? ?技術簡介

1.1名詞解釋

車載以太網是一種連接車內電子單元的新型局域網技術，在單對非屏蔽雙絞線上可實現 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的數據傳輸速率，同時滿足汽車行業高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。 ?

1.2基本技術原理

車載以太網技術是在我們消費領域的以太網技術上發展過來的，是在物理層進行了優化以適應汽車電子要求的一種技術。 我們常用的以太網和車載以太網主要是在物理層不同，基本架構依然是MAC+PHY芯片+傳輸鏈路。主要有100M和1G兩種標準。對于100M車載以太網在PHY層主要有兩個規范：BroadR-Reach和100Base-T1，兩者都是明確為汽車應用設計的，并且它們之間有很多重疊。而1000Base-T1這是千兆車載以太網的物理層技術標準。 100Base-T1最顯著的特點就是使用單對差分線實現數據傳輸，從成本上來說降低了線束的成本和重量。

? 1.3車載以太網總線

以太網讓連接更容易

以太網技術在生活中的應用隨處可見，日常電腦上網，或者手機上網都與以太網密不可分。現在汽車中的5G車聯網、V2X，以及后面汽車的智能化應用這些都跟以太網技術密不可分。 車載以太網最大優勢：帶寬高，成熟度高

車載以太網的普及主要依賴于以太網的兩個優勢：帶寬高和成熟度比較高。車載以太網帶寬目前有100M或者1000M，甚至隨著技術的發展后面可以達到2.5G、5G、10G的帶寬。目前工業以太網已經可以達到100G的帶寬，從工業以太網應用到車載以太網應用主要解決汽車上EMC的問題，不需要做單獨的驗證或者技術難題攻關，相當于可以直接拿來應用，這對車載以太網的發展是非常有利的，所以說車載以太網的成熟度比較高，這也是車載以太網廣泛應用的重要原因。 汽車技術的發展對以太網需求明顯提高： 1）隨著高算力，多功能，中央化智能ECU出現，刷寫速率以及迭代速度要快； 2）高階智能駕駛，針對時延以及帶寬，提出了更高的要求； 3）新能源換電，針對換電站的WIFI需求，無線靈活化； 4）智能車聯網，極致的座艙享受，消費&汽車一體化 降本增效，使用以太網AVB/TSN技術實現視頻傳輸，節省LVDS專用線束成本。

? 1.3常見以太網線束分類

一對雙絞線

兩對雙絞線 OBD對外通信通常使用的是3、11、12、13 這四個引腳，外加一個引腳8做DOIP激活，在這里面，用于數據傳輸的是3、11、12、13，這四個引腳用了兩對雙絞線，這四根線跟外部網線中四根進行連接，從而實現跟診斷儀或PCG進行數據傳輸。 四對雙絞線（線序分T568A和T568B） 上圖是常見的網線，網線的采用四對雙絞線，一般一百兆網絡的話會用到里面1，2, 3,6四根。OBD口的四個引腳要跟網線里某四根線進行一一匹配才能進行車外通信。 02

技術細節

本文就介紹以相對主流的100Base-T1進行介紹。 ?

2.1 基本結構 基本結構分為MAC、PHY個MDI三部分。

? 2.2PHY功能 PHY 芯片很多廠家都有，按照一貫的風格，我們還是以資料開放度比較高的TI生產DP83TC811R-Q1 的為例進行介紹。下圖是DP83TC811R-Q1數據手冊中給出的一個簡單的原理圖

2.2.1編碼技術 100BASE-T1采用獨特的4bit至3bit（4B3B），3bit至2三進制對（3B2T）和三級脈沖幅度調制（threelevel pulse amplitude modulation,PAM3）編碼方案。這一塊有點復雜，不像人話，我們來細述一番。 假設我們使用的是MII接口，通信速率是100Mb，數據寬度是4bit,速率是25M。為了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY從MII接口收到數據后，會首先進行一個4B3B的轉換，并將時鐘頻率提高到33.33333MHz，以保持100 Mbps的位速率。 之后PHY要再進行3B2T的操作，將每次接收到的3個bit轉化為2個三進制電平值（取值范圍是-1，0，1），具體的對應關系如上圖中的表所示。3個bit有8種組合（即2的三次方），兩個電平值有9種組成（即3的平方），所以后者可以覆蓋前者。此時時鐘周期仍然是33.333M，但是每個時鐘周期中的兩個電平就能夠表示3個 bit了，所以此時的數據速率仍然是100Mbit/s，每個電平實際上包含了1.5bit信息。3B2T的轉換關系如下表

最后一步是PAM3，將邏輯的-1，0，1轉化為在雙絞線上的電壓，所以，最終在總線上信號的波特率是66.666MHz，但是它實現了100Mbit/s的通信速率。 下圖是數據從MII接口到雙絞線電平的轉換過程。

為了更加直觀地理解三電平信號，下面給出在IDEL模式下端口上的信號波形。

2.2.2 回聲消除技術 10BASE-T和100BASE-TX有兩對信號線，分別進行收和發，但是100BASE-T1是也是物理全雙工接口，卻允許在同一對上進行發送和接收。這個物理全雙工通過疊加原理完成，100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能，并使用回聲消除功能來消除其自身的發送信號并從鏈路伙伴中提取接收到的信息。為了做到這一點，一個PHY專門用作主機，另一個作為從機。當兩個100BASE-T1 PHY連接時，它們會經過訓練過程，從而使被測設備（DUT）和鏈路伙伴以相同的頻率以相同的相位傳輸信息。下圖說明了每個PHY內的混合和回聲消除的簡化框圖。

最后我們再給出DP83TC811R-Q1 的完整功能框圖加深理解。

? 2.3Medium Dependent Interface (MDI) 兩個PHY芯片之間的連接叫媒體專用接口(MDI),它包括靜電防護、共模干擾抑制、直流隔離、車載接頭和雙絞線幾個部分。 2.3.1共模噪聲抑制 共模扼流圈（CMC）過濾MDI上的共模噪聲。盡可能降低共模噪聲非常重要，因為它會干擾PHY的接收器。另外，由于共模噪聲是單端輻射源，因此會導致較高的輻射發射。 下圖列出了CMC必須與100BASE-T1 PHY一起使用的要求。

2.3.2直流隔離 100BASE-TX的DC隔離通常使用變壓器，其中心抽頭（在PHY側）連接到取決于PHY的DC電壓。 100BASE-T1僅使用兩個電容器，與帶有變壓器的應用相比，這兩個電容器提供了直流隔離并減小了解決方案的尺寸。 2.3.3絞線 對于初期的以太網設計的傳輸介質是同軸電纜，同軸電纜使用了電磁屏蔽原理，即在線纜的內外兩芯之間以及外芯和線皮分別納入一層鋁制的屏蔽網，從而屏蔽干擾信號，事實證明這種屏蔽效果更好，然而也更昂貴。 雙絞線利用自身的特性有效降低了環路的面積，可以有效抵抗外接干擾，并且可以利用差分線的特點有效降低對外輻射。車載系統受到空間、成本和重量的限制，最終還是選擇了雙絞線，100BASE-T1要求雙絞線阻抗為100歐姆，線束長度限制為15m，實際應用建議不要超過10m。 ? 2.4 POE POE，即Power Over Ethernet，是一種使用以太網接口直接進行供電的技術，可以有效減少線束成本的方案。目前看到該技術只在千兆車載以太網上應用。這里留坑先。 ? 2.4技術優勢說明 車載以太網使用回聲消除技術，實現單對雙絞線進行百兆數據流傳輸，降低線束成本和重量。使用雙絞線、三電平技術有效降低對外輻射，使用電容進行直流隔離，降低PCA成本和PCB面積。 03

車載以太網協議分析

3.1 以太網經典OSI(Open System Interconnect)七層模型 由ISO組織發布

以太網經典OSI七層模型以及對應的解釋見上圖，同時列出了TCP/IP五層模型進行對比，對比來看，OSI和TCP/IP本質描述的都是同一個東西，只不過OSI將TCP/IP最上方的應用層詳細的分解成三層，做了詳細的功能描述，這樣方便加深理解。但是在實際學習和實施中，更多的是按照TCP/IP的五層模型進行。

OSI模型協議分布 ? 3.2 以太網幀結構

以太網幀結構見上圖，我們能夠抓到的以太網報文幀從目標MAC地址開始到IP數據報，前面的前導碼和幀開始符再被抓包前就已經被解析掉了，幀跟幀之間存在幀間距。 因此以太網幀由目標MAC地址、源MAC地址、幀類型以及IP數據報構成，其中IP數據報有一個規定的長度，從46字節到1500個字節，因此以太網存在最大幀和最小幀： 1）以太網最大幀： 6+6+2+1500+4=1518字節 2）以太網最小幀 6+6+2+46+4=64字節 ? 3.3 IP及子網掩碼：子網掩碼不能單獨存在，它必須結合IP地址 一起使用

1）子網掩碼作用：就是將某個IP地址劃分成網絡地址和主機地址兩部分 2）例如192.168.1.1/24或者192.168.1.1，255.255.255.0，則主機數2^8-2=254 以太網路由示例：

以PC訪問百度（www.baidu.com）為例，對于PC來說，它壓根不知道也關心www.baidu.com 是在北京還是深圳，它只需要根據它的缺省網關去做路由，知道把IP往哪里送即可，就好比我們寄快遞到北京，快遞員從這個片區收件后，他不需要知道去具體北京的路線， 他只需要把物件送到下一個匯聚點就可以，就像接力一樣。這就是以太網通信的概念，因此，在進行以太網通信設計時，需要考慮把信息發送給誰。 電腦獲取網卡IP信息

? 3.4 以太網DOIP協議

上圖為抓取的一個DOIP報文，這里注意一下，圖中的幀不包括前導碼、幀起始符、CRC校檢部分，這些已經被剝離掉，特別是CRC校驗，如果這個幀能被抓取到，那么意味著CRC校驗一定是通過的。 圖中整個DOIP報文一共有69個字節，分別是： 14字節數據標層，包含6個字節的源MAC，6個字節的目的MAC，2個字節的幀類型，然后是IPV4，一般缺省是20字節，在某些情況下會額外有一些option字段，這樣可能就不止20字節，這種情況用的比較少，可以僅做了解， 再往下是TCP，同樣缺省是20字節，在極少數的情況下會額外有一些option字節 DOIP協議有8個字節的header，注意一下header中不包含邏輯地址。 以上就是DOIP協議的幀結構 ?

3.5 以太網SOMEIP協議

SOMEIP協議幀結構見上圖，SOMEIP就是我們常說的SOA用的協議一種。SOMEIP幀結構跟DOIP幀結構類似，前面的部分基本差不多，SOMEIP報文頭部有16個字節，包含Service ID，Method ID，長度等。不同的SOMEIP一個請求或者消息，它的payload需要不同的解析，因為不同OEM的payload定義是不一樣的，可能需要額外做一些插件進行解析。

編輯：黃飛

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