车载以太网测试-4车载以太网如何进行通信的？

1 摘要

车载以太网的数据传输与接收遵循分层网络架构（如OSI模型或TCP/IP模型），从应用层到物理层需要逐层封装与解封装。本文将对车载以太网的数据传输流程进行介绍。

2 以太网通信过程（封装与解封装）

2.1 发送端流程（数据封装与传输）

数据从应用层向下逐层封装，最终通过物理介质传输。

步骤1：应用层生成数据

• 功能：生成具体业务数据（如DoIP诊断请求、SOME/IP服务消息）。
• 协议：DoIP（ISO 13400）、SOME/IP（Adaptive AUTOSAR）、HTTP（OTA更新）等。
• 数据格式：
  • DoIP示例：

    Header: 01 FE 80 01 00 00 00 06  
    Payload: 0E80 1001 1002
    

如下图：

步骤2：传输层封装（TCP/UDP）

• 功能：提供端到端通信控制（如可靠传输、端口寻址）。
• 协议：TCP（可靠传输）或UDP（广播/低延迟）。
• 封装动作：
  • 添加TCP/UDP头部：
    • 源端口（2字节）
    • 目的端口（2字节）
    • 校验和（2字节，可选）
    • TCP特有字段：序列号、确认号、窗口大小等。

如下图：

步骤3：网络层封装（IPv4/IPv6）

• 功能：实现跨子网的路由与寻址。
• 协议：IPv4/IPv6（车载常用IPv4，如1000BASE-T1）。
• 封装动作：
  • 添加IP头部（20字节）：
    • 源IP地址（4字节）
    • 目的IP地址（4字节）
    • TTL（1字节，生存时间）
    • 协议类型（1字节，如0x06表示TCP，0x11表示UDP）。
      如下图：

步骤4：数据链路层封装（以太网帧）

• 功能：MAC地址寻址、帧校验。
• 协议：Ethernet II（车载以太网常用）或IEEE 802.3（带VLAN标签）。
• 封装动作：
  • 添加以太网头部（14字节）：
    • 目的MAC地址（6字节）
    • 源MAC地址（6字节）
    • 类型/长度（2字节，如0x0800表示IPv4）。
  • 可选VLAN标签（4字节，用于优先级划分）。
  • 添加FCS（帧校验序列）（4字节，CRC校验）。

如下图：

步骤5：物理层传输（电信号转换）

• 功能：将比特流转换为电信号/光信号。
• 标准：
  • 100BASE-T1：单对双绞线，100Mbps（车载主流）。
  • 1000BASE-T1：千兆车载以太网。
• 封装动作：
  • 添加前导码（7字节，用于同步）。
  • 添加帧起始定界符（1字节，0xD5）。
  • 将数据转换为曼彻斯特编码或PAM3调制（根据物理层标准）。

2.2 接收端流程（数据解封装与处理）

接收端从物理层向上逐层剥离头部，恢复原始数据。

步骤1：物理层接收与信号解码

• 动作：
  • 检测信号并解码为比特流。
  • 移除前导码和帧起始定界符。
  • 通过FCS校验数据完整性，丢弃错误帧。

步骤2：数据链路层处理

• 动作：
  • 解析以太网头部，检查目的MAC地址是否匹配。
  • 剥离以太网头部和FCS字段。
  • 根据类型字段（如0x0800）将数据传递给网络层。

如下图：

步骤3：网络层路由与解封装

• 动作：
  • 解析IP头部，检查目的IP地址是否为本机。
  • 剥离IP头部，根据协议类型（如TCP/UDP）将数据传递给传输层。

如下图：

步骤4：传输层处理

• 动作：
  • 解析TCP/UDP头部，检查端口号（如DoIP默认端口13400）。
  • 剥离传输层头部，将数据传递给对应应用层协议。

如下图：

步骤5：应用层数据交付

• 动作：
  • 解析应用层协议（如DoIP报文）。
  • 执行业务逻辑（如处理诊断请求、更新车辆配置）。

如下图：

2.3 车载以太网封装示例（DoIP诊断报文）

假设发送一个DoIP诊断请求到ECU
完整封装流程如下：

层级	封装内容
应用层	01 FE 80 01 00 00 00 06 0E80 1001 1002（DoIP头部+Payload）
传输层	添加TCP头部（源端口: 5000，目的端口: 13400）
网络层	添加IP头部（源IP: 192.168.1.100，目的IP: 192.168.1.200）
数据链路层	添加以太网头部（目的MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E，源MAC: 00:0C:29:AA:BB:CC） + FCS
物理层	添加前导码和帧起始定界符，转换为电信号发送。

完整解封装流程如下：

层级	关键字段解析	处理动作
物理层	移除前导码/SFD，校验FCS	传递至数据链路层
数据链路层	目的MAC=00:1A:2B:3C:4D:5E，类型=0x0800（IPv4）	剥离以太网头部，传递至网络层
网络层	目的IP=192.168.1.200，协议=0x06（TCP）	剥离IP头部，传递至传输层
传输层	目的端口=13400（DoIP）	剥离TCP头部，传递至应用层
应用层	DoIP负载类型=0x8001（诊断消息），数据=10 02（UDS会话控制）	执行诊断服务

3 总结

车载以太网的通信过程是一个逐层封装和解封装的过程：应用层生成数据、传输层添加端口信息、网络层添加IP地址、数据链路层添加MAC地址并封装为帧、物理层将帧转换为信号并传输。在接收端，数据会从物理层到应用层逐层解封装，最终交付给目标应用程序。这种分层结构确保了车载以太网的高效性、可靠性和可扩展性。如下图：