摘要

對傳統汽車網絡總線類型及網絡架構特點進行分析，結合智能網聯汽車特點智能化和網聯化、以及智能網聯汽車對傳統汽車網絡架構的挑戰，提出基于以太網的汽車網絡架構解決方法、并闡述了應用以太網網絡架構的應用推進過程、介紹了汽車以太網應用協議的分類，解決了汽車大數據傳輸問題。

1 汽車網絡介紹

汽車網絡，是指將汽車上的所有電子傳感器、電子執行器、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、執行器、ECU數量增多，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總線傳輸的車載網絡在奔馳S級汽車上誕生。經過二十多年的發展，幾乎每輛汽車上都裝配有車載總線網絡，車載總線網絡以CAN、LIN總線網絡為主，部分高端汽車搭載MOST、FlexRay總線等。

2?傳統汽車網絡架構

2.1 傳統汽車網絡總線類型?

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、基于仲裁式發送方式、最大傳輸8Byte數據等特點，可應用于車身電子部件控制、發動機控制、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數據場部分最大傳輸速率5Mbps，最大數據長度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、座椅調節、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”協議的高性能、高可靠性實時總線。FlexRay報文最大可傳254Byte數據，可以在精確的時間內(可達1us)發送至目標地址。FlexRay總線傳輸速率可達10M，主要應用于對安全實時性要求較高的線控轉向、線控剎車等系統。

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

2.2 傳統汽車網絡架構類型

傳統汽車網絡架構以CAN總線為主， LIN總線為輔，如圖1，典型雙CAN網段汽車網絡架構，分車身CAN（B-CAN）和動力底盤CAN（PCAN），B-CAN和P-CAN通過網關進行數據交互，B-CAN選用LIN網絡作為輔助網絡。

圖1 以CAN總線為主的汽車網絡架構
?

圖2 帶有MOST/FlexRay總線的網絡架構 ? 部分汽車動力底盤系統網絡選用FlexRay總線，娛樂系統網絡選用MOST總線。如圖2，車輛主網絡架構分為車身CAN（B-CAN）、動力底盤CAN（P-CAN）和一路MOST總線，P-CAN、BCAN和MOST網段通過網關進行數據交互。MOST總線實現娛樂系統數據傳輸，FlexRay總線作為動力底盤CAN的補充，實現線控轉向控制功能。

3 智能網聯汽車網絡架構

3.1 智能網聯汽車的特點

智能網聯汽車的特點是智能化和網聯化。智能網聯汽車的目地是增強乘員的舒適性、優化乘員的安全性、提供最現代的信息娛樂服務及更便利的汽車服務。

智能化，分為：對外界環境感知的智能化（含行人監測、路標監測、前方車輛碰撞預警等）、對駕駛員狀態感知智能化（駕駛疲勞監測等）、車輛控制的智能化（自適應巡航、自動泊車）、娛樂信息系統的智能化、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備，如：高清攝像頭、毫米波雷達、激光雷達。車輛控制智能化意味著車輛有大量的控制相關的精準數據需要交互。娛樂信息系統智能化意味著車輛上有更多高清音視頻數據。

網聯化即車聯網：可通過網聯化實現智能交通、大數據、云等。網聯化意味著將汽車眾多的車輛行駛狀態數據、車輛故障數據、車輛采集的外界環境感知數據通過無線網絡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務），mMTC（大規模物聯網業務） 和 URLLC（無人駕駛、工業自動化等需要低時延高可靠連接的業務）。以及工信部[2016]450號文件《關于同意車載信息服務產業應用聯盟開展智能交通無線電技術頻率研究批復》，中國將5905-5925MHz作為LTE-V2X的研究實驗工作頻段。意味著汽車的網聯之路是必然趨勢。

3.2 智能網聯汽車對傳統汽車網絡架構的挑戰

汽車的智能網聯化意味著車輛上有高于傳統汽車百倍、千倍、萬倍的數據需要傳輸，需要更高帶寬的車載網絡來適應大數據傳輸。傳統的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10Mbps，但價格昂貴，除了奧迪、寶馬，多數汽車廠商未使用；MOST總線采用價格昂貴的光纖，僅寶馬等少數車廠應用。急需一種廉價、可靠、高帶寬的車載網絡，解決大數據傳輸問題。

3.3 應用于智能網聯汽車的新型總線以太網

引進并改進成熟民用以太網，承擔汽車大數據傳輸，成為必然趨勢。如圖4，未來智能網聯汽車的網絡架構將以以太網作為主網絡，娛樂系統和輔助駕駛系統選用以太網充當子網絡，兼容傳統動力底盤系統CAN（P-CAN）及車身舒適系統CAN（B-CAN）子網絡。輔助駕駛系統選用以太網傳輸高清攝像頭、高精度雷達的大數據，娛樂系統選用以太網傳輸音視頻影音數據。車輛的相關數據（車輛狀態數據、道路環境高清視頻數據 、 雷達數據）可通過 Telematics模塊 或V2X（Car2X）方式等傳輸到外界云端、基站、數據控制中心等。車輛的娛樂系統控制器可通過Wi-Fi、藍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 智能網聯汽車網絡架構 ?

3.4 基于以太網的汽車網絡架構應用發展過程

以太網在汽車網絡架構上的引進是一個由點到面發展的過程，可分兩代進行發展。 第一代智能網聯汽車網絡架構如圖5所示，在輔助駕駛系統和娛樂系統中引進汽車以太網，應用以太網傳輸高清攝像頭、雷達、音視頻數據，動力底盤系統和車身系統使用傳統CAN、CANFD進行數據交互。

使用中央網關進行輔助駕駛、娛樂系統、動力底盤系統、車身系統間數據交互，中央網關兼有CAN、CAN-FD、Ethernet數據轉換功能。Telematics模塊布置在娛樂系統域，具有4G、5G網絡收發功能，可通過Telematics模塊下載或上傳車載數據。用于實現智能交通功能的V2X模塊布置在PTCAN，V2X模塊可通過LTEV2X網絡接收基站或其它車輛發生的DSRC或ITS數據。

第二代智能網聯汽車網絡架構如圖6所示，在第一代智能網聯汽車網絡架構基礎上引入動力底盤域網關、車身域網關。動力底盤系統和車身系統通過動力底盤域網關、車身域網關實現和其它網段、域之間的數據交互，域網關兼有CAN、CAN-FD、Ethernet數據轉換功能。中央網關僅需支持Ethernet數據交互功能即可。
?

圖5 第一代智能網聯汽車網絡架構
?

圖6 第二代智能網聯汽車網絡架構 ?

3.5 汽車以太網傳輸協議

智能網聯汽車網絡架構對以太網的應用主要在三方面：主網絡、輔助駕駛、娛樂系統。其中輔助駕駛和娛樂系統主要傳輸AV數據(Audio Video數據)，主網絡主要傳輸各域、各網段間交互的汽車數據。按照OSI參考模型，結合汽車應用特性，智能網聯汽車以太網應用到的協議標準如下，如圖7所示：

圖7 汽車以太網所用協議標準 ? 輔助駕駛、娛樂系統傳輸AV數據，數據間需要 同 步 ， 選 用 汽 車 AVB（Audio Video Broadcasting）協議模型，兩層以太網協議模型（主要包括Layer1、Layer2）。其中Layer1物理層選用百兆快速以太網，應用BroadR–Reach技術采用一對5類非屏蔽雙絞線。layer2數據鏈路層選用AVB特 有 的 IEEE1722、 IEEE802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS協議。

802.1Qat流預留協議，解決網絡中A/V實時流量與普通異步TCP流量之間的競爭問題。IEEE802.1Qav隊列及轉發協議，確保傳統的異步以太網數據流量不會干擾到實時音視頻流。IEEE1722，音視頻傳輸協議，定義了局域網內提供實時音視頻流服務所需的二層包格式，A/V流的建立、控制及關閉協議等。對應于OSI參考模型的3-7層，用于放置A/V音視頻流數據，即IEEE1722數據流中的數據內容。IEEE802.1AS，高精度的時鐘同步協議，實現A/V音視頻流間的時鐘同步。

主網絡，傳輸各域、各網段間交互的車輛狀態數據。選用七層以太網模型，其中Layer1物理層選用百兆快速以太網，應用BroadR–Reach技術采用一對5類非屏蔽雙絞線。layer2數據鏈路層應用通用IEEE802.3協議。Layer3-7不僅應用TCP/IP協議簇中的IPv4、UDP、TCP、ARP、ICPM，還增加了汽車特有的DoIP、SOME/IP、DHCP、UDS、XCP協議。其中DoIP實現以太網協議的診斷通訊，SOME/IP實現基于以太網協議的動態處理及軟件架構，DHCP協議實現動態主機IP分配，UDS實現汽車診斷功能，XCP完成基于以太網的標定功能。

3.6 新型汽車網絡架構所面臨的挑戰

新型汽車網絡架構在滿足大數據傳輸需要的同時，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用和體驗，也帶來了更多的攻擊入口。如何進行系統綜合防護及防護功能的劃分，成為汽車網絡未來需要解決的問題。建立建全智能網聯汽車信息安全管理需求，制定智能網聯汽車信息安全技術標準和信息安全測試規范，建立智能網聯汽車信息安全應急響應體系，成為未來智能網絡汽車需要長遠解決的問題，需要政府、企業都要積極應對的一場曠日持久戰。

未來更高清視頻數據的傳輸，需要采用千兆及千兆以上以太網傳輸，千兆以太網對汽車電磁兼容性問題是未來汽車技術需要解決的。

4 結語

智能網聯汽車網絡未來會迎來眾多挑戰，但任何問題和困難都阻擋不了汽車科技的進步與技術的發展。相反，挑戰會促進汽車技術的進步、汽車安全法規的完善，給用戶一個更舒適、更先進的駕車體驗和乘車感知。

審核編輯：劉清