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汽车以太网技术演进与测试
摘 要：随着汽车以太网技术的日益发展和应用,人们对其需求不仅仅是简单的车内通信,也存在提升通信效率、保证通信安全等方面的要求.本文对汽车以太网技术的近期进展情况进行了分析和研究,介绍了现有的测试方法,并提出了测试方法的完善方向.
关键词：汽车以太网；B；TSN；测试方法
1 引言
高带宽、低成本的汽车以太网技术满足了越来越多的汽车电子应用和车联网的需求.以太网被植入汽车后,主要用于高级辅助驾驶系统（ADAS）、车载诊断系统（OBD）以及娱乐资讯系统（Infotainment）,宝马公司（BMW）和现代公司（Hyundai）已经在一些生产车型中应用了该技术.然而,汽车以太网技术目前仅用于点到点链路,尚未被用作可以连接不同接口的共享介质,其发展和演进仍在继续.本文将对汽车以太网技术的演进——音视频桥技术（B）和汽车诊断技术（DoIP）进行分析和研究.
随着汽车以太网技术的应用和发展,其测试工作不容忽视.虽然从传统以太网演化而来,但是测试工作与传统以太网的测试有所不同.本文将对汽车以太网技术的测试进行阐述.
2 汽车以太网技术
2.1 技术简介
汽车以太网技术是一种用以太网连接汽车电子单元的新型局域网技术,旨在满足汽车市场（包括电气、带宽、延迟、同步和网络管理等）的要求.汽车以太网技术在物理层PHY 采用博通公司为车内以太网的BroadR_Reach 技术,提供标准以太网的MAC层接口,因而能够使用与其他以太网类型相同的数据链路MAC层逻辑功能及帧格式.汽车以太网MAC层采用IEEE 802.3 的接口标准,可以做到与传统以太网MAC层技术的无缝衔接.
2.2 技术演进
早在2007 年,传统以太网技术就已经被运用在汽车上——以汽车诊断为代表的一些特定功能上；2009年以后,随着车载终端智能化的发展,基于BroadR_R开发的单线对汽车以太网出现了.基于汽车以太网的应用和系统（如高级辅助驾驶系统ADAS和车载信息娱乐系统）日益增加,汽车以太网的标准体系也日益完善.协议方面,最初汽车以太网沿用了传统以太网IEEE 802.1 和IEEE 802.3 的协议,至2009 年增添了音视频桥B系列协议,B技术逐渐发展为时间敏感性网络技术（TSN）.此外,有其他一些协议配合汽车以太网借鉴传统以太网的协议,构成完整的协议架构,具体参见图1 中的VCI ISO 17215,为实现车上辅助驾驶应用而对照相机视频通信接口进行的规范.图1 中的问号表明,今后可能还会有相关协议制定推出,完善整个汽车以太网协议的架构.本文重点对B/TSN技术进行论述.
（1）B技术
音视频桥B技术是为了满足车内定时同步、实时通信的需求而产生的.许多驾驶辅助系统依靠摄像机和其他传感器来及时获取数据.与在计算机上观看视频不同,汽车音视频系统需要可以控制的延迟和有保证的带宽,B技术是利用缓冲来补偿网络不可靠的时间从而保证同步.从图1 可以看到,在IEEE 802.1 和IEEE1722/1733中已对音视频桥B制定了系列标准.B技术最初是为专业音/视频市场而开发的,主要包括世界时间功能、流预留和优先级及流量整形.音视频桥B技术使构建的网络能够满足汽车行业的可预测性和可靠性,主要由以下部分组成：
● 802.1AS 精准时间同步协议（Precision TimeProtocol,gPTP）定义了一个自动协商网络主时钟的方法,创造了整个网络的时钟同步机制.在最大7 跳的网络环境中,能够保证理论上PTP时钟同步误差在1μs 以内.
● 802.1Qat 流预留协议（Stream ReservationProtocol,SRP）解决网络中音视频实时流量与普通异步TCP流量之间的竞争问题.通过协商机制,在流从源设备到不同交换机再到终端设备的整个路径上预留出所需的带宽资源,以提供端到端（End-to-End）的服务质量及延迟保障.
● 802.1Q 队列及转发协议（Queuing andForwarding Protocol,FQTSS）在优先保证等时帧传输的条件下,继续提供普通异步传输的服务通过协商机制.确保传统的异步以太网数据流量不会干扰到B的实时音视频流.
（2）TSN技术
2016 年后,基于最初的B标准构建,进一步研究发现不仅仅是音视频文件,B技术也可以应用到汽车和工业中的其他有需要的数据传输中.于是研发了B技术2 代——时间敏感性网络（TSN）技术,同时将B 工作组更名为时间敏感性网络（TSN）工作组,以满足：
●支持更多数据格式——除音、视频格式外,新增控制数据.
●通过支持各种级别的冗余来实现极低的丢包率.
●实现工程网络中理论上可能的最低延迟.
●通过非工程网络中的较低延迟实现更好的性能.
TSN的使用标志着汽车以太网将可以取代车内包含CAN在内的总线技术,实现车内汽车以太网技术的全覆盖.2015—2016 年,相继颁布了3 个时间敏感性网络（TSN）相关标准：●IEEE Std 802.1Qbu：为局域网内时间敏感数据帧减少延时,抢占时间非敏感帧信道而制定的协议.●IEEE Std 802.1Qbv：对精准时间同步的传输帧队列进行传输规划.●IEEE Std 802.1Qca：应用IS-IS 中间系统—中间系统来控制桥接网络.
然而,这只是其中的一部分,由图1 可以看出,TSN
系列标准仍在IEEE Std 802.1 工作组下进行制定和完善,例如：●IEEE Std 802.1QCB：为鉴别和消除重复数据帧而制定的协议.●IEEE Std 802.1 QCM：为能够传输时间敏感的Fronthaul数据的网桥进行定义及配置相关的规定.●IEEE Std 802.1 Qch：此修订规定了同步的循环排队和队列转发过程,使网桥和终端站能够同步其帧传输,实现零拥塞丢失和确定性延迟.●IEEE Std 802.1 Qcc：完善版的流预留协议,支持更多的种类型的数据流,完善对数据流种类的描述等.●IEEEStd 802.1 Qci：网络设备自动接入提供商主干网桥的协议.
3 汽车以太网测试方法介绍
汽车以太网测试方法在OPENsig 联盟的AutomotiveEthernet ECU Test Specification 和Ethernet SwitchSemiconductors Test Specification 中进行了详细描述.
测试框架如图2 所示.对于ECU而言,主要进行功能、性能、协议一致性和网络安全方面的测试；对于汽车交换机而言,进行功能、性能、B和网络安全功能的测试；对于二者来说,物理特性的测试是必不可少的.根据OPENSig 联盟的标准,规范了汽车以太网第一层物理层PHY 测试、第二层功能测试以及3~7 层除B/TSN以外的协议一致性测试,并详述了每个测试用例的准备条件、测试步骤及结果判定.然而,目前对于汽车以太网的测试是不全面的.除去以上测试,应包含性能测试、网络安全测试以及包含电磁兼容性（EMC）、电气安全和环境试验在内的基础性测试均没有成熟的规范.这些测试均可借鉴传统以太网的测试经验,保证对汽车以太网测试的全面性和完整性.本文重点对OPENsig已颁布的标准所涉及的测试方法进行介绍.
3.1 物理层测试
传统物理层位于OSI 参考模型的第一层,是数据传输的实体,为数据端设备提供传送数据的通路.
BroadR-Reach 物理层（BR-PHY）与之类似,物理层收发器通过媒介相关子层MII（IEEE 802.3 条款22）支持标准媒体访问控制器（MAC）接口.与传统物理层不同的是,对于汽车应用,每个接口支持一对双绞线连接收发数据.为保证端口的互联互通性能,需进行物理层测试,检测100Mbit/s BroadR-Reach 的物理层发送器和接收器发送或接收信号是否符合车内通信标准.
在OPEN规范中,测试项目以发送器测试为主,发送器测试包含7 项内
容,重在评测发送信号波形、时钟频率和回波损耗等物理层基本参数.测试需要用到的仪表有示波器、矢量网络分析仪和信号发生器,其中为了配合不同测试内容,需在被测设备（DUT）和测试仪表之间连接夹具,夹具起到电路转换功能,具体参见图3.根据每个测试例,分别连接不同的仪表和指定夹具模块,再将被测设备（DUT）、被测端口与指定夹具模块相连.硬件连接完成后,需利用计算机对DUT进行模式配置以满足不同测试例信号发送要求,其有5 个物理层测试模式.配置且连接完毕后,通过仪表开始测试,根据OPEN 规范中的要求判定物理层测试结果.需要注意的是,针对不同测试例,连接和配置方法均有所不同.
接收器测试误码率和接收信号容限两项内容.对于接收器测试,虽然现有技术要求和规范作为测试指导,但是并没有测试工具可以使用,泰尔终端实验室车联网团队正在对其测试工具进行开发.
3.2 功能测试
根据功能测试用例,逐项测试,检查产品功能是否达到用户要求.汽车以太网的功能测试是对汽车以太网交换机的常规数据帧收发相关功能和B/TSN 功能进行检测,测试连接如图4 所示.流量发生器发送不同类型的流量,由与之相连的计算机对其进行具体配置.同时,通过与DUT相连的计算机对DUT进行不同功能的配置和验证.结合测试例,检测DUT是否能够对接收到的不同流量进行特定的处理,从而验证其功能.需要注意的是,针对不同测试例,流量发生器和DUT的连接方式有所不同,如测试通用功能时连接两条线,而服务质量QoS 的大部分功能测试需要连接3条线.
测试的主要功能如下：
●通用功能：包括数据帧正常转发和端口镜像在内的基本功能.
●地址解析功能（Address Resolution）：地址学习、老化时间和地址解析表（ARL）的功能测试.
●虚拟局域网功能（VLAN）：对VLAN中标签/非标签数据及Q-in-Q 功能的测试.
●基于时间敏感网络的时间同步功能（TSN）：对接收到的时间同步的帧正确处理的功能.
●服务质量（QoS）功能：对优先级流量正确处理和实现不同流量整形策略的功能.
●过滤功能：在接收端口是否能按照设定,对接收到的数据帧进行过滤的功能.
●诊断功能：计数器是否能够正确计数、线缆和连接状态反馈功能.
其中,由于现有TSN技术和诊断功能的应用较少,基于时间敏感网络的时间同步功能TSN和诊断功能测试都十分基础.
3.3 协议一致性测试
协议一致性测试是检验开放系统互联（OSI）产品的协议实现与OSI 协议标准一致性程度的测试,目的在于提高OSI 产品之间的互操作性.汽车以太网的协议一致性检测依次对汽车以太网2~7 层的协议进行测试.测试连接如图5 所示.
在此测试中,DUT上需要安装一个用于和测试平
台进行测试通信的程序（UpperTester）,实现测试被测器件（DUT）上TCP 堆栈的一个简单客户端,可以由用户通过UDP命令（服务器原语ServicePrimitives）触发,从而提供测试所需的功能（如打开和关闭通信套接字）.测试平台与DUT连接后,协议测试套与配置好的DUT进行特定通信（根据测试例而来）,结合UpperTester 的辅助对包含地址解析协议ARP和Internet 控制报文协议ICMPv4 在内的7 个通信协议进行测试.以地址解析协议的一个测试例为例,测试步骤为：
●清除被测设备的ARP 地址缓存表（利用UpperTester）.
●在被测设备中静态添加关于主机HOST1 的ARP地址映射.
●配置被测设备,使得被测设备向主机HOST 发送一个报文.
●观察被测设备动作.
汽车以太网不同于传统以太网协议一致性测试之处在于,它还包括音视频桥B 协议的测试.主要参考nu 联盟的汽车以太网B 功能和互通性规范.对上述提及的音视频桥B 主要组成协议：
时间敏感应用的定时和同步（gPTP）、流预留协议（SRP）和时间敏感性数据流用转发和队列增强功能（FQTSS）进行测试.
4 结束语
汽车智能化推动了汽车以太网技术的发展,汽车以太网技术的各种应用将逐渐满足车联网和汽车智能化的需求.目前,B/TSN 技术为研究重点,标准制订正在完善中.不得不说的是,TSN、信息安全、汽车诊断等问题格外重要,将成为日后技术发展的保证和重心.测试方面,汽车以太网的测试方法也将跟随汽车产品的特殊需求在逐步完善.随着汽车以太网产品的成熟及应用,未来的测试将不仅仅是单机测试,系统测试和实车测试等也是不可或缺的,相应的测试要求和方法有待继续研究和跟进.
以太网论文范文结:
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