車載以太網(wǎng)技術(shù)及測試方法研究

摘要：汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展對車載網(wǎng)絡(luò)通訊速度和可靠性提出了更高的需求。車載以太網(wǎng)因其傳輸速度快、功耗低等優(yōu)勢在汽車上得到了越來越多的應(yīng)用。車載以太網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，更符合汽車對通訊質(zhì)量和電磁兼容的要求。為保證車載以太網(wǎng)在汽車中應(yīng)用的可靠性與穩(wěn)定性，需要開展相關(guān)測試工作。本文分析了車載以太網(wǎng)物理層、交換機(jī)、通訊協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)以及一致性測試方法，為主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商開展車載以太網(wǎng)的可靠性研究提供了有效參考。?

如圖1 所示，車載以太網(wǎng)沿用了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的OSI 七層架構(gòu)模型。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上對物理層進(jìn)行了改進(jìn)，引入了100BASE-T1、1000BASET1方案。在數(shù)據(jù)鏈路層引入了時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN以滿足自動駕駛對高實(shí)時性和可靠性的需求。在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層保留了TCP/IP 協(xié)議族。在應(yīng)用層引入了SOME/IP、DDS 等中間件，可以在控制器之間實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的通信。引入了基于以太網(wǎng)的診斷DoIP，通過以太網(wǎng)連接車輛中的電子控制單元，進(jìn)行診斷、編程和配置。

1.2 車載以太網(wǎng)物理層

車載以太網(wǎng)物理層芯片（PHY）工作于OSI 網(wǎng)絡(luò)模型的最底層，是一個復(fù)雜的數(shù)模混合芯片系統(tǒng)，如圖2 所示。PHY 定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電光信號、數(shù)據(jù)編碼、時鐘基準(zhǔn)、電路等，通過接口與MAC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖3 所示常規(guī)以太網(wǎng)需要兩對雙絞線分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，而車載以太網(wǎng)使用的是一對非屏蔽雙絞線進(jìn)行全雙工的信息傳輸。

1.3 車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層可細(xì)分為LLC 以及MAC 兩個層級。LLC 與所用物理介質(zhì)無關(guān)，負(fù)責(zé)向上層提供服務(wù)、鏈接尋址定義、管理數(shù)據(jù)鏈路通信等。MAC 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝、總線訪問方式、尋址方式以及差錯控制等，可以使得上層軟件與所用物理鏈路完全隔離，保證了MAC 層的統(tǒng)一性。

1.4 車載以太網(wǎng)協(xié)議

車載以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層沿用傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要包括ARP、ICMP、IP、TCP 和DUP 協(xié)議。在應(yīng)用層引入了SOME/IP、DDS 等中間件方案，同時支持基于以太網(wǎng)的診斷DoIP。其中SOME/IP 是目前汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)SOA 架構(gòu)最核心的通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用、讀寫進(jìn)程信息，主要通過Method、Event 和Field 三種方式來實(shí)現(xiàn)（圖4）。

2.1 車載以太網(wǎng)物理層測試

車載以太網(wǎng)物理層測試是為了保證端口的互連互通性能，檢測發(fā)送器和接收器發(fā)送及接收信號是否符合汽車通信標(biāo)準(zhǔn)，包括物理介質(zhì)連接（PMA）測試和互操作性（IOP）測試。PMA 測試主要是對發(fā)送器電氣指標(biāo)的測試，將被測件的以太網(wǎng)端口線通過測試夾具連接到示波器或網(wǎng)分，如圖5 所示。通過診斷、串口、ADB 等方式設(shè)置不同的測試模式使被測件PHY 發(fā)出不同的波形，如表1 所示，其中MDI 回波損耗和模式轉(zhuǎn)化損耗需要設(shè)置被測件為從模式。

PMA 測試結(jié)果如圖6 所示。

IOP 測試是對控制器和對端建立鏈路的測試，包括鏈路建立時間、鏈路質(zhì)量和線纜診斷。鏈路建立時間測試是為了驗(yàn)證PHY 能否在規(guī)定的時間內(nèi)建立穩(wěn)定的連接，如圖7 所示。鏈路質(zhì)量測試是驗(yàn)證寄存器的SQI 值與真實(shí)的信號質(zhì)量是否一致，通過增大和減小鏈路中注入噪聲的幅值實(shí)現(xiàn)信號質(zhì)量遞減和遞增的SQI 測試，如圖8、9 所示。線纜診斷測試通過制造鏈路故障檢驗(yàn)寄存器是否能夠準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)測到鏈路近和遠(yuǎn)端的開路、短路故障。

2.2 車載以太網(wǎng)交換機(jī)測試

交換機(jī)測試是對車載以太網(wǎng)交換機(jī)的功能和性能進(jìn)行測試。功能測試包括虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、鏡像、最大幀、地址學(xué)習(xí)、幀過濾、時間同步等。性能測試包括吞吐量、時延、丟幀率、背靠背、全網(wǎng)狀通信、多對一網(wǎng)狀通信、一對多網(wǎng)狀通信、部分網(wǎng)狀、擁塞控制、地址緩存、地址學(xué)習(xí)速率、錯誤幀過濾、廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)和延遲。交換機(jī)測試時將交換機(jī)的外部接口分別與測試站端口連接，如圖10所示，通過測試站向被測件發(fā)送流量測試交換機(jī)的功能和性能。

VLAN 測試時通過測試站發(fā)送不帶VLAN、帶一層VLAN 和帶兩層VLAN 的流量，并更改VLAN的標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)識和VLAN ID，通過檢查與被測件相連的測試站端口流量的接收情況，判斷該流量被轉(zhuǎn)發(fā)還是被丟棄，從而驗(yàn)證交換機(jī)的VLAN 設(shè)置是否滿足需求。如圖11 所示，測試儀的5/6/7/8/9 端口分別發(fā)送不帶VLAN 的廣播流量，檢查測試站發(fā)現(xiàn)每條流量都被轉(zhuǎn)發(fā)，對照交換機(jī)VLAN 需求判斷該條測試通過。

2.3 車載以太網(wǎng)協(xié)議一致性測試

協(xié)議一致性測試的目的是檢驗(yàn)被測設(shè)備的協(xié)議實(shí)現(xiàn)與OSI 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一致性。一方面檢驗(yàn)被測設(shè)備和系統(tǒng)是否遵循協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，另一方面通過發(fā)送非法報文驗(yàn)證被測設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。測試TCP/IP 和SOME/IP 協(xié)議時，需要在被測件上分別安裝輔助測試工具Upper Tester（UT）和增強(qiáng)可測試性服務(wù)（ETS），來接收和回應(yīng)測試平臺的指令，配置被測協(xié)議棧的參數(shù)或觸發(fā)被測協(xié)議棧產(chǎn)生某種行為。

SOME/IP 測試主要分為ETS 測試和Server 測試。圖12 所示為測試儀和被測件的信息交互過程，該項(xiàng)測試是突發(fā)測試，目的是檢查DUT 是否能夠在短時間內(nèi)處理大量請求，并返回所有請求應(yīng)答。首先測試儀創(chuàng)建一個有效的SOME/IP 報文，然后使用Method echoUNIT8 發(fā)送突發(fā)SOME/IP 請求報文，檢查被測件是否對每個Method 請求發(fā)送響應(yīng)報文。