环形以太网网络拓扑结构研究与设计

石如泉　徐嫚　黄祖朋　谢佶宏　邵杰

摘 要：文章深入分析了传统汽车的网络总线类型以及网络架构特点，结合未来汽车智能化、网联化的发展趋势，在传统汽车网络的基础上提出了一种新型的高带宽、快速、极简的环形以太网网络拓扑结构，适应了未来汽车智能化和网联化的发展需求。

关键词：电动汽车 总线 以太网 域控制器

1 引言

随着科学技术的快速发展，各个行业的新兴科技产品不断推出，人们对于日常使用的产品的性能要求也越来越高。汽车，作为人们出现的基本工具，人们早已不满足于其最原始的单单行驶的这一功能，而是提出了智能化、网联化的智能移动空间等更高的需求。为了跟上人们的需求节奏，汽车行业必须进行各种技术革新，而车载网络的革新则是关键的一环。

众所周知，汽车智能化、网联化的前提是大量电子器件的广泛应用，而大量电子器件的广泛应用会使传统的汽车网络架构面临着诸多问题，主要表现为：1）传统CAN总线在带宽上不能满足智能驾驶、影音娱乐等使用场景的需求;2）汽车传感器和控制器的应用越来越多，网络架构越来越复杂，导致总线负载率过高，降低了数据信息的實时性，威胁行驶安全;3）产品软件更新迭代快，面对动则数个吉字节大小的软件更新包，传统汽车网络架构无法支持实现OTA升级。

为了解决上述传统汽车网络架构中存在的问题，本文提出了一种新型的环形以太网汽车网络架构，以满足汽车智能化、网联化的发展需求，推动汽车行业的快速发展。

2 传统汽车网络介绍

将汽车上所有电子的传感器、执行器以及电子控制单元进行有效连接，构成的通信形式称之为汽车网络。汽车功能的复杂程度与汽车上ECU（电子控制单元）的使用数量成正比，汽车功能简单则ECU的数量就少，并且通过点对点进行通信即可满足要求;当汽车的功能变得复杂时，ECU的数量会相应增多，通过点对点的方式已无法满足汽车通信要求，需要采用其它的通信方式。其中，CAN和LIN车载网络在汽车中的应用最为频繁，MOST和FlexRay总线网络则大多应用于高端汽车中。根据传输类型之间存在的差异，可以将车载总线分为CAN、LIN、FlexRay以及MOST四种。

2.1 CAN总线

在以上4种传统汽车网络总线中，CAN总线是应用最广泛的车载总线，能够对汽车的电子部件、发动机以及底盘等进行有效地电子控制，对于错误的监测和其他智能化的处理机制都比较可靠，可以传输8 Byte数据，并且其成本还相对较低。然而，CAN总线的带宽最高限值只有1Mb/s，随着ECU的增加，CAN总线网络拓扑结构变得异常复杂，一些只能在高带宽下才能使用的功能无法在该架构上实现。

2.2 LIN总线

LIN总线是一种低成本和低速率的主从式串行通信总线，往往使用于电动门窗、电动天窗以及座椅调节等传感器信号采集这种不需要使用CAN总线带宽和多功能的场合，其对CAN总线通信具有一定的补充作用。

2.3 FlexRay总线

FlexRay是一种以时间戳协议为基础的高性能、高可靠性的实时总线，其最大特点是传输精确、快速，数据发送至目标地址只需要1μs，在对安全实时性具有高要求的线控转向和线控刹车方面有着广泛的应用。

2.4 MOST总线

MOST则是一种面向媒体系统的传输总线，在导航和CD等娱乐系统中应用最为广泛。MOST的传输介质主要为光纤，但是传输的可靠性很低。

3 环形以太网模型

3.1 以太网介绍

以太网承担了对汽车大数据进行传输的作用，是汽车智能网联发展的关键路径，也是未来电动汽车网络构架发展的必然趋势。在环形以太网整个网络构架中，主网络为以太网，子网络则为娱乐系统和辅助驾驶系统，这二者具有传统动力底盘以及车身舒适系统的所有性能。在辅助驾驶系统中，因为要对驾驶人员的状态进行智能检测，所以需要使用以太网对高清的摄像头以及高精度雷达的大数据进行传输。对于车辆的行驶状态、路标的设置以及雷达数据等与车辆行驶相关的数据，也可以通过以太网传输到云端。在娱乐系统中，以太网的主要作用是对语音视频等影音数据进行传输。对于娱乐设施的管理和使用，可以辅助于无线网络以及蓝牙，给乘客带来更加舒适完美的体验效果。

3.2 需求分析设计

基于引言提出的传统汽车网络存在的问题，环形以太网模型可以完美地将其解决：1）环形以太网通信带宽可达到1000Mb/s，完全满足当前汽车智能驾驶、影音娱乐等高带宽的要求;2）环形以太网模型是一种采用了域控制器的网络架构，通过控制器上移集中，能够将控制器减少到五个以内，架构可以做到极简（图2）;3）车载TBOX接收来自云端的OTA更新包，然后再通过高带宽的以太网导入车载控制器，可快速完成OTA升级（图2）。

3.3 环形以太网模型设计

传统汽车网络架构一般可以将汽车分为车身总线、底盘总线和整车总线。随着用户对车辆功能需求的增加，一些车辆还会新增影音娱乐总线和智能驾驶总线。本文参照传统车的架构模型，设计了一种基于域控制器的以太环网网络拓扑结构，如图3所示。

1）车身域控制器：将传统车身总线上的控制器集成在车身域控制器上，各传感器与车身域控制器通过CAN线连接，域控制器直接控制仪表、门窗、空调等。影音娱乐的设备（如平板手机等）直接通过无线以太网连接车载TBox接入整车网络，从而与车内网络进行交互（控制门窗空调等）。

2）整车域控制器：将传统的整车总线上的控制器集成到整车域控制器上，各传感器与整

车域控制器通过CAN线连接，域控制器直接对电机和电池进行控制。

3）智能驾驶控制器：除将传统底盘总线的控制器集成在智能驾驶控制器上外，还集成了智能驾驶总线上的控制器，这两个总线上所有传感器通过CAN线连接域控制器，对带宽需求大的传感器使用以太网连接（摄像头、雷达等）。

4）环形以太网络：各域控制器之间使用以太网进行信息交互，例如车身域控制器可以通过环网获取智能驾驶域控制器的摄像头信息，将摄像头的影像信号传递给影音娱乐设备上。

与传统总线网络架构相比，基于以太网的环形网络架构具备以下几个优势：1）控制器上移集中，从原来的几十个减少至五个以内，优化网络架构、减少线束成本;2）高带宽低时延的网络通讯，满足了车辆智能化、共享化和网联化的通讯需求;3）以太网接入云端，各域控制器可实现秒级OTA;4）生态开放，车载娱乐设备可直接通过TBox无线接入整车以太网络。

4 结论

随着汽车技术不断向智能化、和网联化发展，车辆集成的功能在不断地增加和优化，促使了车载网络架构技术的不断进步。本文基于对传统汽车网络架构的深入研究分析，在其基础上进行优化创新，提出了一种新型的环形以太网网络架构模型，满足了汽车智能化、网联化对车载网络的更高要求。可以预见在不久的将来，基于域控制器的以太网网络架构将会逐渐取代传统CAN总线网络架构。

基金项目：广西创新驱动发展专项资助项目（桂科AA18242039）;柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2018AD20501）

参考文献：

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