車載以太網背景簡介
隨著汽車智能化和網聯化的發展，車載以太網作為該大趨勢下的寵兒，得到了長足的發展。而與CAN和Flexray等通訊技術不同，以太網技術本身已經發展多年，并深入我們的生活。“IP地址”和“路由器”等名稱相信普羅大眾都耳熟能詳。本文從入門的角度談一談車載以太網，盡量不涉及復雜和晦澀難懂的協議和代碼細節等，希望串起初學者對于以太網絡的常識，幫助理解。
開始正式探討前，我們先來簡單說說OSI 模型。這個抽象模型是通訊領域的一個奠基性的武器，任何通訊領域的技術討論、培訓和考試等，都離不開它，是迅速理解相關技術的重要手段。
OSI本質是一個分層模型，本著精細化分工和各司其職的思想，分為了七個層次。想詳細了解該模型的可以移步這一篇文章：（OSI模型文章鏈接）。這里我們僅抽象概括地來談一談。下圖是該模型的一個示意圖。最底層是物理層，顧名思義就是偏硬件。
第二層數據鏈路層是連接軟硬件的中介層。我們平時常說的MAC地址就是第二層的概念，常說的IP地址就是第三層的。二三兩層完成了網絡的尋址，亦即找到想通信的節點。所以我們耳熟這兩個地址，卻沒有聽到以太網用到其他地址。第四層傳輸層主要負責端到端的數據傳輸和建立鏈接。五層及以上總體來說更偏向場景應用，如果說四層以下主要負責搬磚的話，五層及以上就主要負責砌墻。有時也統稱五層以上為高層通信。
分層背后的思想是通過職責劃分，讓層與層之間解耦，各層之間可以用各種技術排列組合，快速搭積木。而每層內部則可以精耕細作，努力做好一件事。
有了分層模型的抽象化思想，當一個技術或者概念貼上了相應的層次標簽，我們就能很快大概了解這是干什么的，相互之間是什么關系。例如我們常見的網線和網口就屬于物理層的概念。常說的4G、5G和Wifi技術，主要也是在底下的兩層，也就是針對高速無線傳輸實施的物理通信技術和相應的信號處理底層適配。不管使用4G還是5G，其上層協議，例如三層的IP地址尋址，四層的TCP協議等都是一脈相承的。這就是為什么我們在手機上切換4G或者5G或者Wifi網絡可以如此絲滑。
當然從辯證的角度看，有需要分層的時候，就會有需要合并的時候。OSI是一個大而全的分層模型，實際上很多應用場景下會把一些層次合并，柔和在一起。就像大公司里可能會有底層員工，中層夾心和高層領導。而擺攤賣煎餅的大哥則會身兼數職。日常生活網絡中常用的TCP/IP模型是一個典型的簡化版的OSI模型，各層對應關系如下圖。
圖3：TCP/IP VS OSI
車載以太網的優勢
傳統汽車上有很多電子控制器，它們相互之間都要通信。像CAN、LIN、Flexray等都是相對傳統的通信技術。而幾年來，隨著電子控制器算力和性能的提升，車載網絡的通信要求越來越高，車載以太網技術已經被普遍承認為車載通信的大趨勢。而以太網技術為什么能脫穎而出呢？因為它具備以下四大優勢：
1. 高帶寬
傳統CAN通信速率是1Mb/s，Flexray可以到達10Mb/s。但是隨著智能駕駛架構的發展，主流方案是邊緣傳感器把數據傳回中央計算平臺再作深度處理。為了支撐多傳感器的底層數據融合，就要把傳感器的原始數據（raw data）傳輸到中央計算平臺或者智駕域控制器，再利用AI模型完成感知融合。
10Mb/s這樣的速率肯定不足以支撐該方案，眼下流行的毫米波雷達和激光雷達等，每秒可以產生的原始數據基本都是幾十Mb起步。所幸車載以太網和傳統車載通信的帶寬不是一個數量級，從100Mb/s起步，向上發展可到5Gb/s甚至更高。
以太網技術發展悠久，例如IP地址尋址和IP防火墻等網絡技術都是現成可供使用的協議。車載應用只需針對不同層次的協議作少量適配即可應用。
現在我們的手機、電視和掃地機器人等都可以相互連接，其中一個重要條件就是它們都支持以太網通信。智能汽車作為重要的終端節點，也必定會更多地接入互聯網。車內控制器之間采用以太網通信的話，會讓其更容易融入互聯網。
汽車本身是一個復雜的工藝品，目前銷量最大的大眾、豐田等無不是將平臺化玩的出神入化。這種套娃技術雖然有時會惹來“蘭博基尼就是換殼奧迪”等質疑，但它無疑能帶來明顯的成本質量控制優勢。以太網技術著重分層思想，例如底層使用百兆以太網還是千兆以太網，并不影響其上層的TCP協議，這就為平臺化提供了良好的土壤。高端車型和入門車型可以方便的在某一層替換，而不影響其他層的應用。
車載以太網與家用以太網
既然以太網這么多成熟的技術可以借鑒，那是不是把我們家里的路由器和網線往車上一裝就完事了？那顯然不是。汽車作為工業皇冠的明珠，具有很多獨特的要求。而家用以太網和車載以太網主要有這些差別：
1. 物理連接魯棒性。
家里用的電腦和網線等都處于穩定狀態，動來動去的機會不多。但是汽車本身的使用環境就要求了車載以太網連接必須皮實，能耐振動、耐腐蝕、抗高低溫和抗電磁干擾等。
2. 物理線束重量和成本敏感度。
家用以太網常用的RJ45接口需要用8根線來傳輸。但是汽車對線束的重量和成本都很敏感。車載以太網一般都基本采用帶T1的標準，如IEEE 100BASE-T1、IEEE 1000BASE-T1，使用一對雙絞線共兩根線進行數據傳輸。
3. 網絡管理。
家里的路由器一般插上電就一直在工作，而電腦等終端設備可以采用Wake on LAN來進行網絡喚醒。但是車上的電量異常寶貴，以太網網絡拓撲也較復雜。因此車載以太網需要更為完善復雜的網絡管理機制來保證各個節點正確地休眠喚醒。
4. 時間/丟包敏感度。
大家上網看視頻或者用手機打游戲的時候遇到網絡卡頓或者丟幀的情況，雖然不爽，但也算可以接受。但對一輛時速120公里每小時的汽車來說，如果丟失或者延時收到方向盤轉角等重要信息的數據包，那么后果不堪設想。
這些差別點，亦正是車載以太網對普通以太網適配最多的地方。
從OSI模型來看，適配最多的地方就是底下兩層和高層協議。宏觀來看，就是兩頭的協議改動最多，中間變化不大。
底下兩層關系到物理連接和實時性。物理層很好理解。實時性是因為越往高層，裝包解包的時間就長，所以實時性主要關注底層部分。
高層協議主要是魯棒性和使用場景適應。比如要看有沒有丟包或傳輸故障，單看底層是不夠的。畢竟底層傳輸正常，不代表高層協議處理就沒問題，因而要在高層協議適配端對端（E2E）保護。而車端有很多特殊應用，例如診斷服務UDS，屬于汽車行業通用標準，而且會在各式硬件和操作系統上部署，這就需要最接近應用軟件的高層通信協議（亦即DoIP）進行適配。而近年來由SOA（面向服務的架構）帶得火熱的SOME/IP協議，同樣是基于汽車應用適配的高層協議。
中間部分的協議是車載以太網復用傳統以太網最多的部分。比如網絡層的IPv4協議，和家用以太網基本一致，所以我們常說的IP地址、IP尋址、PING（ICMP的其中一種報文）等在汽車和家用以太網上都基本保持一致。
而中間層協議中，我們還會經常聽到TCP和UDP。它們屬于平行的兩種傳輸層協議，可以用于支持不同的上層協議。而兩者的主要特點如下表格所示：
上表可見，UDP屬于不可靠的傳輸，但是支持一對多的組播和較好的實時性。而TCP增加了握手機制和控制策略，優點是傳輸更加可靠，但同時帶來的副作用就是實時性差。不同應用場景和需求下可以采用不同的傳輸層協議。
寫在最后
隨著智能汽車的發展，相信車載以太網將會更加廣泛地應用。但同時我們應該注意，傳統以太網已經發展多年，車載以太網也已經應用了十多年。這期間積累的各式協議和規范浩如煙海，我們作為汽車工程師要去熟悉每份協議實屬困難。
也許我們可以從抽象的高層次去理解車載以太網，然后再根據各自的具體需求再有針對性地查閱相關具體的協議。例如對如業務應用的算法工程師來說，也許了解下SOME/IP協議就足夠了，底層的IP協議、MAC協議等對于上層應用不可見，無需多花時間。而這也是以太網分層協議的初衷。希望這篇文章能夠拋磚引玉，幫助大家勾起生活中對以太網的常識，同時對車載以太網有所初識。
