車載以太網的出現背景樓主就不多做贅述了，其實主要是因汽車E/E架構和功能的復雜度提升而帶來的對車輛數據傳輸帶寬提高和通訊方式改變（基于服務的通訊-SOA）的需求。

就目前汽車總線的應用情況，成本低、可靠性高、應用普遍的有Lin、CAN通訊，CAN FD也是最近幾年才逐漸得到應用，而FlexRay、車載Ethernet等基于成本因素，目前主要在高檔車型中使用。

其中樓主之前介紹的FlexRay后續得到普遍應用的可能性樓主認為不是很大，首先成本方面與車載以太網差不多而通訊速率又遠低于它，而伴隨著未來智能化、網聯化的趨勢，車載Ethernet在未來得到推廣的可能性要比FlexRay高很多。需要注意的是CAN FD在市場推廣實施還沒有幾年，第三代CAN總線-CAN XL也即將登場，CAN XL傳輸速率將達到10Mbit/s，可填CAN FD和百兆車載以太網（100BASE-T1）之間的鴻溝，從這點也可以看出車載通訊的快速發展及對通訊帶寬的越來越高的要求，同時也可從另一方面說明FlexRay的尷尬。當然所有總線的應用都是分所在的域和場景的，例如對于安全要求很高的場合，采用了基于時間觸發機制的FlexRay因實時性和確定性更高則更合適。

標準

在車載網絡方面，玩家是很多的，也推出了各自的標準，如下：

其中OPEN Alliance和電氣與電子工程師協會（IEEE）制定的標準是車載以太網領域比重大和應用廣泛的，例如我們熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1。

自1980年以來，IEEE一直負責以太網的維護、開發和標準化。盡管各個公司都可提供專有的以太網解決方案，但大多數時候公司都會交給IEEE進行標準化以確保更廣泛的應用。802工作組則專門負責以太網，因此，所有與以太網相關的標準都以802開頭（例如，IEEE 802.1，IEEE 802.2，IEEE 802.3等）。

OPEN Alliance SIG是由汽車制造商和供應商組成的聯盟，目的是促進以太網在汽車工業中的進一步發展。OPEN Alliance SIG與IEEE合作，將汽車以太網轉換為通用標準。就目前的車載以太網標準方面，主流標準的是如下幾個，目前主要是第二個100BASE-T1：用單對雙絞線實現100Mbit/s的數據傳輸，走的靠前的OEM則使用更快的千兆以太網。

車載以太網的網絡分層和拓撲

OSI七層網絡模型（OSI=Open Systems Interconnection）是互聯網發展過程中一個很重要的模型。OSI是一個開放性的通信系統互連參考模型，其含義就是建議所有公司使用這個規范來控制網絡。只有統一通信規范時，才能實現真正的互聯化。OSI 七層模型及通信互聯的傳輸過程，如下圖所示：

OSI 七層網絡模型是一個理想的網絡參考模型，TCP/IP模型是已經被實際廣泛應用于因特網的網絡分層模型。TCP/IP 模型沒有對 OSI 的 5~7 層做嚴格區分，統稱為應用層。

車載以太網是基于 TCP/IP 的網絡分層模型，并由 OPEN 和 AUTOSAR 等聯盟對以太網相關協議進行了規范和補充。

以太網的網絡拓撲結構有點對點形式、類似于CAN或LIN的總線形式、鏈式和星型等形式：

也有由上面幾種形式的組合形式：

當然現在多個節點的車載以太網的互聯互通需要交換機Switch，Switch的作用如下：

車載以太網的物理連接

從硬件的角度看，以太網接口電路主要由MAC（Media Access Control）控制器和物理層接口PHY（Physical Layer，PHY）兩大部分構成，如下圖所示：

MAC及PHY工作在OSI七層模型的數據鏈路層和物理層，如下

PHY和MAC之間是如何傳送數據和相互溝通的呢？MAC與PHY之間通過兩個接口連接，分別為SMI接口和MII接口。

MII（Media Independent Interface）即媒體獨立接口，MII接口是MAC與PHY連接的標準接口，以太網MAC通過該接口發出數據幀經過PHY后傳輸到其他網絡節點上，同時其他網絡節點的數據先經過PHY后再由MAC接收。MII是IEEE-802.3定義的以太網行業標準，MII接口提供了MAC與PHY之間、PHY與STA(Station Management)之間的互聯技術，該接口支持10Mb/s與100Mb/s的數據傳輸速率，數據傳輸的位寬為4位。'媒體獨立'表明在不對MAC硬件重新設計或替換的情況下，任何類型的PHY設備都可以正常工作。802.3協議最多支持32個PHY，但有一定的限制：要符合協議要求的connector特性。

SMI叫串行管理接口，以太網MAC通過該接口可以訪問PHY的寄存器，通過對這些寄存器操作可對PHY進行控制和管理。SMI接口包括MDIO（控制和管理PHY以獲取PHY的狀態）和MDC（為MDIO提供時鐘）。MDC由MAC提供，MDIO是一根雙向的數據線。用來傳送MAC層的控制信息和物理層的狀態信息。MDIO數據與MDC時鐘同步，在MDC上升沿有效。

由此可見，MAC 和PHY，一個是數據鏈路層，一個是物理層；兩者通過MII傳送數據。 因此Ethernet的接口實質是MAC通過MII總線控制PHY的過程。

MII接口后續又衍生了很多其他版本，如RMII、GMII、SGMII、RGMII等。這里簡要介紹其中的MII和RMII，如下圖所示。MII共使用了16根線。其中CRS與COL只在半雙工模式有效，而車載以太網固定工作在全雙工模式下，故應用在汽車環境需要14根線。

RMII是精簡版的MII，數據發送接收均為兩根，相比MII減少了4根，另外它整合或減去了一些線，最終RMII只有8根線RMII的接口如下：

在實際的設計中，以上三部分并不一定獨立分開的。由于，PHY整合了大量模擬硬件，而MAC是典型的全數字器件。考慮到芯片面積及模擬/數字混合架構的原因，通常，將MAC集成進微控制器而將PHY留在片外。更靈活、密度更高的芯片技術已經可以實現MAC和PHY的單芯片整合，可分為下列幾種類型:

CPU集成MAC與PHY，目前來說并不多見：

CPU集成MAC，PHY采用獨立芯片，這種在車載以太網上是主流方式，因嵌入式芯片廠商一般都將MAC集成在MCU內部，而PHY芯片則由OEM或控制器供應商自己選擇：

在以太網連接線束上，車載以太網與消費用以太網也是不同的，首先消費用以太網的標準主要采用10BASE-2、10/100BASE-TX和1000BASE-T，其中1000BASE-T是使用RJ45接口，需要四對雙絞線共8根線進行數據傳輸，而10/100BASE-TX則是只使用四對雙絞線其中的兩對共4根線進行數據傳輸，如下是100BASE-TX的示意圖（使用了兩對雙絞線）。

在很早之前的10BASE-2則是同軸電纜進行數據傳輸，因此消費類以太網采用線束總結如下：

而車載以太網一般都基本采用帶T1的標準，如IEEE 100BASE-T1（以前稱為OABR）、IEEE 1000BASE-T1，這些都使用一對雙絞線共兩根線進行數據傳輸：

其次在編碼方式上，1000BASE-T主要采用PAM5的編碼方式：

而車載以太網100BASE-T1和1000BASE-T1主要采用PAM3的編碼方式。

從上面可知，車載以太網主要采用基于一對雙絞線進行數據傳輸的100BASE-T1或1000BASE-T1標準，而我們電腦則使用RJ45接口采用基于4對雙絞線進行數據傳輸的1000BASE-TX標準，因此當我們用電腦測量控制器以太網時，有時需要轉換器，如下：

車載以太網幀結構

以太網幀的格式如下：

以太幀有多種類型，不同類型的幀具有不同的格式和MTU值，但在同種物理媒體上都可同時存在。常見有兩種幀格式，一種是上世紀80年代初提出的DIX v2格式，即Ethernet II幀格式。Ethernet II后來被IEEE802標準接納，并寫進了IEEE802.3x-1997的3.2.6節。

第二種是1983年提出的IEEE802.3格式。

這兩種格式的主要區別在于，Ethernet II格式中包含一個Type字段，標識以太幀處理完成之后將被發送到哪個上層協議進行處理。IEEE802.3格式中，同樣的位置是長度字段。

不同的Type字段值可以用來區別這兩種幀的類型，當Type字段值小于等于1500（或者十六進制的0x05DC）時，幀使用的是IEEE802.3格式。當Type字段值大于等于1536（或者十六進制的0x0600）時，幀使用的是Ethernet II格式。以太網中大多數的數據幀使用的是Ethernet  II格式。

以太幀中還包括源和目的MAC地址，分別代表發送者的MAC和接收者的MAC，此外還有幀校驗序列字段，用于檢驗傳輸過程中幀的完整性。

汽車行業通常使用Ethernet  II格式，該格式還可包含VLAN信息作為擴展，因此，又分基本MAC幀（無VLAN）和標記MAC幀（包括VLAN）兩種。

MAC addresses: Ethernet II幀通常以接收者目標地址開頭。 作用是要接收消息的網絡節點。 與隨后的發送者源地址相反，除單播地址外，還可以使用多播或廣播地址。對于以太網幀，只能有一個發送方，但可以有多個接收方。

Ether type: 基本和標記的MAC幀通過類型字段（以太類型）進行區分。 這通常標識有效載荷數據區域中包含的分組，并給出有關較高層中使用的協議（例如，IPv4）的信息。如果以太類型的值為0x8100，則將類型字段向后移四個字節，并在其原始位置插入一個VLAN標簽。

VLAN Tag：VLAN標簽由協議標識符（TPID）和控制信息（TCI）組成。TPID包含原始類型字段的值，而TCI由優先級（PCP），符合丟棄要求或規范的形式指示符（DEI或CFI）和標識符（VID）組成。標識符和優先級主要用于汽車行業。標識符區分不同應用區域的相應虛擬網絡。優先級允許通過交換機優化運行時間，以便優先轉發重要信息。

Payload：在類型字段之后，以太幀包含有效載荷數據區域。 有效負載的最小長度為不帶VLAN標記的46字節或帶VLAN標記的42字節, 在汽車工業中，它最多可以包含1500個字節。

CRC校驗：CRC校驗在以太幀的末尾發送。 校驗中包含的值是使用標準化算法計算的，該算法在發送方和接收方中以相同的方式實現。該計算是在以太幀的所有字段中進行的，因此可以確保整個消息的完整性。

以太網Packet: 對于以太網II幀的傳輸，以太網控制器在開頭插入前同步碼和起始幀定界符（SFD）,用于指示傳輸開始。前同步碼，開始幀定界符和以太幀的組合稱為以太網數據包。

車載以太網幀傳輸過程

上面我們已經提到，車載以太網是基于TCP/IP的網絡模型，因此我們先不考慮應用層數據是根據哪種應用層協議組織的，從應用層來的數據，經過傳輸層會加上TCP/UDP報頭，再到網絡層的IP報頭，然后到鏈路層增加MAC地址等信息，最后由PHY轉換成線路上的二進制流實現在發送端和接收端的數據傳輸。

其中上面傳輸層的TCP協議和網絡層的IP協議，樓主在本篇文章中就不過多贅述了，大家感興趣的請自行查詢了解。而應用層協議有不少，例如DoIP、DHCP、SOME/IP等，而最重要的車載以太網應用層協議主要是SOME/IP協議。

SOME/IP介紹

如上篇闡述的，車載以太網采用基于 TCP/IP 的網絡分層模型，TCP/IP 模型沒有對 OSI 的 5~7 層做嚴格區分，統稱為應用層，如上。

其中應用層協議有關的協議有SOME/IP、AVB/TSN、DoIP等，本篇我們主要闡述SOME/IP協議。SOME/IP (Scalable Service-Oriented MiddlewarE Over IP) ，即“運行于IP之上的可伸縮的面向服務的中間件”，它是車載以太網技術中的核心內容，可用于控制消息及應用數據傳輸，該技術是SOA架構的重要支撐。它在系統中其實就是一個中間件的存在，所謂“Middleware中間件”是一種獨立的系統軟件或服務程序，分布式應用軟件可借助Middleware在不同的技術之間共享資源。所謂的分布式應用軟件，在這里指的就是“服務”；不同的技術之間，在這里指的就是“不同的平臺或操作系統，比如Adaptive AUTOSAR系統等。因此SOME/IP用于面向服務的通訊，可實現方法復用和擴展、可降低負載（因SOME/IP是在接收方有需求的時候才發送，這種方法的優點在于總線上不會出現過多不必要的數據，從而降低負載。）并適用于不同操作系統

上文的我們也已經說過了輸出的傳輸過程：數據從應用層到物理層是經過一層一層封裝然后傳輸的，上三層的數據流在傳輸層被封裝成數據段，在網絡層數據段被封裝成數據報，在數據鏈路層數據報被封裝成數據幀，最后在物理層編碼成比特流進行傳輸，這次我們重點關注TCP/IP模型中應用層數據經SOME/IP協議是如何封裝的。

服務是SOME/IP的最核心概念，在一個服務中，定義了Server和Client兩個角色：Server提供服務，Client調用服務。對于同一個服務，只能存在一個Server，但可以同時存在多個Client調用服務，一個Service由Event/Method/Field組成。

Method類型：即函數調用的形式，Client通過函數調用的方式向Server端請求數據。

Event類型：即事件類型，Client會向Server端訂閱信息，Server則會以事件觸發的形式向Client端發送所訂閱的內容。

Filed類型：是Method和Event的組合，由以下三項內容構成：Notifier：通知，Client訂閱了服務后，Server時間主動向其發送數據-Event方式Getter：獲取，由Client向Server請求數據-Method方式Setter：設置，由Client修改Server的數據--Method方式

從上面可看到Notification分為Event和Field 兩類，這兩類通知都需要首先使用SOME/IP-SD(Service Discovery)來進行服務訂閱，然后才能發布通知。

區別在于，Event是某一時刻的快照，只是事件通知，而Field除了事件通知之外，還具有Getter和Setter的功能，即對信息進行讀寫的操作。

對于上面三種方法的總結如下：

SOME/IP數據格式

SOME/IP 的數據格式如下：

Message Type用來識別不同的消息類型，目前類型如下圖，其中TP用來表示分包的報文：

REQUEST、REQUEST_NO_RETURN、RESPONSE屬于同一類遠程過程調用方法，當Client有需求的時候，發送一個Request消息，Server根據這個消息類型（REQUEST或REQUEST_NO_RETURN）來決定是否發Rresponse消息。Return Code則用于表示請求是否被成功的處理，下表是AUTOSAR標準中定義的Return Code類型：

Payload就是用于自定義原始數據了。

SOME/IP- SD介紹

上面我們提到Event和Field這兩類的通知都首先需要使用SOME/IP-SD(Service Discovery)來進行服務訂閱，然后才能發布通知并且服務需要由Server和Client共同完成，因此在進行正常的數據傳輸之前，需要一系列的準備工作確認Server和Client之間是否已有網絡連接。之后，Client還要詢問Server能否提供所需的服務，并對服務的Event進行訂閱。

那么Client是怎么知道Server提供哪些服務呢，就是通過SOME/IP-SD來實現服務發現過程的。SOME/IP服務發現用于定位服務實例、檢查服務是否可用以及部署發布和訂閱句柄,。服務發現只能通過UDP實現。SOME/IP-SD是一種特殊的SOME/IP格式，它對SOME/IP-SD報文中的Payload進行了定義和實現,。而Message ID字段則是固定的0xFF FF 81 00。

其主要功能就是：定位服務實例、檢測服務實例是否在運行（即服務實例的狀態）、發布/訂閱行為的管理。格式如下：

關于SOME/IP樓主就簡單介紹到這下，想詳細了解的同學可通過如下網站進行學習：Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP (SOME/IP)->/index.shtml

需要說明的是，車載以太網涉及的知識點太多了，樓主整理和介紹的是有限的，感興趣的童鞋可針對每個點再深入查閱資料。

參考文獻：

1、Ethernet introduction（BOSCH、Tektronix、Vector、CSDN等資料）

2、Ethernet introduction（BOSCH、Vector、CSDN、BMW、中國汽研等資料）