汽车以太网网关设计研究

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专题技术
DCW
49
数字通信世界
2020.05
0 引言
如今，汽车网络主要由几种不同网络组成，主要有如下几种：一是CAN 总线，目前车载网络骨干网；二是LIN 总线，主要应用于对时间不敏感的功能（如车窗控制、脚踢感应等）；三是MOST 总线，针对信息娱乐系统开发的面向媒体的系统传输；四是FlexRay 总线，用于防抱死制动ABS ，电子助力转向EPS 等系统。

由于采用了不同的网络协议，故需要使用网关，以实现在不同网络设备中进行通信数据的传输交互。

随着汽车电子的发展，汽车电子控制单元（ECU ）的数量不断增加。

同时，为支持无人驾驶系统（ADAS ）的实施，越来越多的传感器、摄像头、激光雷达等新技术被集成进汽车，车辆每时每刻都在产生着大量的数据，因此，数据通信速率急需大幅提高。

从整体技术上来讲，目前车载网络的改进需要根本性的改变。

首先是它所使用的拓扑结构，其次是它所依赖的底层技术。

以太网作为一种历史悠久且广为人知的技术，已在数据通信和工业领域得到广泛应用，而今顺势被引入到汽车中来。

展望未来，以太网技术将成为汽车数据传输的基础，通过提供一个共同的协议栈，减少不同协议之间的转换需求。

1 以太网互联设备介绍
以太网互联设备主要有中继器（Repeater ）、集线器（Hub ）、
网桥（Bridge ）、交换机（Switch ）、路由器（Router ）。

中继器是一个有两个端口的设备，在OSI 模型的物理层运行。

中继器是最简单的互连设备，当某端口检测到输入信号，则将该信号转发到另一个端口上。

它的作用是放大信号，补偿信号衰减，加大线缆的传输距离。

集线器是一种具有多个端口的设备，在OSI 模型的物理层运行。

集线器其实是一种有两个以上端口的中继器。

网桥是一个有两个端口的设备，在OSI 模型的数据链路层运行。

因此，网桥并非盲目地将一个端口的信号复制到另一个端口，实际上它检查了第二层的以太网数据，根据其目的MAC 地址，决定往哪个端口进行转发。

交换机是一个多端口的设备，在OSI 模型的数据链路层运行。

交换机实际是一种有两个以上端口的网桥。

交换机又可分为二层交换、三层交换、四层交换。

路由器是一种有两个或多个端口的设备，运行在OSI 参考模型的网络层。

它检查了第三层的以太网数据，根据第三层的IP 地址，决定往哪个端口进行转发。

汽车网关控制器是整车电子电气系统架构中的核心部件，是整车网络的数据交互枢纽。

目前在以太网方面主要实现交换机方面的功能，同时在CAN ，LIN ，Ethernet 等不同网络上进行数据通信路由。

2 车载网关系统功能简介
汽车网关承担不同总线类型之间的协议转换工作，并参与各网段的网络管理，主要具有如下功能：
（1）通信路由。

通信路由指的是各个网段之间信息通过网关转发。

这种转发有报文路由、信号路由两种方式。

报文路由分为事件报文路由和周期报文路由。

事件报文具备事件触发特性，即收到才转发。

周期报文按照固定周期发送，超时后采用失效值填充。

（2）对整车各电子器件的故障诊断。

网关可以自动转发来自外部设备的诊断报文，并可以将各个控制器反馈的诊断信息发回外部设备。

（3）安全隔离，防火墙。

网关除了降低网络负载外，另一个很大的功能就是安全性。

我们利用网关来隔离车辆内部网络与外部网络。

诊断通路一般单独使用一个通道，与其他通信通道隔离，另外还需经过一系列的认证关卡，以防止车辆被恶意入侵。

网关还提供防火墙功能，针对某些敏感信息，直接过滤。

（4）克隆转发功能。

但隔离工作会让调试工作受到一定限制。

为方便调试，网关一般会引入克隆转发功能。

即通过诊断命令控制，把其中一路报文在满足正常转发的同时，动态的复制一份到诊断口，以方便调试。

3 以
太网网关软件协议层架构
图1 以太网网关软件协议层架构
整个软件协议层非常庞大，限于篇幅，本文仅对DOIP 协议层展开说明。

3.1 DoIP 原理框架
DoIP （Diagnostic over IP ）是基于太网的诊断传输协议，将UDS 进行封装，并基于IP 网络进行传输。

应用于车辆售后检查和维修、车辆或ECU 软件的重编程、车辆或ECU 的下线检查和维修等，其主要工作原理类似于Diagnostic over CAN （或称DoCAN ）。

即在UDS 诊断服务的基础上，通过TCP/IP 来进行车辆信息诊断。

3.2 DoIP 节点类型
DoIP 实体分为普通DoIP 节点及DoIP 边缘节点。

以太网网关为DoIP 边缘节点。

需具有如下特性：支持IPv4；包含DHCP 客户端功能，以实现外部动态IP 地址，内部静态IP 地址；需包含防火墙功能，且需将外部IP 地址转换内部IP 地址以保护内部通信安全；需支持VLAN 功能；需支持多个IP 地址；监听TCP/UDP 协议层数据。

汽车以太网网关设计研究
张招贤
（同致电子科技有限公司，厦门 361000）
摘要：随着时代的进步，汽车正在向智能网联和无人驾驶两个方向高速发展，汽车上将架设越来越多的ECU 来完成无人驾驶、智能互联、影音娱乐等服务需求。

ECU 之间、车与车之间的交互信息越来越庞大，传统车载网络（CAN，LIN 等）将无法满足应用需求，需架设车载高速网络——以太网，以满足应用需求。

车载以太网可极大降低车身线束成本，普通双绞线即可，可以承载更多的信息以拓展未来AI 功能、FOTA 功能以及车联网功能等。

关键词：以太网；网关；CAN ；车载doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2020.05.029中图分类号：U46，TP3 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2020）05-0049-02
技术
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50DIGITCW
2020.05
图2 DoIP 原理框架
而普通DoIP 节点具有如下特性即可：监听TCP 协议层数据；接收属于本V ALN 的DoIP 信息，并作出响应。

3.3 DoIP 应用场景（1）售后模式：在售后维修厂，外部诊断仪无需使用传统的OBD 口硬件线连接，可通过TCP/IP 协议与车辆建立直接链接，并按照要求的指令，将请求命令发送给车辆的DoIP 实体，然后相应的DoIP 实体也通过TCP/IP 反馈车辆的相关信息。

（2）产品/工厂模式车辆ECU 刷新：外部软件刷新设备，根据既定的软件刷写流程，通过以太网TCP/IP 协议与车辆内部模块IP 网络建立通信。

在产品模式下，开发工具一般是实现工具与DoIP 实体点对点的通信与刷新。

而在工厂模式下，采取的则是软件刷新设备对整车进行的并行刷新操作。

（3）工厂模式总装检测维修：在工厂生产制造时，外部检测设备会按照指定顺序，对接入IP 网络的车辆进行终检工位的完整性测试。

与售后模式下的不同之处在于，在工厂环节，外部检测设备通常会与整车多个模块的多个DoIP 实体进行连接以及并行通信。

3.4 DoIP 激活线
激活线（Activation line ）主要用于激活及禁止以太网控制器，目的如下：降低静态睡眠功耗；减少电磁干扰。

若供电电压小于2 V ，则关闭激活线输出，即禁止以太网控制器。

若供电电压大于5 V ，则开启激活线输出，即激活以太网控制器。

4 汽车以太网网关测试要求
表1 汽车以太网网关测试要求
测试规范
描述
RF2544吞吐量、时延、抖动、丢包率等参数测试规范RF2889
功能、性能测试规范（广播功能、错误帧、流控制等）
TC82~7协议层一致性测试
TC10
睡眠唤醒测试
4.1 物理层测试
主要针对100Base-T1，100Base-TX ，参考标准为TC8。

（1）PMA 测试内容，主要包含：发送器电压降（TM1）、发送器Jitter （TM2）、发送器时钟频率（TM2）、发送器功率频谱密度（TM5）、回波损耗（TM4）、MDI 模式转换（TM4）、MDI 共模发射（TM5）、发送器失真（TM4）。

（2）IOP 测试，主要包含：链接建立时间、信号质量SQI 、远端开路、近端开路、远端短路、近端短路、接地检测。

（3）接收器测试，主要包含：差分信号&频偏容忍。

4.2 协议层测试
（1）协议一致性测试，依照TC8测试规范展开测试。

（2）交换机性能测试，依照RF2544及RF2889，进行测试，主要包含：端到端向导、运行背景流量、吞吐量和延迟、帧丢失、背对背测试、地址缓存、地址速率、广播速率、拥塞控制、帧误差过滤。

（3）拓扑性能测试，主要包含：全互联、多对一、一对多、部分互联。

（4）协议层测试主要包含对如下协议层的测试：VLAN ，ARP ，ICMPv4，ICMPv6，IPv4，Dynamic IPv4，UDP ，DHCPv4，TCP ，SOME/IP 等。

5 结束语
在汽车的智能网联时代，汽车智能网关无缝地集成了车辆与环境周边网络系统，将整个车辆与外部数字世界连接在一起，是连接车辆内部环境与外部通信网络的重要纽带。

为适应高速发展的车载网络，同致电子科技将贡献自已的力量，推动新一代以太网网关的顺利开发，实现传统网关到未来的智能网关快速迭代。

参考文献
[1] I SO 13400-2 Road vehicles ：2012-Diagnostic communication over Internet Protocol （DoIP ）-Part2.
[2] [德]克尔斯滕·马特乌斯（Kirsten Matheus ） 著.汽车以太网[M].李巍，周轩羽 译.北京：机械工业出版社，2019.
[3] O A Automotive Ethernet ECU Test Speci fi cation [Z]. 2017.
（上接第88页）系统可以平稳运行。

在对蓄电池的管理系统功能进行检验的环节中可以发现其较为完整，并符合系统运行的实际情况[3]。

3.3 电力系统不间断电源使用注意事项
为有效降低生产成本，注重加强后背式不间断电源的设计工作，在使用该电源时，要严格按照电网输入端的零线的说明标准进行连接，保证电源的正常供应。

不间断电源在运行的环节中经常处于逆变器供电的状态，要掌握该设备的负载特征，将其控制在纯电阻或是电容性状态，并控制好容性是的功率因数，一般在0.8左右。

为了避免不间断电源的负载功率出现下降的趋势，要准确的对负载电抗进行调整，将负载调整为最佳区间是保证设备平稳运行的关键，通常在30%-60%之间。

在后背式不间断电源运行的环节中，要将逆变器保持在供电的状态，控制好交流输入回路中保险丝的容量，避免外界因素的干扰，将其抗干扰自动稳压的功能充分展示出来。

当后背式不间断电源的供电由逆变器进行供应时，要尽量其处于空载运行的状态，并对不间断电源的输入级进行确认。

电网在运行的环节中，停电现象时有发生，要根据后背式不间断电源供电情况适当的调整其电源的交流稳压工作关键点。

要掌握方波输出的后背式不间断电源的供电情况进行分
析，控制好逆变器供电转换时间，切记不要对计算机网络进行供电。

在不间断电源运行的过程中，要对该电源的输入电压与电网的输入电压进行比较，控制好电源的放置环境的温度以及湿度。

4 结束语
电力系统不间断电源在调度中的应用效果较为突出，注重对不间断电源系统进行优化，掌握好不间断电源使用时的注意事项，选择最佳的供电电源方案，针对在实际操作环节中存在的不合理环节进行及时的调整，并严格按照相关的技术标准进行操作，一定程度上有助于保证电力系统的平稳运行。

参考文献
[1] 龚亮.模块化不间断电源自适应均流控制技术研究[J].中国设备工程，2019（20）：116-118.
[2] 张宇浩.对医院电力系统用不间断电源方案的分析[J].中国设备工程，2018（21）：186-187.
[3] 王珂，孙毅.电力系统用不间断电源方案的探讨与应用[J].通讯世界，2018（02）：284-285.。