能更改，用于實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)部的尋址和數(shù)據(jù)傳輸。

IP地址雖然是動態(tài)的（可更改的），但也是用于在互聯(lián)網(wǎng)上唯一標識一個網(wǎng)絡設備。

IP協(xié)議目前有兩個版本，分別是IPv4和IPv6。其中的IPv4使用32位二進制數(shù)來表示一個IP地址，IPV6是128位。

目前最廣泛使用的是IPv4,IP地址通常以點分十進制形式來顯示，例如192.168.1.1。

一個IPv4地址由兩部分組成：網(wǎng)絡號和主機號。網(wǎng)絡號表示該設備所屬的網(wǎng)絡，主機號表示該設備在該網(wǎng)絡中的編號，網(wǎng)絡號和主機號通過子網(wǎng)掩碼來區(qū)分，其中網(wǎng)絡號對應的位為1，與主機號對應的位為0。

比如IP地址為192.168.1.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，則網(wǎng)絡號是192.168.1，主機號是1。

前面我們提到過單播、多播和廣播，這三種不同的發(fā)送方式就是通過IP地址來區(qū)分的。

單播很容易理解，就是一個固定的目標IP地址，比如192.168.1.1

廣播有兩種，一種是針對某個局域網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，其格式為某個網(wǎng)絡號（Network ID） + 全1的主機號（Host ID）：

比如192.168.1.255，就是向192.168.1.網(wǎng)段中所有的節(jié)點發(fā)送報文。

另一種是針對所有網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，其格式為全1的網(wǎng)絡號?+ 全1的主機號，比如255.255.255.255，這個很少使用。

多播比較特殊，多播的IP地址不是按網(wǎng)絡號和主機號劃分，除了前4位的固定位外，只有一個多播組地址，地址范圍是224.0.0.0 → 239.255.255.255。

多播IP地址

多播組地址的含義是一個IP地址代表了一組設備。這類地址又進一步細分為三個子類，分別是：約定俗成的、全球通用的和本地自定義的。

比如約定俗成的有：224.0.0.1表示子網(wǎng)上的所有設備（all devices on the subnet）；244.0.0.2表示子網(wǎng)上的所有路由器（all routers on the subnet）。

多播IP地址的三個子類

這里要說一下路由器主要是用于連接不同的網(wǎng)絡，如局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN），它使用IP地址進行路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

而前面提到的交換機是用于局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)部，通過MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；

IP地址在某個網(wǎng)絡中具有唯一性，但是在全球的范圍內(nèi)，會有重復的現(xiàn)象；而MAC地址在全球范圍內(nèi)都是唯一的。

IP地址是用來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡上設備間的數(shù)據(jù)傳輸，而MAC地址是用來實現(xiàn)局域網(wǎng)的內(nèi)部設備識別。

MAC協(xié)議（數(shù)據(jù)鏈路層）負責將IP協(xié)議（網(wǎng)絡層）打包的數(shù)據(jù)封裝成幀（frame），并根據(jù)目標MAC地址進行尋址和傳輸。也就是當一個主機要發(fā)送數(shù)據(jù)給另一個主機時，它需要知道目標主機的MAC地址，并將其寫入幀頭部。然后將幀發(fā)送出去。

當幀到達目標主機所在的局域網(wǎng)時，局域網(wǎng)內(nèi)的所有設備都會接收到該幀，并根據(jù)幀頭部的目標MAC地址判斷是否是自己。如果是自己，則接收該幀，并將其解封成數(shù)據(jù)包，交給網(wǎng)絡層處理。

如果不是自己，則丟棄該幀。在這個過程中，每個設備只需要知道與自己直連的設備的MAC地址，并不需要知道目標主機或其他中間節(jié)點的邏輯位置或網(wǎng)絡連接方式。

如果發(fā)送主機不知道目標主機的MAC地址，它會向局域網(wǎng)內(nèi)廣播一個特殊的幀，其中包含了自己的IP地址和MAC地址，以及目標主機的IP地址。該幀的目標MAC地址為廣播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF，表示所有設備都要接收該幀。

接收節(jié)點收到后，發(fā)現(xiàn)目標IP地址是自己，就會向發(fā)送者單播一個特殊的幀，其中包含了自己的IP地址和MAC地址，也就是把自己的MAC地址告訴對方。

目標IP是最終節(jié)點，而目標MAC可能是中間節(jié)點，比如路由器。

IP地址就像是快遞時填寫的收發(fā)地址（填寫后即明確目的，但必要時可以修改）、而MAC地址像是貨物的中轉(zhuǎn)地（路由器），比如一個貨物從南京發(fā)往上海，整個過程為發(fā)送地址-南京轉(zhuǎn)運中心-上海轉(zhuǎn)運中心-接收地址。

整個過程中，收發(fā)地址并沒有變，但是中間要經(jīng)過多個轉(zhuǎn)運中心的地址。最終客戶（應用工程師）只關(guān)心接收地址（ip地址），但是快遞人員（路由器）更關(guān)心的是下一站的轉(zhuǎn)運地址（MAC地址），每個快遞人員的轉(zhuǎn)運地址對了，最后的接收地址自然就會對了。

MAC或IP地址不對，都無法到達目的地

小結(jié)：

車載以太網(wǎng)憑借其快速、成熟、標準化的優(yōu)勢，將從面向車載診斷系統(tǒng)和ECU軟件刷新的運用，逐漸擴展到多媒體、駕駛輔助，最終可能會作為車載主干網(wǎng)絡，形成一個跨域的汽車網(wǎng)絡。

車載以太網(wǎng)與CAN總線從底層的物理層到上層的應用層都有很大的不同，其中底層協(xié)議中的主要區(qū)別以下表作為一個小結(jié)：

審核編輯：黃飛