摘要

對傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)總線類型及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點進(jìn)行分析，結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)汽車特點智能化和網(wǎng)聯(lián)化、以及智能網(wǎng)聯(lián)汽車對傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)，提出基于以太網(wǎng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方法、并闡述了應(yīng)用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用推進(jìn)過程、介紹了汽車以太網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議的分類，解決了汽車大數(shù)據(jù)傳輸問題。

1 汽車網(wǎng)絡(luò)介紹

汽車網(wǎng)絡(luò)，是指將汽車上的所有電子傳感器、電子執(zhí)行器、電子控制單元（ECU）連接在一起的通信形式。汽車功能簡單、每輛汽車上ECU數(shù)量少的情況下，可通過點對點通訊。隨著汽車功能的增多，汽車上傳感器、執(zhí)行器、ECU數(shù)量增多，點對點通信已不滿足需求。1991年，第一輛取代點對點通信，通過CAN總線傳輸?shù)能囕d網(wǎng)絡(luò)在奔馳S級汽車上誕生。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，幾乎每輛汽車上都裝配有車載總線網(wǎng)絡(luò)，車載總線網(wǎng)絡(luò)以CAN、LIN總線網(wǎng)絡(luò)為主，部分高端汽車搭載MOST、FlexRay總線等。

2 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)總線類型 

車載總線按照傳輸類型不同分為CAN、LIN、MOST、FlexRay。

圖1 傳統(tǒng)汽車總線類型

CAN（Controller Area Network），汽車最常用的車載總線類型，具有低成本、可靠的錯誤檢測和處理機制、基于仲裁式發(fā)送方式、最大傳輸8Byte數(shù)據(jù)等特點，可應(yīng)用于車身電子部件控制、發(fā)動機控制、底盤電子控制等。

CAN FD（CAN with Flexible Data rate）是CAN的升級，CAN FD總線彌補了CAN總線帶寬的制約缺陷。CAN FD數(shù)據(jù)場部分最大傳輸速率5Mbps，最大數(shù)據(jù)長度64Byte。

LIN（Local Interconnect Network）總線，是一種低成本、低速率的主從式串行通信總線。在不需要CAN總線帶寬和多功能的場合，如電動門窗、座椅調(diào)節(jié)、電動天窗、電動雨刮、部分傳感器信號采集等，使用更低成本的LIN總線是對CAN總線通信的一種補充。   FlexRay起源于“X-By-Wire”的一種基于“時間觸發(fā)”協(xié)議的高性能、高可靠性實時總線。FlexRay報文最大可傳254Byte數(shù)據(jù)，可以在精確的時間內(nèi)(可達(dá)1us)發(fā)送至目標(biāo)地址。FlexRay總線傳輸速率可達(dá)10M，主要應(yīng)用于對安全實時性要求較高的線控轉(zhuǎn)向、線控剎車等系統(tǒng)。

Most (Media Oriented System Transport)是面向媒體系統(tǒng)的傳輸總線，采用光纖作為傳輸介質(zhì)，最大傳輸速率150Mbps，傳輸可靠性低，主要應(yīng)用于娛樂系統(tǒng)(CD/DVD、導(dǎo)航等)。

2.2 傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類型

傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以CAN總線為主， LIN總線為輔，如圖1，典型雙CAN網(wǎng)段汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分車身CAN（B-CAN）和動力底盤CAN（PCAN），B-CAN和P-CAN通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，B-CAN選用LIN網(wǎng)絡(luò)作為輔助網(wǎng)絡(luò)。

圖1 以CAN總線為主的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
 

圖2 帶有MOST/FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)   部分汽車動力底盤系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選用FlexRay總線，娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選用MOST總線。如圖2，車輛主網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為車身CAN（B-CAN）、動力底盤CAN（P-CAN）和一路MOST總線，P-CAN、BCAN和MOST網(wǎng)段通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。MOST總線實現(xiàn)娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)lexRay總線作為動力底盤CAN的補充，實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向控制功能。

3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車的特點

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的特點是智能化和網(wǎng)聯(lián)化。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的目地是增強乘員的舒適性、優(yōu)化乘員的安全性、提供最現(xiàn)代的信息娛樂服務(wù)及更便利的汽車服務(wù)。

智能化，分為：對外界環(huán)境感知的智能化（含行人監(jiān)測、路標(biāo)監(jiān)測、前方車輛碰撞預(yù)警等）、對駕駛員狀態(tài)感知智能化（駕駛疲勞監(jiān)測等）、車輛控制的智能化（自適應(yīng)巡航、自動泊車）、娛樂信息系統(tǒng)的智能化、汽車軟件升級智能化等。感知智能化意味著車輛上配備更多智能化的探測設(shè)備，如：高清攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)。車輛控制智能化意味著車輛有大量的控制相關(guān)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)需要交互。娛樂信息系統(tǒng)智能化意味著車輛上有更多高清音視頻數(shù)據(jù)。

網(wǎng)聯(lián)化即車聯(lián)網(wǎng)：可通過網(wǎng)聯(lián)化實現(xiàn)智能交通、大數(shù)據(jù)、云等。網(wǎng)聯(lián)化意味著將汽車眾多的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、車輛故障數(shù)據(jù)、車輛采集的外界環(huán)境感知數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給外界媒體或云端。3GPP會議上定義的5G三大場景：eMBB（3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)），mMTC（大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)） 和 URLLC（無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延高可靠連接的業(yè)務(wù)）。以及工信部[2016]450號文件《關(guān)于同意車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟開展智能交通無線電技術(shù)頻率研究批復(fù)》，中國將5905-5925MHz作為LTE-V2X的研究實驗工作頻段。意味著汽車的網(wǎng)聯(lián)之路是必然趨勢。

3.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車對傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)

汽車的智能網(wǎng)聯(lián)化意味著車輛上有高于傳統(tǒng)汽車百倍、千倍、萬倍的數(shù)據(jù)需要傳輸，需要更高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)大數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的CAN總線常用傳輸速率500kbps，最大傳輸速率1Mbps；新型CANFD總線最大傳輸速率5Mbps；FlexRay總線，傳輸速率可達(dá)10Mbps，但價格昂貴，除了奧迪、寶馬，多數(shù)汽車廠商未使用；MOST總線采用價格昂貴的光纖，僅寶馬等少數(shù)車廠應(yīng)用。急需一種廉價、可靠、高帶寬的車載網(wǎng)絡(luò)，解決大數(shù)據(jù)傳輸問題。

3.3 應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的新型總線以太網(wǎng)

引進(jìn)并改進(jìn)成熟民用以太網(wǎng)，承擔(dān)汽車大數(shù)據(jù)傳輸，成為必然趨勢。如圖4，未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將以以太網(wǎng)作為主網(wǎng)絡(luò)，娛樂系統(tǒng)和輔助駕駛系統(tǒng)選用以太網(wǎng)充當(dāng)子網(wǎng)絡(luò)，兼容傳統(tǒng)動力底盤系統(tǒng)CAN（P-CAN）及車身舒適系統(tǒng)CAN（B-CAN）子網(wǎng)絡(luò)。輔助駕駛系統(tǒng)選用以太網(wǎng)傳輸高清攝像頭、高精度雷達(dá)的大數(shù)據(jù)，娛樂系統(tǒng)選用以太網(wǎng)傳輸音視頻影音數(shù)據(jù)。車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)（車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、道路環(huán)境高清視頻數(shù)據(jù) 、 雷達(dá)數(shù)據(jù)）可通過 Telematics模塊 或V2X（Car2X）方式等傳輸?shù)酵饨缭贫?、基站、?shù)據(jù)控制中心等。車輛的娛樂系統(tǒng)控制器可通過Wi-Fi、藍(lán)牙等方式下載音視頻，使乘客在汽車上就可以享受家庭影院的效果。

圖3 總線類型及成本消耗圖
 

圖4 智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)  

3.4 基于以太網(wǎng)的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用發(fā)展過程

以太網(wǎng)在汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的引進(jìn)是一個由點到面發(fā)展的過程，可分兩代進(jìn)行發(fā)展。 第一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示，在輔助駕駛系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)中引進(jìn)汽車以太網(wǎng)，應(yīng)用以太網(wǎng)傳輸高清攝像頭、雷達(dá)、音視頻數(shù)據(jù)，動力底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)使用傳統(tǒng)CAN、CANFD進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

使用中央網(wǎng)關(guān)進(jìn)行輔助駕駛、娛樂系統(tǒng)、動力底盤系統(tǒng)、車身系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互，中央網(wǎng)關(guān)兼有CAN、CAN-FD、Ethernet數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。Telematics模塊布置在娛樂系統(tǒng)域，具有4G、5G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)功能，可通過Telematics模塊下載或上傳車載數(shù)據(jù)。用于實現(xiàn)智能交通功能的V2X模塊布置在PTCAN，V2X模塊可通過LTEV2X網(wǎng)絡(luò)接收基站或其它車輛發(fā)生的DSRC或ITS數(shù)據(jù)。

第二代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示，在第一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上引入動力底盤域網(wǎng)關(guān)、車身域網(wǎng)關(guān)。動力底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)通過動力底盤域網(wǎng)關(guān)、車身域網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)和其它網(wǎng)段、域之間的數(shù)據(jù)交互，域網(wǎng)關(guān)兼有CAN、CAN-FD、Ethernet數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。中央網(wǎng)關(guān)僅需支持Ethernet數(shù)據(jù)交互功能即可。
 

圖5 第一代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
 

圖6 第二代智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)  

3.5 汽車以太網(wǎng)傳輸協(xié)議

智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對以太網(wǎng)的應(yīng)用主要在三方面：主網(wǎng)絡(luò)、輔助駕駛、娛樂系統(tǒng)。其中輔助駕駛和娛樂系統(tǒng)主要傳輸AV數(shù)據(jù)(Audio Video數(shù)據(jù))，主網(wǎng)絡(luò)主要傳輸各域、各網(wǎng)段間交互的汽車數(shù)據(jù)。按照OSI參考模型，結(jié)合汽車應(yīng)用特性，智能網(wǎng)聯(lián)汽車以太網(wǎng)應(yīng)用到的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如下，如圖7所示：

圖7 汽車以太網(wǎng)所用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)   輔助駕駛、娛樂系統(tǒng)傳輸AV數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間需要 同 步 ， 選 用 汽 車 AVB（Audio Video Broadcasting）協(xié)議模型，兩層以太網(wǎng)協(xié)議模型（主要包括Layer1、Layer2）。其中Layer1物理層選用百兆快速以太網(wǎng)，應(yīng)用BroadR–Reach技術(shù)采用一對5類非屏蔽雙絞線。layer2數(shù)據(jù)鏈路層選用AVB特 有 的 IEEE1722、 IEEE802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS協(xié)議。

802.1Qat流預(yù)留協(xié)議，解決網(wǎng)絡(luò)中A/V實時流量與普通異步TCP流量之間的競爭問題。IEEE802.1Qav隊列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，確保傳統(tǒng)的異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不會干擾到實時音視頻流。IEEE1722，音視頻傳輸協(xié)議，定義了局域網(wǎng)內(nèi)提供實時音視頻流服務(wù)所需的二層包格式，A/V流的建立、控制及關(guān)閉協(xié)議等。對應(yīng)于OSI參考模型的3-7層，用于放置A/V音視頻流數(shù)據(jù)，即IEEE1722數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)內(nèi)容。IEEE802.1AS，高精度的時鐘同步協(xié)議，實現(xiàn)A/V音視頻流間的時鐘同步。

主網(wǎng)絡(luò)，傳輸各域、各網(wǎng)段間交互的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)。選用七層以太網(wǎng)模型，其中Layer1物理層選用百兆快速以太網(wǎng)，應(yīng)用BroadR–Reach技術(shù)采用一對5類非屏蔽雙絞線。layer2數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用通用IEEE802.3協(xié)議。Layer3-7不僅應(yīng)用TCP/IP協(xié)議簇中的IPv4、UDP、TCP、ARP、ICPM，還增加了汽車特有的DoIP、SOME/IP、DHCP、UDS、XCP協(xié)議。其中DoIP實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議的診斷通訊，SOME/IP實現(xiàn)基于以太網(wǎng)協(xié)議的動態(tài)處理及軟件架構(gòu)，DHCP協(xié)議實現(xiàn)動態(tài)主機IP分配，UDS實現(xiàn)汽車診斷功能，XCP完成基于以太網(wǎng)的標(biāo)定功能。

3.6 新型汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所面臨的挑戰(zhàn)

新型汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在滿足大數(shù)據(jù)傳輸需要的同時，使越來越多的汽車電子部件暴露在外。更廣闊的外延帶來更好的應(yīng)用和體驗，也帶來了更多的攻擊入口。如何進(jìn)行系統(tǒng)綜合防護(hù)及防護(hù)功能的劃分，成為汽車網(wǎng)絡(luò)未來需要解決的問題。建立建全智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全管理需求，制定智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息安全測試規(guī)范，建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全應(yīng)急響應(yīng)體系，成為未來智能網(wǎng)絡(luò)汽車需要長遠(yuǎn)解決的問題，需要政府、企業(yè)都要積極應(yīng)對的一場曠日持久戰(zhàn)。

未來更高清視頻數(shù)據(jù)的傳輸，需要采用千兆及千兆以上以太網(wǎng)傳輸，千兆以太網(wǎng)對汽車電磁兼容性問題是未來汽車技術(shù)需要解決的。、

4 結(jié)語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)未來會迎來眾多挑戰(zhàn)，但任何問題和困難都阻擋不了汽車科技的進(jìn)步與技術(shù)的發(fā)展。相反，挑戰(zhàn)會促進(jìn)汽車技術(shù)的進(jìn)步、汽車安全法規(guī)的完善，給用戶一個更舒適、更先進(jìn)的駕車體驗和乘車感知。