我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：

做到欲望极简，了解自己的真实欲望，不受外在潮流的影响，不盲从，不跟风。把自己的精力全部用在自己。一是去掉多余，凡事找规律，基础是诚信；二是系统思考、大胆设计、小心求证；三是“一张纸制度”，也就是无论多么复杂的工作内容，要在一张纸上描述清楚；四是要坚决反对虎头蛇尾，反对繁文缛节，反对老好人主义。

不觉间来到春末五月，横坐在电脑前，敲击点文字，对自己也算一个时间的记忆，多年后再次点击，也期待那时会像触发记忆的闸口，让现在的这点岁月传递至那时那刻。

一、车载网络之以太网

车载以太网：下一代车载网络的核心驱动力

随着L3级及以上自动驾驶技术的迅猛发展，车载网络上传输的数据量急剧增加。同时，V2X技术的逐渐普及使得汽车网络的开放性成为必然，车辆不再是一座信息孤岛。在此背景下，更高带宽、更低时延、更大开放性的通信协议成为迫切需求，而车载以太网正是满足这些功能和性能要求的理想解决方案。

1、以太网成为下一代车载网络发展趋势的原因

以太网是通用技术，目前主流的车载网络标准如CAN、LIN、FlexRay及MOST等，都具有浓重的“汽车行业”色彩，导致其应用存在局限性。相比之下，以太网是一种简单、成熟的开放标准，基于以太网的应用极大地降低了应用成本。例如，采用以太网物理层的车辆诊断标准DoIP（ISO 13400），使用以太网代替CAN总线进行车载诊断系统（OBD）和ECU软件更新，显著提高了数据传输效率，节省了时间和成本。

应用对带宽的迫切需求，高级驾驶辅助系统（ADAS）及信息娱乐设备的新型信息平台主导了新一代汽车电子的发展趋势。随着车载子系统数量的增加和摄像头分辨率的提升，传统车载网络在带宽上面临巨大挑战。相比之下，以太网可以采用更为灵活的星形连接架构，每一条链路都可以专享高带宽，满足车载系统对数据传输的迫切需求。

以太网的开放性和互联扩展优势，传统汽车网络的基本功能是支撑分布式控制，而智能汽车的发展需要一种简化和标准化的方法，将车载系统看作一个统一网络进行设计和管理。以太网以其灵活性及可扩展的带宽，可以连接远程信息处理和多媒体娱乐系统，适合作为主干网络连接各个应用领域。此外，基于TCP/IP的应用层协议也使得车辆与外部网络的交互更加密切，为V2X、V2V和V2I等基于汽车的互联网应用提供了有力支持。

2、以太网发展时间节点

在进入汽车领域之前，以太网已经获得了广泛的应用，并具有技术成熟、高度标准化、高带宽以及低成本等优势。以太网的发展历程包括以下几个重要时间节点：

-> 1973年：以太网被发明；

-> 1989年10月：IETF发布了TCP/IP互联网协议套的完整协议族；

-> 1995年6月：发布IPv4路由器规范；

-> 1997年：IEEE 802.3用全双工通信和流量控制取代共享介质方法；

-> 1995年：新增自动协商；2003年：新增以太网供电（PoE）；

-> 2010年：提出节能以太网（EEE）；

-> 2013年：成立适用于汽车的减少双绞线对的千兆以太网（RTPGE）的任务组。

此外，IEEE还一直致力于以太网的服务质量（QoS）方案和其他管理功能，以及音视频桥接（AVB）和时间敏感网络（TSN）等标准的制定。

3、车载以太网的关键技术问题

将以太网应用在汽车上形成车载以太网的过程中，需要解决以下几个关键技术问题：

-> 使用一对双绞线

传统以太网使用4对双绞线，而汽车以太网使用一对非屏蔽双绞线，解决了成本和重量问题。

-> 实时性问题

传统以太网采用CSMA/CD的介质访问控制方式，导致数据传输具有不确定性。为解决汽车领域以太网对实时关键数据的传输问题，出现了以太网音频视频桥接（AVB）和时间触发以太网（TTEthernet）等技术。

4、车载以太网简介

车载以太网是一种用以太网连接车内电子控制单元的新型局域网技术。与传统的以太网不同，车载以太网在单对非屏蔽双绞线上可实现高数据传输速率，同时满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。

车载以太网的历史可以追溯到2004年，宝马公司为加快汽车故障诊断的软件刷写过程，选择并发起使用标准的100BASE-TX以太网来解决此问题的研究。此后，车载以太网技术不断发展，并在宝马、JLR和大众等汽车制造商的量产车上得到应用。

5、以太网供电技术（PoDL）

为了满足汽车工业对减轻质量和降低成本的需求，以太网供电技术（PoDL）应运而生。PoDL通过承载网络数据的以太网电缆传输直流电源，省去了终端外接电源，降低了供电的复杂度。这一技术不仅可以节省线束和降低成本，还可以进一步优化系统抗电磁干扰性能。

6、车载以太网及其支持的上层协议架构

与CAN总线不同，以太网不仅定义了OSI模型中的第一和第二层，上层协议还包括计算机网络常用的TCP/IP协议、音视频桥接和时间敏感网络AVB/TSN，以及中间件和应用层协议。这一架构为车载系统提供了丰富的功能和灵活性，满足了智能汽车对通信协议的高要求。

二、车载以太网技术应用发展路线

汽车以太网技术的演进与应用阶段分析

作为一种新兴的汽车网络技术，汽车以太网在汽车领域的搭载与普及并非一蹴而就，它不会在短期内完全替代现有的车载网络技术。进入汽车领域后，车载以太网技术将逐步从部分子系统开始融合，并最终推动汽车网络架构的全面演进。这一过程可以归纳为以下三个阶段：

1、第一阶段：单独子系统应用

在第一阶段，车载以太网技术首先在某个单独的子系统上得到应用，以实现该子系统的特定功能。例如，面向汽车诊断功能（OBD）和ECU软件更新的DoIP协议得到了广泛推广。以ECU软件更新为例，在传统方式下，软件只能通过车载诊断（OBD）插接器连接的外部测试设备进行刷写更新，高端汽车的刷写过程可能需要超过16小时。然而，采用以太网技术后，带来了显著的优势：

-> 数据速率显著提升：相对于传统基于CAN总线的刷新速率（通常为1Mbit/s），以太网的刷写带宽可提高100倍，使得刷写更新仅需约15分钟；

-> 网络定位与识别：通过动态主机配置协议（DHCP）服务器，汽车可以被分配IPv4地址，并结合独有的车辆识别码（VIN），每辆车都能被明确识别。这意味着汽车可以在世界各地的任何车间被精确定位，外部设备中的诊断应用通过UDS协议与汽车内部设备进行通信，刷写进程成为互联网功能的一部分；

-> 测试软件通用性：通过使用以太网，测试软件可以安装在普通PC上，而无需专用硬件，进一步降低了成本并提高了灵活性。

由此可见，基于以太网的ECU软件更新显著提高了汽车诊断和软件更新的时效性，降低了生产和服务成本。

2、第二阶段：子网络整合与构建

在第二阶段，随着BroadR-Reach技术的不断完善和产业生态的逐渐形成，车载以太网技术开始将几个子网络进行整合，构建车载以太网子系统，以实现各个子系统的功能。例如，面向智能座舱和智能辅助驾驶功能的推广使用。基于SOME/IP、AVB等协议，车载以太网技术会以独立的节点或小范围内子系统的形式实现量产，如使用高清以太网摄像头的环视泊车系统、基于以太网传输的多屏互动的高清智能座舱系统等。

3、第三阶段：主干网络集成与跨域网络形成

在第三阶段，基于前两个阶段在特定子系统技术与应用方面的阶段性成果积累，以太网将作为汽车的主干网络，集成动力总成、底盘控制、车身控制、数字座舱等各个领域，形成一个跨域的汽车以太网网络。同时，将逐步引入TSN（时间敏感网络）、千兆超高速汽车以太网等技术，以满足汽车网络对高带宽、低时延、高可靠性的需求。

车载以太网从最初应用于外部访问汽车ECU的诊断和固件程序刷新阶段，逐渐发展到作为汽车网关的重要附件，用于连接摄像机或多媒体组件。在先进辅助驾驶系统领域，汽车以太网获得了极大成功，被广泛用于激光雷达、机器视觉等数据的传输。目前，汽车以太网正朝着用车载以太网作为骨干网的方向快速发展。

汽车以太网技术的演进与应用是一个逐步深入、不断融合的过程。从单独子系统的应用到子网络的整合与构建，再到作为汽车主干网络的集成与跨域网络的形成，汽车以太网技术将在未来汽车网络架构中发挥越来越重要的作用。

三、车载以太网技术应用 — 交换机

在汽车网络架构中，基于总线的网络通常要求系统内所有节点采用统一的数据传输速率，并共享通道的最大传输带宽。这种架构在数据传输上存在一定局限性。相反，基于交换的网络则展现出更高的灵活性，它允许每个链路上的参与者以最大数据速率进行数据传输，且不同链路的数据传输速率可以各不相同。分组交换技术作为基于交换网络的核心，将通信数据分割成若干分组（在以太网中称为帧），这些帧可以在节点间的物理链路上独立发送，从而允许多个设备同时进行数据分组交换。交换机作为连接各硬件总成的关键设备，为各端口之间提供了网络数据转发、虚拟网络划分、链路聚合等高效功能。

现代交换机内部电路设计精巧，能够将来自不同发送方的帧数据准确发送到各自的接收方，实现网络内部多个设备之间的数据同时交换。以一个简单的BroadR-Reach分组交换网络为例，当中央处理单元与传感器之间、控制器和显示仪之间均工作在最大传输速率（如100Mbit/s）时，整个网络的理论吞吐量可达400Mbit/s，这充分展示了基于交换网络的高效性。

交换机在汽车网络架构中扮演着至关重要的角色，主要分为控制器内部交换机和外部交换机两种类型，均工作在OSI参考模型的数据链路层。在自动驾驶架构中，交换机不仅要满足基本的数据通信及转发需求，还需提供时间同步、调度延迟处理、资源管理及可靠性保证等高级功能。

1、交换机的数据播发

自动驾驶系统采用冗余的EE架构设计，域控制器内部和域控制器之间均采用双路计算交互方式。传感器数据通过交换机传递至不同的SoC（系统级芯片）进行处理和融合。根据数据类型的不同（如原始数据或结果数据），交换机需选择合适的传输介质（如PCIe交换机或以太网交换机）进行数据传递。交换机的工作方式包括单播、广播和组播，其中组播方式因其“点对点订阅”的特性，能够最大化资源利用率、效率和可靠性，成为自动驾驶系统中的优选方案。

2、交换机的时间同步

在汽车EE架构中，以太网作为主干网，各域控通过以太网交换机进行直连。为了确保整个架构的协调运行，需要增加时钟冗余和时钟传输路径冗余，并满足车辆功能安全的需求。交换机在整个域控内部及域控之间可视为一个边界时钟节点，传递的帧信息包含数据和时间戳信息，使接收端能够定期进行时间同步。交换机具备一定的存储转发功能，当主时钟失效时，可通过存储的时钟信息起到缓冲作用。采用时间敏感网络（TSN）中的相关时间同步协议（如802.1AS/802.1AS-Rev）进行交换机同步规范，可进一步提升时间同步的准确性和可靠性。

3、交换机的调度延迟处理

交换机对智驾域输入的数据种类繁多，每种数据在重要度、紧急度、轻量化等方面具有一定的优先级。交换机通过识别VLAN或IP所代表的优先级队列，利用循环列表的方式控制每个队列的开关时间窗口，调整时间感知整形器，实现不同延时需求的调度规则集合。通过灵活配置，交换机可确保高优先级数据在传输帧中抢占低优先级数据发送的机会，从而减少不同数据帧的最大传输延迟，确保传输延时的确定性和带宽的稳定性。

4、交换机的资源管理与可靠性

传统的CAN网络通信具有天然的组播通信方式，但汽车以太网作为骨干网时，需关注通信安全。集中式EE架构采用基于以太网的集中式点对点通信方式，需要使用消息队列来缓存报文和控制通信信息。同时，为确保功能安全，要求以太网交换机利用软件或硬件冗余通道进行数据备份。采用TSN协议中的802.1 CB规范设计硬件线路和软件流量的双重备份，可有效提升功能安全等级，确保汽车网络架构的稳定性和可靠性。

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