近年來，隨著汽車技術的發(fā)展，汽車電子產品數(shù)量逐年增加，復雜性日益提高，車內IC增長率已超越所有其他的電子領域?，F(xiàn)在，越來越多的汽車需要配備高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI），大量流媒體數(shù)據的傳輸要求總線具備更高的傳輸能力。隨著無人駕駛技術的發(fā)展，汽車需要配備更多的攝像頭、雷達等傳感器，這此感知系統(tǒng)會采集到大量的數(shù)據，要將這此數(shù)據快速完整地傳輸?shù)接嬎闾幚韱卧⒓皶r地做出響應，也對總線的數(shù)據傳輸能力和可靠性提出了非常高的要求。

面對汽車發(fā)展的趨勢，對汽車電子總線的要求也越來越高，需要汽車總線具備更高的數(shù)據傳輸能力，汽車電子單元的復雜件要求汽車總線具備開發(fā)架構， 可擴展、支持更多的系統(tǒng)和設備通信，同時要成本更低、抗干擾能力更強、通信更安全，最好可利用現(xiàn)有成熟的總線技術?；谶@些考慮，以太網技術進入了人們的視線。但傳統(tǒng)的以太網主要應用于工業(yè)和消費級領域，汽車電子環(huán)境更為嚴酷，應力條件和EMC要求更高，因此傳統(tǒng)的以太網技術在汽車中并不適用。為了解決這些問題，車載以太網應運而生，具備更高的傳輸速率 （100 Mb/s & 1000 Mb/s），適應嚴苛的汽車電子應用環(huán)境（溫度、應力、復雜電子環(huán)境），成本更低、質量更輕，高可靠性、低功耗，低電磁輻射、滿足特定EMC標準。

2008年，BMW第—次將100Base-T應用到車載診斷系統(tǒng)（OBD）。2011年，博通推出了BroadR-Reach車載以太網技術，實現(xiàn)以太網從OBD應用到車載網絡的過渡。2011年11月，由博通、恩智浦、飛思卡爾和哈曼國際發(fā)起的OPEN聯(lián)盟（One-Pair Ethernet Alliance）成立，旨在推動將基于以太網的技術標準應用于車聯(lián)網中。2014年，BMW-X5成為首款采用BroadR-Reach以太網技術的量產車型。目前，眾多品牌車型上都使用了BroadR-Reach技術，如寶馬X3、X4、 X5、X6、i3、i8、6系和7系，捷豹XJ、XF，大眾帕薩特等。未來，將會有越來越多的量產車型采用車載以太網技術。

01.

車載以太網技術

1.1 車載以太網技術簡介

車載以太網是一種用以太網連接車內電子控制單元（ECU）的新型局域網技術。與普通以太網技術采用4對非屏蔽雙絞線傳輸數(shù)據不同，車載以太網是在單對非屏蔽雙絞線上可實現(xiàn)100 Mb/s甚至1 Gb/s的數(shù)據傳輸速率。相比普通的以太網，能夠更加適應車輛環(huán)境，滿足汽車行業(yè)對高可靠性、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 車載以太網協(xié)議架構

車載以太網協(xié)議架構對應OSI參考模型，主要分為物理層、數(shù)據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層，每一層都有各自的功能，車載以太網的協(xié)議架構圖和支持的應用協(xié)議及協(xié)議簇見圖1。

1.2.1 物理層與數(shù)據鏈路層

車載以太網的物理層采用博通公司的BroadR-Reach技術，源于100Base-TX及1000Base-T技術，由博通公司聯(lián)合恩智浦、飛思卡爾、哈曼國際等發(fā)起成立的OPEN聯(lián)盟（One- Pair Ethernet Alliance）進行推動，并成為開放的產業(yè)標準。

BroadR-Reach技術在—對UTP上全雙工傳輸100 Mb/s原始數(shù)據，傳輸距離可以達到5 m，因此，BroadR-Reach技術也稱為百兆以太網技術。BroadR-Reach車載以太網信號具備3電平，采用PAM-3編碼，傳輸頻率66.66 MHz，1 bit時間間隔為15 ns。

BroadR-Reach技術與傳統(tǒng)以太網物理層100Base-Tx相比，采用高度優(yōu)化的擾頻器，可以更好地分離信號，頻譜效率更高。同時，車載以太網的信號帶寬為66.66 MHz，只有100Base-Tx的一半，較低的信號帶寬可以改善回波損耗，減少串擾，并確保車載以太網可滿足汽車電磁輻射標準要求。

BroadR-Reach提供標準以太網的MAC層接口，因而能夠使用與其它以太網類型相同的數(shù)據鏈路層邏輯功能及幀格式，能夠通過與其他以太網類型相同的方式運行高層協(xié)議和軟件。

車載以太網的數(shù)據鏈路層采用IEEE802.3的接口標準，無需做任何示范與修改就可以與普通以太網的數(shù)據鏈路層技術進行無縫接連，并可以支持高層的網絡通信協(xié)議（如 TCP/IP)。

1.2.2 TCP/IP 協(xié)議簇

TCP/IP協(xié)議簇主要對應OSI參考模型的網絡層和傳輸層，是一類協(xié)議的統(tǒng)稱。網絡層主要包括ARP（地址解析協(xié)議）、ICMP（因特網控制報文協(xié)議）、IPv4/v6（因特網協(xié)議類型4/6）、IPv4 Autoconfig（IPv4 本地地址動態(tài)配置）等，傳輸層主要包括TCP（傳輸控制協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據報協(xié)議）。

TCP/IP 協(xié)議簇是網絡協(xié)議棧的中心部分，是上方的應用協(xié)議和下方的物理硬件通道之間數(shù)據傳輸?shù)倪B接點，起到高層應用與網絡協(xié)議之間的橋梁作用。車載以太網的 TCP/IP協(xié)議簇所包含的協(xié)議，和普通以太網的TCP/IP協(xié)議基本相同，可以支持更上層的協(xié)議。

1.2.3 應用層協(xié)議

車載以太網應用層協(xié)議對應OSI參考模型的5-7層，直接面向用戶。協(xié)議主要包括SOME/IP（基于IP協(xié)議的可伸縮面向服務中間件）、DHCP（動態(tài)主機配置協(xié)議）、DOIP（汽車診斷服務協(xié)議）、HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、Service Discovery（服務發(fā)現(xiàn)）等。應用層協(xié)議可以為用戶提供多種服務，是用戶能夠具體應用的部分。如DOIP可以應用到車輛診斷和固件升級。

1.2.4 AVB協(xié)議簇

汽車隨著技術的發(fā)展，增加了越來越多的語音、視頻、圖像等娛樂功能，同時也增加了輔助駕駛功能，這就對汽車內部的數(shù)據傳輸提出了很高的要求，需要大量的傳輸語音視頻數(shù)據，為了滿足車內的低延時、高帶寬、高可靠的要求，可以使用基于以太網的音視頻橋技術 （AVB）。AVB是一系列IEEE 802.1標準集合，主要用于提升信息交換的容量、行業(yè)支持和AV產品的標準化。音視頻橋通常指交換機，其目的是為音頻和視頻數(shù)據提供時間同步、低延遲和保證帶寬預留的流媒體功能。AVB協(xié)議簇主要包括時間敏感應用時序和同步協(xié)議、流預留協(xié)議（SRP）、隊列及轉發(fā)規(guī)則（FOTSS）、音視頻傳輸協(xié)議（AVBTP）。

02.

車載以太網標準化

車載以太網為了投入使用，形成一個產業(yè)，需要標準化。通過標準化，打通行業(yè)上下游的產業(yè)鏈，同時縮短產品的開發(fā)周期以及后期的維護。車載以太網標準化的過程中，OPEN聯(lián)盟、IEEE 802.3和IEEE 802.1工作組、AU- TOSAR聯(lián)盟和AVnu聯(lián)盟起到了巨大的推動作用1，現(xiàn)階段標準化的情況見表1。

隨著智能網聯(lián)汽車的發(fā)展，ISO國際標準化組織也開始關注車載以太網，并將車載以太網標準納入到網聯(lián)汽車標準體系中，ISO/TC22工作組目前正在制定車載以太網標準，具體見表2。

03.

車載以太網測試

現(xiàn)在，汽車行業(yè)對可靠性和安全性要求越來越高，車載以太網在應用的過程中，為了保證其可靠性與安全性，就迫切需要對其開展測試工作。傳統(tǒng)的以太網測試和車載以太網測試還存在著一定的差異，因此傳統(tǒng)以太網測試方法并不適用干汽車以太網測試。汽車行業(yè)對測試的要求更高，所以需要由相應的組織或聯(lián)盟制定車載以太網測試標準。目前，業(yè)界通用的車載以太網測試方法參考OPEN聯(lián)盟制定的TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification2）和TC-11 Ethernet Switch Test Specification回標準，測試的內容主要包括物理層測試、車載以太網交換機測試、協(xié)議層與應用層除了AVB/TSN以外的一致性測試。下面就這些測試內容和測試方法做具體的介紹。

3.1 物理層測試

車載以太網物理層測試主要包括兩個方面的測試∶PMA（Physical Media Attachment）測試和IOP（Interoperability）測試，即互操作性測試。物理層測試的目的是為了保證端口的互連互通性能，檢測發(fā)送器和接受器發(fā)送或接收信號是否符合汽車通信標準。

3.1.1 PMA測試

PMA （物理媒質接入層）主要評估車載以太網的電氣特性，針對PMA測試方面，OPEN聯(lián)盟于2014年6月發(fā)布" BroadR-Reach Physical Layer Transceiver Specification For Automotive Applications V3.2"規(guī)范標準，定義了BroadR- Reach的PMA電氣規(guī)范。在OPEN TC8規(guī)范中，測試的內容主要包括6種常規(guī)測試項∶傳輸衰落、傳輸失真、傳輸時鐘抖動（Master&Slave）、傳輸功率譜密度、傳輸時鐘頻率、 MDI回損，還有其他的測試項∶MDI模式轉換損耗、共模輻射等。

測試過程中，需要用到的儀器主要有示波器、矢量網絡分析儀、分析軟件、夾具等，夾具連接在被測設備（DUT）和示波器之間，起到電路轉換的作用，設備連接示意圖如圖2所示。根據被測對象的特點和測試項的不同，分別連接不同的測試儀表。

測試過程中，為了完成不同的測試項，需要將DUT PHY通過修改寄存器的方式設置為不同的測試模式，使其發(fā)出特定的數(shù)據包，BroadR-Reach中定義了4種測試模式。

1)Test mode 1-Transmit droop test mode。

2)Test mode 2-Transmit jitter test in MASTER mode。

3)Test mode 4-Transmit distortion test。

4)Test mode 5-Normal operation at full power(for the PSD mask)。

3.1.2 IOP測試

車載以太網物理層IOP測試，即互操作性測試（Interop- erability Tests），用于驗證車載以太網PHY（通常也稱為收發(fā)器）的可靠性和檢查PHY能否在給定的有限時間內建立穩(wěn)定的鏈路;還用于車載以太網PHY的診斷，如信號質量指數(shù)（SQI）和線束故障的檢測。模擬車載以太網遠、近端的開、短路故障作為Link Partner，與DUT建立連接，獲取兩者之間的Link Up時間（精度可達1ms）、信號品質指數(shù)以及電纜診斷信息。

IOP測試的內容主要包括以下幾項。

1）喚醒時間 （Link-up time）

對Link Partner的PHY進行多次上、下電操作，計算 DUT與Link Partner建立連接所需要的時間;對DUT進行多次上、下電操作，計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間;對DUT進行多次喚醒、睡眠操作，計算DUT與Link Partner建立連接所需要的時間。

2）信號品質

逐步提高人工噪聲水平，獲取信號品質指數(shù)SQI的變化曲線;逐步降低人工噪聲水平，獲取信號品質指數(shù)SQI的變化曲線。

3）線束診斷

測試DUT在遠端或近端發(fā)生一條或兩條線路開路時，是否能夠可靠地檢測到開路故障;測試DUT在遠端或近端發(fā)生短路時，是否能夠可靠地檢測短路故障。

測試過程中，采用Golden Device作為Link Partner，測試的連接示意圖如圖3所示。

圖3物理層IOP測試連接示意圖

3.2 交換機測試

車載以太網的交換機測試，是對車載以太網交換機常規(guī)數(shù)據幀收發(fā)相關功能的測試，測試的規(guī)范主要是TC-11 Ethernet Switch Test Specification 標準，測試的內容如下。

1）通用功能

數(shù)據幀正常轉發(fā)、端口鏡像、端口禁用、處理巨型幀、讀出設備ID等基本功能。

2）地址解析功能

地址學習、地址老化時間、地址解析表、地址學習配置模式等功能。

3）虛擬局域網功能 （VLAN）

TPID以太類型字段自由配置功能、雙標簽Q-in-Q功能、非標簽數(shù)據幀支持、VLAN跳躍攻擊抑制、共享VLAN學習等功能。

4）基于時間敏感網絡的時間同步功能（TSN）對接收到的時間同步的幀正確處理的功能。

5）服務品質（QoS）

對優(yōu)先級流量正確處理和實現(xiàn)不同流量整形策略的功能，包括基于優(yōu)先級的服務品質、基于WRR轉發(fā)數(shù)據包功能、PCP字段覆蓋功能、優(yōu)先級映射功能、支持漏桶算法功能等。

6）配置功能

運行中可重新配置的功能，端口可單獨配置功能、配置完成前支持在 "禁止轉發(fā)"模式下啟動的功能、讀回配置信息功能、支持鎖定配置項功能等。

7）過濾功能

在接收端口是否能按照設定，對接收到的數(shù)據幀進行過濾的功能，包括端口廣播保護功能、通用過濾需求、與 VLAN相關的過濾規(guī)則、基于上層地址的過濾規(guī)則等。

8）診斷功能

計數(shù)器能否正確計數(shù)診斷、線纜和連接狀態(tài)反饋功能的診斷等。

測試過程中，可以將測試平臺作為流量發(fā)生器，發(fā)送不同類型的數(shù)據報文，由與之相連的計算機上的軟件對報文的類型進行配置，在軟件上對測試項的結果進行檢查。與DUT相連的計算機也對DUT的工作模式進行配置。測試連接示意圖如圖4所示。

圖4交換機測試連接示意圖

3.3 協(xié)議一致性測試

協(xié)議一致性測試(protocol conformance test），指的是檢驗開放系統(tǒng)互連（OSI）產品的協(xié)議實現(xiàn)與 OSI協(xié)議標準一致性程度的測試。車載以太網2層到7層除了 AVB/TSN以外的協(xié)議一致性測試的測試項目和測試過程以及測試判據主要依據 TC8-OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specifi- cation標準。

測試項主要為了驗證兩個方面的內容∶

①Con- formance test——驗證被測設備/系統(tǒng)是否遵循協(xié)議標準;

②Negative test——通過發(fā)送非法報文驗證被測設備/系統(tǒng)的穩(wěn)定性/魯棒性。

測試時，需要在DUT上安裝輔助測試工具Upper Tester。Upper Tester（UT）本質上是一個運行在DUT中的應用，它能夠接收測試平臺發(fā)送的指令，來配置被測協(xié)議棧 （IUT）的參數(shù)，或觸發(fā)被測協(xié)議棧產生某種行為。UT支持的指令和格式遵循AUTOSAR體系下的"Testability Protocol and Service Primitives"規(guī)范。將測試平臺與DUT連接，選擇對應的協(xié)議測試套件與DUT進行特定的通信，配置測試套件的參數(shù)，如IP、MAC地址等，結合Upper Tester的輔助作用對指定協(xié)議的測試項開展測試，測試平臺收集測試數(shù)據，生成測試報告。測試設備連接示意圖如圖5所示。

圖5協(xié)議一致性連接示意圖

以一個ARP測試項為例，介紹協(xié)議一致性的測試過程。

1）配置DUT以清除ARP緩存中的動態(tài)條目。

2）配置DUT以在其ARP緩存中添加一個靜態(tài)條目，包含測試平臺的IP地址和物理地址。

3）配置DUT向測試平臺發(fā)送UDP請求消息報文。

4）測試平臺監(jiān)控接收到的報文信息。

5）觀察DUT的動作。

6）根據判據判斷DUT的動作是否能夠通過測試。

除此之外，車載以太網測試還包括AVB協(xié)議簇的測試，測試的內容和參考標準主要是;時鐘同步功能（IEEE 802. 1AS）、流量控制功能 （IEEE 802.1Qav）、流管理功能（IEEE 802.1Qat）、音頻/視頻傳輸協(xié)議（IEEE 1722（a））。

審核編輯 ：李倩