车载以太网权威指南阅读笔记-阿里云开发者社区

总体思路：

要基于车载以太网做出相应的机器人以太网神经中枢，需要按照以下步骤：

了解车载以太网，包括但不限于

车载以太网是如何基于汽车需求定义的
车载以太网的工作模式
车载以太网工作所需要的硬件
车载以太网中的数据交互模式

基于人形机器人的运行环境和方式，对本机协议进行需求分析
提出科学可行的协议定义方案
对协议进行实现，进行虚拟机测试和机器测试
为应用层开发提供接口

对比传统以太网和车载以太网

物理层

在基础的物理层方面，以太网仅由点到点线路构成，即每根UTP电缆只连接两个节点，一端一个。假设有一个包含台以上设备的传统网络，可在网络中心部署一台交换机将所有链路上的设备相亘连接起来。为说明这一点，我们以一个只高四个节点的简单车载以太网为例。四个节点为:一个内置主机和端口交换机的ECU; 一个显示器节点;一个控制台节点;以及一个扬声器节点。每个端节点各自通过一根 UTP线缆与该交换机的四个端口相连。这实际上构建了个"微型"以太网。这些微型网络杳时候称为网段。以这种方式设计整体网络的过程被称为微分段。整个设计的关键是交换机，包将所高网段连接起来构成一个网络。

基于分组交换的全双工网络(如以太网)有一个关键优势，即允许节点间的多路数据交换同时进行，而无需以轮番方式交换数据。我们可利用前面所说的简单以太网进行具体说明。我们假设显示器和控制台需要进行通信，而主机需要与扬声器交换数据。由于所有链路是相独立的，且交换机只向目标接收方转发收到的报文，因此这两个通信可同时发生，无需等待也不会相干扰。此外，各链路的传输速度都可达到100Mb/s的额定速率，那么当所高链路都饱和时，理论上的总带宽高达，400Mb/s。

拓扑结构

拥有两个节点以上的车载以太网要求采用交换机连接终端设备，这意昧着该网络采用星形拓扑结构。(参见第5草全面了解网络拓扑结构。)星形网络可以很容易地通过增加更多连接进行扩展，唯一限制因素是交换机的端口数量。此外，还可以将多个交换机相亘连接而将星形拓扑结构扩展成’星中之星"型或树形拓扑结构，汽车经常面临组件更换以及ECU的增加或移除，因而星形网络结构的灵活性对汽车行业来说极具吸引力。

如果控制台节点向显示器节点发送一个帧，该帧首先通过控制台和交换机端口2之间的链路被发送至交换机;不久之后，交换机复制该帧至端口1，然后发送至显示器。所有习惯了CAN的人员应注意该网络的两个重要涵义。首先，对于多数传输而言，一般网络上会同时存在两个帧的部分:一个从控制台传输至交换机，另一个从交换机传输至显示器。第二，帧绝不会出现在指向非源设备或目的设备的网段上。比国中的主机和扬声器就没离参与该帧的传输，因此端口0和端口3保持闲置，连接这两个设备的电缆也同样闲置。

帧格式

以太网使用多种不同的帧恪式，冥中大部分部非常相似，只在某些字段的具体内容和位置上有所不同。

前导码：前导码为1和0交替出现的7个字节，表示帧即将到来，保证发送万相接收万的同步。
帧开始符(SOF)：SOF为1和0交替出现的1个字节，但最后一个0应改成1，因而该字节一般表示为"10101011"。它告诉接收方帧的"介绍"部分已经结束，后面内容就是实际的以太网帧。
目的地址和源地址：目的地址和源地址为以太网寻址机制的基础。每个地址包含6个字节，冥中3个字节为组织编号，另外3个字节为设备编号。
802.1Q ( VLANJ1帧优先级}标签：IEEE802将该标签定义为一个可选的4个字节长度的字段。1Q用于实现虚拟局域网(VLAN)的功能和指定帧的优先级。在军载以太网中，由于该标签被广泛应用于盲棍烦桥接(AVB)等应用中的实时流媒体传输，因此只能说是M技术上"可选。
类型和数据：类型字段通常称为以太网类型。虽然这个字段名为以太网类型，但官并不是描述所使用的以太网类型，而是指数据(或净荷)字段中携带的数据类型。"051参考模型"所述，现代网络是以分层和数据封装为设计原则的。以太网类型通常用于指明二层以太网帧携带的三层协议报文的类型。该字段还使用多个特殊值来实现各种功能，如虚拟LAN等。最著名的以太网类型对应该字段值为Ox800，表示该帧携带有一个IPv4分组。该分组本身含葡报头和净荷，如传输控制协议(TCP)分段或用户数据报协议(UDP)数据报的报头和净荷。以此类推，分组的这些内窑又合奇更多的报头和封装数据，最后传输至应用层。
帧校验序列(FCS)：FCS字段包含32比特的循环冗余校验(CRC )值，该值由发送万计算并填写。帧的接收方在读取帧内容后，也会利用相同的公式计算CRC值，并与发送方发送的CRC值进行比较。如果两个值不匹配，这就表明帧在传输过程中受到破坏并会被丢弃。

以太网硬件媒介：媒介、控制器、主机和互联设备

光缆

为了解光缆的工作原理，我们]必须首先简要了解光及真部分传播属性。众所周知，太阳或灯泡等光源会向各个方向发射光波，还可以聚焦成光束使真大部分可以向特定方向传播。光缆是一种与光源相连接的实心玻璃’管"(有时候为塑料筐)。光由发送设备生成，通常为激光二极管或发光二极管。光源正确安装后可向"筐"中"发出"光束，能够快速打开和关闭，向光纤中发送特定模式的光。光通过玻璃传输至另一端的接收设备。由感光接收设备检测光模式并据此确定发送的泊息。光缆的工作原理真实并不复杂。事实上，利用光脉冲来编码信息的理念己经存在很多年。例如，早在几百年前人们就用闪光灯来传输信息。当然，这比计算机利用光缆来传输信息的速度慢很多，但理念相同。光缆使用的真正挑战不是理论而是实践，主要有两个问题:将光导入光纤中，减少信号衰减以支持远距离信号传输。

光缆在网络行业应用范围较小但很重要。如前文所述，这是由于光缆与铜缆相比所真高的优劣势决定的，而光缆比真巴媒介更适用于某些用途中。首先，我们来看看光缆的优势。此处列出了光缆的部分重要属性：

高带宽：光缆的数据传输能力远远高于铜缆。尽管工程师们]成功地显著增加了饲缆的带宽，但仍远不及光缆。
低衰减：与铜缆相比，现代光缆的信号损失非常低。
电磁抗扰度：由于信号为通过玻璃纤维传输的光脉冲形式，因此光缆上不存在困扰铜缆的电磁干扰(EMI )问题。光缆没苟"串亩"的概念，因此也无需担心外部噪声源。
更长的布线距离：电缆长度的两个主要限制因素是信号衰减和噪声。光缆在这两个方面都要远远优于铜缆。因此，通过光缆连接的设备之间的距离可远大于铜缆。
体积更小：光缆更细，甚至比非屏蔽铜缆的体积更小。再加上光缆可承载的数据量可数倍于铜缆，这个优势还将成倍扩大。
更高安全性：光缆比铜缆更安全，主要高两个原因。第一，电磁能不会进入光缆产生噪声同样也不会向外部辐射能量，因此不可能由于意外的电磁辐射导致数据信号被"窃听"。第二，铜缆物理上支持搭接，因此数据信号可能会被非法监昕。而对光缆来说，数据监昕很难实施。

任何事情都有两面性。尽管光缆再上述优势，但由于以下缺点光缆并没奇想象中的那么应用广泛：

高戚本：这是光缆普及面临的最大阻碍。导致成本上升的原因实际上包括:高材料成本、安装和维护困难、光缆配套的交换机和网络控制器等设备昂贵。
安装因难：如上所述，光缆的安装比铜缆的安装更加棘手，要求安装人员经过严格培训和掌握更多的专业知识。
易损性：光缆比铜缆更脆弱。
普及程度低：双绞线电缆几乎"随处可见"，旦使用双绞线的硬件设备选项颇多，而光缆的可选设备却少很多。

以太网控制器和主机

负责底层网络运行的硬件设备通常称为网络控制器。那么具体而言以太网中的此类硬件设备当然就称为以太网控制器。本小节内容看起来似乎很简单，多数内窑也确实如此。但是无论在常规网络还是车载网络，都需要注意一些高关以太网控制器的重要实现和术语方面的区别。如前面章节所述，以太网的功能包括一个MAC子层(OSI模型第二层)I用于实现访问控制和组帧等逻辑功能，一个PHY来实现物理层(OSI模型第1层)的功能，用于数据编解码和网络媒介对接。我们将在下文中频繁提到这两个以太网子模块。

控制器集成

几十年前，旱期以太网控制器与当时的多数硬件设备一样利用离散逻辑芯片来实现。随着时间的推移，电子设备的集成度越来越高，以太网控制器硬件设备体积越来越小，需要的芯片也越来越少。按照集成度由低到高的顺序，控制器实现通常划分为以下类别：

离散逻辑：个以太网功能包:t3MAC和物理层的功能通过独立芯片来实现。这种实现方法如今已经过肘，基本上看不到了。
专用MAC芯片和专用PHY芯片：MAC子层的功能通过一个逻辑芯片来实现，而PHY通过一个单独的集成电路实现。这两个芯片往往通过印制电路板的线路相连。
集成MAC与独立PHY：MAC功能与计算机芯片或微控制器功能结合在一起，而PHY仍然使用一个单独的芯片。
全集成：所有以太网功能与主机设备(如微控制器)结合起来。

集成度越高，所需芯片越少，从而节约空间并降低成本，因此计算机行业的发展趋势是高集成。但是，集成也有一个缺陷:降低灵活性。如果MAC子层的功能结合到微控制器(如ECU装置)中，这意昧着MAC中的任何变化都要求对微控制器做相应修改。一旦MAC和PHY集成后，如果集成设备的任意部分一一微控制器、MAC或PHY-需要更改那么必须更换整个芯片。

以太网主机

拥再传统计算机背景知识的人员往往会认为主机就是整个计算机，如PC，在常规网络中往往也确实如此。但再次声明，主机可以是使用某个网络的任何设备，因此以太网主机是连接至以太网的任何设备。例如，打印机和独立网络附加存储(NAS)设备也属于主机，尽管一些人可能不会这么认为，因为官们不是通用计算机。在汽车行业，汽车中利用车载以太网连接的各个ECU都是以太网主机。

网络中的"主机"有时候也专门用来代指终端设备，用于构成实际网络连接的网络控制器或真芭硬件除外。所以在车载以太网中，主机可能是指ECU上运行的微控制器，以太网控制器除外。当然，如上所述，以太网的功能经常嵌入到微控制器中。从某方面来说，我们]更多的是为这个术语定义一个语义，而非简单地突出宫的重要性。

主机通常包括硬件和软件，软件也是执行苟用功能所必须的。设备上运行苟很多各层协议，所以同时能够成为几种不同的’主机"。例如，计算机在局域网上运行以太网称为"以太网主机"，在第三层运行因特网协议称为"IP主机"。事实上，这种情况经常会出现。在OSI模型中同样如此:例如，一台万维网服务器可能同时是一台"以太网主机"、“IP主机"和"Web主机”。一个ECU装置可以是一台以太网主机，也可充当运行特定功能软件的主机。

以太网媒介一一电缆相连接器

我们将从媒介开始讨论以太网的硬件设备。电缆和导线的统称。媒介为物理层所有编码和信令机制所产生的电压或光脉冲的传输路径或信道，因此在任何网络中都指代最底层通信。首先我们将讨论电缆性能和质量特征。这些背景知识有助于您更好地理解一些影响布线系统设计，决定物理层需求，实际网络安装需要考虑的关键因素。然后详细讨论双绞线(TP )电缆，包括令这类媒介功能如此强大的信令万法以及双绞线电缆类别、电缆类型、连接器等更多内容。我们还将重点关注最常用于以太网(包括车载以太网)的非屏蔽双绞线(UTP)电缆。最后，我们将看看以太网中使用的真E电缆类型，如同轴电缆、光缆和双轴电缆。这些电缆目前尚未引入车载以太网，因此只作简要介绍。

功率和衰减

在真官条件相同的情况下，信号功率越大，那么传输的距离就越远。这就是为什么50，OOOW无线电台的信号能覆盖几百英里的范围，而较小的1，OOOW电台的信号覆盖范围可能只有几公里。所有信号在传播过程中都会消耗功率，传播距离越远，消耗的功率就越多。这一现象可通过一个简单的例子来说明:将一块石头丢入平静的湖中就会形成波纹并不断向外扩散，逐渐变小直至完全消失。这一现象称为衰减。衰减是几乎任何类型的数据通过任何类型的媒介传输时都会出现的自然现象。就电缆领域来说，衰减会影响铜缆承载的电信号以及光缆承载的光信号。电缆的固高衰j威主要受电缆的物理特征影响:

铜缆：减取决于芯线的厚度(无论是实心芯线还是绞合芯线)、绝缘材料、双绞线中芯线的扭绞率、以及真芭电缆具体结构因素。许多交E影响导线阻抗的类似电气参数，超出了本书的讨论范围。
光缆：衰减受材料(塑料、玻璃、塑料包层硅等)、线芯亘径以及电缆真巴特征的影响。
距离：上述提到的湖中的波纹一样，信号在电缆上传输的距离越远，衰减越大。
温度：温度越高，分子活性就增加，因此铜缆上的衰减也越大。
频率：信号衰减很大程度上取决于信号的频率。高频电气信号比低频电气信号衰减得更快，这也是为什么高速物理层实现必须采用高质量电缆的原因。对于光缆，光的波长也以类似的方式影响着衰减。
安装方法：必须按照正确的安装步骤进行安装，可避免产生额外衰减。例如，电缆的最小弯曲半径超标会导致额外衰减。

日常生活中的网线主要就是电缆，人形机器人上使用光纤。ECU->交换机->主控。

标准双绞线以太网8P8C( RJ-45 )连接器

网络行业少有非常通用的标准，但以太网中的RJ-45连接器却是个例外。该连接器由于具有8个位置(连接的位置)相8个触点(连接销)因此也称为8P8C连接器。您肯定知道RJ-45连接器的外形是什么样的，尽管这个名字有点不熟悉，但白从10BASE-T起就开始用在各类双绞线标准以太网中。尽管10BASE-T和100BASE-T等真官以太网技术一样只使用8个触点中的4个，但8P8C连接器旱期确实是为了连接标准以太网电缆中的所高8根芯线而设计的。当然I1000BASE-T等新技术后来充分利用了冥中的囚对线对和8个触点。

“RJ-45"中的"RJ"代表"注册插座”，这个术语可以追溯到旱期电话行业。为了避免在不同类型的接线时产生混j肴，Bell Telephone公司"注册"了许多不同的插座配置，实际上是大量的插座配置。目的是想利用这些"注册插座"的命名来确保公头和母头相匹配。几十年前，冥中最著名的插座为RJ-11，奇6个位置和2个触点，用于普通电话线和插座中。RJ-45专用于数据通信。现在BellTelephone公司已经不复存在，但"RJ"现已编录美国联邦通信委员会(FCC) 规定第68部分中。RJ-11、RJ-45和真芭类似的注册插座硬件组件苟时候也被称为模块式连接器。这些插座由两个配套的部分组成以在两根双绞线电缆中共同建立一个电气连接：

公头：一种塑料连接器，一端配萄若干个扁销(通常为4、6、或8个)，另一端高一个塑料卡紧器以将插头固定在插座内(参见图12-2)。当要断开电缆连接时，按压卡紧器将插头从插座中拨出来。通过压接操作将连接器与电缆一端相连，过程如下:将电缆的所高芯线插入连接器中，然后用一个特殊工具将连接器与芯线压紧。
母头：连接器的母头端为一个与插头形状相匹配的插座。在缺口中有许多位置可以放置触点。这些灵活的金属触点在插入时会推动插头中匹配的销进入连接器的公头端，以完成各芯线的电路连接。

实际上，这些插头和插座之间的连接包括很多技术细节，但对我们而言都不重要。对于以太网而言，接线方式，即线对中芯线与触点的连接，在TIAjEIA-568标准申奇规定。实际上有两个不同的接线标准，即TS68A幸盯5688。两者的区别在于标准4芯线电缆中绿色和橙色线对所使用的销位置有所不同，这点从图12-3中可以看出来。冥中的缘由很难一下解释清楚，但这也不属于本书的讨论范围。唯一重要的是网络装置中使用的始终是同一个标准。

TCP/IP 地址解析协议ARP

其实我感觉这一部风没必要记录，但是还是记录系统看一下把，说不定有水吗帮助呢。尤其是仔细阅读一下分层思想和协议设计。

TCP/IP成功的重要因素

综合寻址系统：TCP/IP包含一个用于识别相寻找设备的系统，适用于大型网络和小型网络。采用该系统后，寻址将无视各组成网络的具体结构。寻址系统还具备集中管理能力，用来确保每个设备具有唯一的地址。
专为路由设计：与网络各层的某些协议不同ITCPjIP是为了简化错综复杂的亘联网络上的信息路由而专门设计的。事实上，TCP/IP在概念上对网络连接的涉及要多于设备连接。TCP/IP还包含大量的支持协议，使网络能够交流重要信息和管理信息的高效流动。
底层网络独立性：TCP/IP主要在第三层及更高层运行，并且官所包含的规定使芭能够在各种LAN、无线LAN和WAN上运行。这种灵活性意昧着人们可以搭配各种不同的底层网络并使用TCP/IP将官们全部连接在一起。
可扩展性：TCP/IP最令人称奇的特性之一便是宫的可扩展性。随着亘联网从最初只连接几台计算机的小网络发展成连接数以亿计的主机的庞大互联网络TCP/IP协议展现出惊人的可扩展性。虽然TCP/IP需要定期变更才能支持这种增长，但它的核心仍与20世纪80年代墓本一致。
开放标准和开发流程：TCP/IP标准不是私高标准，而是可供公众免费查阅的开放标准。不仅如此，TCP/IP的开发流程也完全公开一一宫的创建和修改采用的是非常民主的RFC流程，考虑、所高相关意见从而确保开发结果在全世界范围内得到认可。
普遍性：每个人都用TCP月P是因为每个人都在用!

主要的TCP/IP协议归纳

网络接口层（OSI第二层）协议

网络接口层/网络层(“OSI第二/三层”)协议

网络层（OSI第三层）协议

主机到主机传输层(051;第四层}憾议

应用层(OSl第五/六/七层}协议

流预留协议（SRP）

时间敏感性流转发和排毒（FQTSS）

时间同步（gPTP）

基于互联网协议的诊断（DoIP）

DolP结构和要求

车载网络的所高DoIP实体应遵循本协议标准。
根据IEEE802标准原则，所奇MAC地址必须唯一。
车载网络中的所有DoIP应使用相同的IP版本，即IPv4( RFC791 )或IPv6( RFC2460 )。
所有DolP实体(IPv4和IPv6)应遵循RFC793中规定的TCP。
所高DoIP实体应监测TCP_DATA端口以与试图连接至该端口的测试设备建立通信。
所高DoIP实体应支持N+1个TCP数据套接字，其中Ní旨各个DolP实体支持的并发TCP数据连攘的数量。
如果使用IPv4I所有DoIP实体应遵循RFC2131中规定的DHCP害户端行为。
如果使用IPv6I所高DoIP实体应遵循RFC3315中规定的DHCPv6窑户端行为。

DolP工作原理

所有车辆中的DoIP实体对车辆识别请求做出响应。

打开套接字是从外部测试设备向汽车内部的DoIP实体发起连攘的第一步，必须在交换任何报文之前完成。-B建立了连接，必须执行一些初始化操作，还要分配和启动一个初始不活动计时器和通用不活动计时器。为激活初始化连接中的路由，外部测试设备应向DoIP实体发送一个"路由激活请求报文"。如果外部测试设备合格旦注册的高效连接数量少于N则停止相应的初始计时器。假设无需其芭的身份验证或确认，则套接字状态、变成"己注册【路由己激活】"。此时可对有效的DoIP报文(如DoIP诊断报文)进行转发或处理。该情况会通过肯定的"路由激活响应"报文上报至外部测试设备。通用计时器重新启动并保持活跃。当收到任何类型的数据时IDoIP实体首先会调用DoIP报头处理程序。如果净荷包含一个诊断报文，会调用诊断报文处理程序来处理这个净荷。当收到一个诊断报文时IDoIP确认应在报文成功通过了诊断报文处理程序时立即发送至调用测试设备(确认收到)。如果该报文是一个UDS标准诊断报文净荷，则目的ECU会返回一个诊断晌应至外部测试设备。当外部测试设备不再需要连接时，始终应使用TCP协议机制结束该连接。然后DoIP实体会为连接发起一个终结过程，从而释放相应的资源并使套接字可再次用于新的连接。如果连接未正确关闭，资源会在通用不活动计时器超时后或者在执行状态、检查后释放。汽车中的CAN网关必须将传入CAN帧转发至另一个CAN端口，与此相比IDoIP网关必须存储和转发整个DoIP帧。由于存在这个微小的区别，这两个系统可能有不同的超时行为，根据DoIP帧长和汽车中的拓扑结构而定。这些网关往往还可以转换帧类型，例如，官们可以接收一个DoIP帧并在CAN中转发该请求。

CAN中的UDS将UDS帧的大小最大限制在4KB，因为底层传输协议支持的最大帧尺寸就是4KBo IP中的UDS最大尺寸要远大于此。

协议细节

WWH-OBO和15027145既没高规定诊断服务也没有规定具体的报文格式，而是参考和总结了现有标准。法定诊断监测排放相关系统以15014229( U05 ) 的特定服务为墓础，以实现读取故障内存、显示实际值和利用诊断测试仪执行测试程序等功能。目前，诊断测试仪租汽车之间的通信推荐使用CAN(根据ISO15765 )。未来，无线或硬连线的通信应根据ISO13400通过以太网实现，从而使WWHOBD成为在欧盟和许多亚洲国家推动DoIP的动力。15027145-2规定用一个3字节的诊断故障码(DTC)来显示问题情况。这些DTC由一个墓本DTC编号与5AEJ2012-DA中规定的一个故障类型字节组合或SAEJ1939-73中规定的可疑参数编号(SPN )和故障模式标识符(FMI) (图40-8)组合而成。