基于以太骨干网的域集中式网络架构设计与验证

张国龙

摘要：随着智能网联系统市场化布局，带来了车载电子应用产品的数量和复杂度激增，车辆数据的传输、交换和共享使得车内网络系统面临严峻的挑战，遭遇发展瓶颈。传统车载网络通信带宽低、数据交换效率差、封闭开发不足、不易扩展的问题凸显，因此构筑新型车载网络架构已经成为了新一代智能网联汽车发展首要任务。

关键词：智能网联;域集中式;网络架构设计;验证方式

1 互联网关主要特征

互联网关是面向智能网联汽车设计的新型网关产品。它具备丰富的车内通信和无线通信能力，将作为车辆数据中心负责车内车外数据的通信;通过互联网关中微处理器（MPU）的计算性能可以在车端做边缘计算以减少对云端和通信带宽的要求;互联网关中的智能操作系统可以集成多方应用程序。现在，车辆中有近百个控制单元和若干个智能系统控制器，如果要升级车辆功能还需要前往维修点进行升级。汽车连网后，可以通过云服务远程对车辆进行升级。互联网关将为车辆带来一站式的远程刷新方案，可同时对智能操作系统和嵌入式操作系统进行刷新。

2 基于以太骨干网络域集中式架构方案设计

2.1 以太骨干网络应用场景需求分析

车载以太网主要应用场景车载诊断系统升级，特别针对大数据量刷写升级：智能驾驶，特别针对激光雷达和摄像头大数据音视频流量传输;车载信息娱乐系统开发，特别针对娱乐系统多屏互动连接和硬件一体化设计：信息互联系统集成开发，特别针对无线互联互接，V2X等不同通信介质介入场景。如表2.1-2.4分别从方案设计、优劣分析及应用可能性做出细分对比论述。

2.2 以太骨干网络通信需求与设计约束分析

车载以太网通信不同于传统通信类型，除了解决通信带宽问题，更有针对性解决协议一致性问题。通信需求采用高清视频保真音频传输，针对娱乐系统、智能驾驶、C2V系统等多场景化非一致性通信需求，网络延时控制7跳之内，车载以太网支持网络独立睡眠和唤醒，保持音视频同步传输，有效避免网络产生广播风暴。以太网架构设计约束主要考量子网划分，带宽物理链路媒体流及以为网关的路由能力。

2.3 以太骨干网络域集中式架构方案设计与分析

2.3.1 方案评价指标

以太网骨干网络设计评价采用非标评价，本文设计一套完整的以太网评价方法及评估指标。主要包括带宽链路，延时分析，路由路径，可复用控制器数量，服务器类型符合，诊断端口数目，扩展性网络等内容项目，评价指标采用工具定量分析评价和定性描述类，完成评价以太网络集中式设计方案优劣。

2.3.2 以太骨干网络域集中式架构方案

1）以太网骨干网络中心网关架构。中心网关架构设计模式，采用Switch类中央网关模式，中央网关路由以太网子网控制，域内点对点通信，跨域采用路由模式通信。2）以太网骨干网络菊花链式架构。菊花链类型通信主要应用过度超调通信，多点连接跨域，多路传输路由通信模型，端到端非路由结构。3）以太网骨干网络子网式架构

2.3.3 以太骨干网络中心网关式架构方案分析

1）中心网关式网络带宽分析各Ethernet链路带宽均小于75M，满足设计要求。2）中心网关式网络IP地址分配分析。同一子网有且只有一个DHCP Server，未出现Relay Agent，满足设计要求。3）中心网关式网络最差延迟分析。综合考虑全网段架构，7hop<2ms，满足设计要求。4）中心网关式网络音视频同步分析。同一级的流媒体传输域未超出边界，满足设计要求。5）中心网关式网络VLAN分析，VLAN连续，同一子功能未跨VLAN，满足设计要求。6）中心网关式网络睡眠唤醒分析。7）中心网关式网络协议框架分析

3 基于硬件在环系统网络仿真与测试验证

基于网络测试半实物仿真测试系统，结合OPEN联盟TC8以太網测试标准中，针对域子网络开发测试策略及测试用例，完成网络物理层、链路层、应用序列等功能和性能测试验证。这一过程主要采用硬件在环系统实现，硬件在环系统是基于实时车辆仿真模型及其运行的硬件系统和被测电控系统的开发、集成与自动测试的平台。在控制器功能开发基本完成后，可将控制策略模型编译为控制器目标代码下载至真实控制器硬件中完成控制系统开发;将真实控制器集成于利用模型仿真技术和部分真实负载建立的虚拟车辆仿真平台上实现实时闭环运行，进行控制器的功能与特性自动测试，实现控制器安全验证和功能初步验证。

4 测试验证内容

1）车载以太网物理层测试，这一部分内容主要参考OPEN联盟TC8以太网测试规范，主要是针对物理层进行测试，主要包括PMA测试、IOP测试以及工作电压测试等，其中PMA测试内容包括：收发器输出压降测试、收发器时基抖动测试、传输时钟频率测试、功率谱密度测试、MDI（媒介相关子层）回波损耗测试、MDI模式转换测试、MDI共模释放，IOP测试内容包括：DUT的连接状态测试、通信链路质量测试、线束测试、故障注入测试等。

2）协议--致性验证，这--部分内容针对数据链路层到应用层的通用协议进行验证，包括协议的格式、内容等与要求是否一致，验证的协议包括：数据链路层MAC和VLAN （IEEE802.1Q）的协议、网络层和传输层TCP/IP协议族（ARP、ICMP、IP、 TCP、UDP）以及DHCP （动态主机分配，方便以太网节点的动态加入或退出）协议、网络管理（如AUTOSAR UDP NM）的协议、AVB协议架构SRP （流预留）、FQTSS （队列及转发）、gPTP（时钟同步）和AVTP（音视频格式）等。

3）Switch性能测试，这一部分内容主要参考传统以太网测试内容，主要是基于RFC2544和FRFC 2889这两个规范，是针对Switch性能指标及参数进行验证，测试内容包括：吞吐量、时间延迟及抖动、丢帧率、转发压力、转发速率、拥塞控制、错误帧过滤等测试;

4）应用功能验证，这一部分内容主要是参考各车载以太网节点的功能设计进行相关验证，包括音视频控制器功能、车身域控制功能、智能驾驶域控制功能等。

5结语

随着车联网技术的不断发展，未来汽车的联网程度和内外数据交换的容量都将日益增多。基于以太骨干网的域集中式网络架构是设计重要的一环，相比较传统的汽车网络架构，有着太多的优点，确定、准时、安全和精确都是新型网络架构中的功能特点。所以，基于以太骨干网的域集中式网络架构的构建是非常有前景的。

参考文献：

[1]孙小红.车联网的关键技术及应用研究[J].通信技术，2013，46（4）：47-50.

（作者单位：中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司）