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以太网通信

news 2025/10/13 6:42:34

1. 缩略词

  • OSI模型：Open System Interconnection Reference Model（开放系统互联参考模型），国际标准化组织提出的概念模型，定义于ISO/IEC 7498-1标准，旨在为全球计算机互联提供标准框架。
  • TCP/IP协议簇：包含传输控制协议（TCP）和网际协议（IP），斜杠表示协议组合关系；支持跨网络信息传输，包含ICMP、ARP等子协议。
  • ETH控制器：在AUTOSAR标准中具有双重含义，既指以太网通信本身，也代表MCAL层的物理控制器硬件。
  • ETHIF模块：BSW层标准化接口，对底层ETH控制器功能进行抽象化处理，实现驱动与上层模块的解耦。
  • TCPIP模块：需与TCP/IP协议簇区分，特指BSW层实现TCP/IP协议簇功能的标准化软件模块。
  • 套接字机制：实现网络主机间进程通信的端点抽象，是跨设备应用层通信的基础设施。
  • SOAD转换器：Socket Adapter（套接字适配器），完成以太网报文与AUTOSAR IPDU格式的双向转换，位于BSW层协议栈关键位置。

2. 理解车载以太网通信

（1）物理层标准

  • 速率标识：IEEE标准中“100/1000”表示传输速率，如100BASE-T1代表100Mbps单对双绞线方案，1000BASE-T1代表1000Mbps单对双绞线方案。
  • 线缆配置：车载常用单对双绞线全双工方案（T1标准），相比消费级4对双绞线（TX标准）更节省空间和重量，适配车载紧凑环境。
  • 连接器类型：RJ45接口在消费领域通用，车载环境多采用专用连接器（如HSD连接器），满足抗振动、耐高温等车载要求。

（2）协议栈架构

  • MAC控制器：实现数据链路层功能，支持MII/RMII等接口标准，与PHY芯片协同完成数据帧的封装与收发。
  • PHY芯片选型：决定物理层具体实现（如100BASE-T1或1000BASE-T1），需根据ECU的通信速率、成本需求选择适配芯片。
  • 应用层重点：在AUTOSAR中需特别关注车载特有协议配置，如AVTP（音频视频传输协议）、DOIP（诊断通信-over-IP）等。

3. Autosar对于OSI模型的实现

（1）学习Autosar对OSI模型实现的原因

  • 配置指导价值：通过分层模型理清复杂网络配置逻辑，尤其是以太网通信涉及的多模块协作关系（如ETH、ETHIF、TCPIP、SOAD）。
  • 概念区分需求：不同总线技术（CAN/LIN/ETH）在AUTOSAR中的实现差异显著，需建立清晰的分层认知框架，避免模块功能混淆。

（2）OSI模型概述

在这里插入图片描述

  • 标准分层：从下至上依次为物理层（PHY）、数据链路层（MAC）、网络层（IP）、传输层（TCP/UDP）、会话层、表示层、应用层。
  • 实现特点：实际应用中可能出现层次合并或简化，如AUTOSAR将会话层（5层）、表示层（6层）、应用层（7层）统一视为“应用层”处理，简化配置逻辑。

（3）Autosar架构下不同网络通信对七层模型的实现

网络类型OSI七层模型实现特点核心差异
以太网通信完整实现7层模型，协议栈结构最复杂具备网络层（IP），支持子网划分、端到端通信
CAN通信缺失网络层（无IP概念），通过CAN TP模块衔接传输层与数据链路层协议栈简化，实时性强，适合控制指令传输
LIN通信仅处理物理层和数据链路层，协议栈最简化无传输层以上逻辑，仅支持单主多从的简单通信

（4）以太网通信模块对OSI七层模型的实现

  • 硬件实现层（1-2层）：
    • 物理层（Layer1）：由PHY芯片实现物理信号转换（如电信号与数字信号的互转）。
    • 数据链路层（Layer2）：MAC控制器处理数据帧收发，ETHIF模块提供标准化接口，解耦MAC硬件与上层软件。
  • 软件协议栈（3-7层）：
    • 网络层-传输层（Layer3-4）：TCPIP模块实现IP路由（Layer3）和传输控制（TCP/UDP，Layer4）。
    • 应用层衔接（Layer5-7）：SOAD模块完成应用层IPDU与网络层报文格式的转换，实现“信号-以太网帧”的适配。

（5）CAN通信对OSI模型的实现及与以太网通信的对比

① CAN协议栈特点
  • 物理层（Layer1）：通过CAN控制器和收发器硬件实现总线电平信号的收发。
  • 传输层（Layer4）：CAN TP模块提供类似TCP的分包重组功能，解决CAN帧8字节长度限制。
  • 应用层（Layer7）：直接通过COM模块与RTE交互，省略网络层（无IP地址管理）。
② 复杂度与功能对比
对比维度以太网通信CAN通信
功能优势支持子网划分、端到端连接、大带宽传输实时性更好，协议栈简单可靠，成本低
适用场景多媒体数据（音频/视频）、诊断数据（DOIP）控制指令（发动机、底盘控制）
协议栈复杂度高（7层完整实现）低（简化为3层）

4. AutoSAR架构下的ETH通信

（1）以太网的系统描述

① 建立以太网的系统描述
  • 核心要素：需明确signals（信号）、pdu（协议数据单元）、frame（以太网帧）、network（以太网网络）四个元素及其映射关系。
  • 实现方式：通过AR Explorer打开工程，使用System Editor查看和建立系统描述，最终将所有映射关系挂载在目标ECU下。
② 信号与PDU配置
  • 信号参数：必须明确signal的起始位置、长度（如32位对应标准int32类型）和数据类型，双击signal可通过对话框手动配置。
  • PDU建立：用于ECU间信号交互的PDU称为“I symbol PDU”，命名建议以“IC”为前缀（标识ECU间通信），需建立信号与PDU的引用关系。
③ 以太网帧与网络映射
  • 帧创建：若无“Ethernet Frame”文件夹，可右键新建；单个frame最大长度可设为MTU值（示例为1024字节），需与PDU、signal关联。
  • 网络映射：选择“Signal Communication”类型，因以太网支持SOME/IP协议，需选择“面向信号的通信方式”；验证时需在ECU下看到以太网控制器接收的两个以太网帧。
④ 系统描述的补充说明
  • 配置参考：具体配置可参考第五章的系统配置内容，以太网系统描述使用ARXML文件（无专用数据库，区别于CAN的DBC文件）。
  • 其他建立方式：通过AR Explorer的“收印”功能查看，系统描述存储在“dbc_system_description.arxml”文件中，可使用Autosar Example Editor编辑。
⑤ 以太网BSW模块配置特点
  • 自动生成限制：工具自动BSW生成器功能不完善，无法生成以太网相关模块，需手动配置。
  • 注意事项：点击“自动配置”不会得到有效结果，需逐一手动配置ETH、ETHIF、TCPIP、SOAD等模块。

（2）配置ETH模块（MCAL层）

① 以太网通信模块概览
  • 模块位置：与以太网通信相关的核心模块均在Com Stack中，包括基础模块（Eth、EthIf、Eth State Manager、SOAD、TCPIP）和辅助模块（Memory Stack、Mode Management Service，相关度较低）；应用层模块DoIP本章暂不关注。
② ETH模块的配置项
  • 配置分类：
    • General配置项：描述以太网驱动器的主要属性（如功能开关、错误处理机制）。
    • Config Set配置项：实际ECU配置的核心，重点为“EthCtrlConfig”文件夹（包含ECU Controller实例配置）。
③ 关键参数配置
  • 速率与地址：MAC层速率可选择10M/100M，需配置物理地址（Find Address）和发送Buffer Length（缓冲区大小）。
  • 数据流：数据流向为“Eth Controller → EthIf → TCP/IP → SoAD → PDU Router → COM”，可通过PDU Trace View窗口查看BSW层级的模块引用关系。
④ Internet Controller配置
  • 核心配置项：短名（控制器标识）、MAC接口类型（如MII/RMII）、数据处理方式（中断/轮询）、MAC层速率、物理地址、TX Buffer设置。

（3）配置EthIf模块（BSW层）

① 模块配置结构
  • 配置分类：
    • General配置项：模块宏观功能裁剪（如是否启用帧过滤）、主函数周期声明。
    • Config Set配置项：实际功能配置重点，需关联底层ETH模块与上层TCPIP模块。
② Config Set配置详解
  • 控制器引用：声明使用的Eth模块中配置的Controller，建立Eth与EthIf的硬件关联。
  • Frame配置：配置EthIf Frame的Type（参考Quick Info说明），声明Rx Indication的Reference，将Rx指示函数配置为“TCP/IP Rx Indication”（上层模块为TCPIP）。
③ 其他相关模块说明
  • ED Net State Manager：与CAN和以太网的模式管理相关，后续章节讲解。
  • Internet Transceiver模块：位于MCAL层，管理ED Net的Transceiver，需结合具体芯片的Transceiver型号配置。

（4）配置TCPIP模块（BSW层，Layer3-4实现）

① 模块概述
  • 实现基础：TCPIP模块是AUTOSAR对OSI模型中网络层-传输层的实现，需先掌握以太网网络层知识和TCP/IP协议栈子协议（ARP、ICMP、DHCP）概念，结合BSW帮助文档学习。
② General配置
  • 配置范围：包含模块宏观配置（如错误处理）和TCP/IP协议v4/v6版本的通用配置，需同时关注IPv4和IPv6（按需启用）。
  • 协议开关：包含DHCP（动态获取IP）和ICMP（网络测试，如ping命令），建议开启ICMP便于后续调试。
③ Config配置选项（共9个子项）
  • TCP IP Controls：配置TCPv4/v6协议参数、ARP协议使能、ICMP TTL（生存时间），需引用Ethernet Interface中配置的Controller。
  • ARP协议配置：用于获取其他ECU的MAC地址，实现点对点通信，必须配置（ARP表超时时间、最大表项数量）。
  • IP配置：支持静态IP（推荐，需配置IP地址、网关、子网掩码）或动态IP（结合DHCP，适用于灵活组网）。
  • DHCP配置：启用后可分配IP地址，作为网络参与者的ECU通常无需配置（仅网关需启用）。
  • ICMP配置：参数需参考工具生成的RBA前缀模块，可参考示例填写（如TTL设为100跳）。
  • Socket Owner配置：声明上层模块与TCP/IP的连接，AUTOSAR中通常配置为SOAD模块。
  • TCP/UDP配置：TCP需配置三次握手/挥手机制的时间参数；UDP更简单，重点关注最大TTL参数（不保证可靠性，错误/丢失不处理）。
④ 与NV模块交互
  • 功能说明：用于存储需持久化的网络信息（如静态IP），示例中暂不使用。

（5）配置Socket Adapter（SOAD）模块

① 模块关联与配置原则
  • 上层模块声明：明确使用SOAD的上层模块（如PDUR），建立模块依赖关系；通信需使用PDUR协议，需在此声明PDUR。
  • 配置参考：可参考示例工程导入查看，重点关注“SO AD Config”文件夹。
② SO AD Config配置
  • 路由声明：配置“SO AD PDU路由”，声明SOAD为哪些上层IPDU建立socket连接。
  • 收发处理差异：
    • 发送处理：“so a dp du wrote”文件夹处理SOAD需转换为socket连接的PDU。
    • 接收处理：“so ad socket route”文件夹决定哪些socket需转换为IPDU。
  • 模块关系：SOAD对上承接PDUR，对下与TCPIP建立引用。
③ Socket Connection配置
  • 新建路由：在“so ad socket route”下新建路由，命名建议如“udp.rx_0”（标识UDP接收）；暂未建立socket connection时无法完成引用，需后续补充。
  • 参数设置：rx user设为PDUR，type选择if层，reference指向“udp rx”（SOAD需将socket内容复制给该IPDU）。
  • 远程连接配置：配置远程端口（如6700，选择不常用端口）、目标主机IP（如192.168.1.61）、协议（UDP）；“so ad socket udp listen only”设为FALSE（不仅监听），检查group ID等必要项。

（6）配置IPDU、信号与COM模块

① 工程准备与PDU建立
  • 环境准备：关闭已打开的控制器，进入VCU Starter工程，先建立IPDU（通信基础）。
  • PDU配置：使用UDP协议，长度统一设为1024字节（与系统信息一致），命名含方向标识（如“com_to_pdu”“pdu_to_soAD_rx”），需明确传输方向（接收/发送）。
② COM模块配置
  • 信号创建：展开COM模块→Com Config，新建signal（位置设为0，类型选standard int32）。
  • 信号映射：使用“on map signal”功能，将COM层signal与系统描述中的signal关联，选择“i_signal_to_ipdu_mapping_udp”。
  • IPDU配置：配置为接收型UDP，处理方式设为“立即处理”，用途选“normal”（网络通信）；与ECUC中建立的IPDU关联，引用“com_to_pdu”模块并加入rx组，将signal绑定到PDU后保存。

（7）配置PDUR模块

① 基础配置
  • 路由表建立：进入PDUR模块，首先建立路由表（后续配置的前提），明确数据传输路径。
② 数据流向配置
  • 接收数据搬运：需将SOAD模块的数据搬运到COM模块，destination PDU选择COM模块对应项，source PDU选择“pdur_to_soad”。
  • 引用确认：检查配置的引用关系是否正确，完成ECUC、COM、PDUR的基础配置。

（8）SOAD模块与ARXML文件创建

  • 模块创建：在Com Stack下新建SOAD模块，工具弹出配置存储位置选项，单击“finish”后可在Filesystem中查看。
  • 文件编辑：回到ECU Navigator，双击打开BSW Editor编辑SOAD模块配置。

（9）模块关联与配置总结

① 配置流程
  • 示例配置为UDP接收报文，完整流程：系统描述建立→ETH（MCAL）→ETHIF→TCPIP→SOAD→PDUR→COM。
  • SOAD模块重点：区分收发配置（接收配socket route，发送配pdu wrote）；TCPIP模块需结合实际场景（静态IP/动态IP、TCP/UDP）；硬件关联需参考MCAL层文档和芯片Data Sheet。
② 关键注意事项
  • 以太网通信需额外配置网络层（TCPIP）和SOAD模块，区别于CAN/LIN；各模块间的引用关系需逐一确认，避免“声明未引用”错误。

（10）其他模块配置补充

① EitherIf模块配置
  • 模块创建：创建EitherIf模块，进入一对一服务配置界面；先检查General选项的必要配置（如主函数周期）。
  • Frame Owner配置：frame type通常填1，rx indication配置为“tc pr PR x indication”，internet模块和phi controller因未配置ED Net暂不处理。
  • 硬件参数：m dio时钟配置选20（按需调整），示例工程简化配置，实际需结合硬件场景。
② ETH模块配置细节
  • General选项：hcl配置用20微秒，暂关模块诊断和相关API；number填0，index填0，main function period选1毫秒，最大controls supported选5。
  • Config Set选项：接口类型按实际配置（示例用s2k148控制器）；MAC地址复用已配置内容，发送buffer lens设1550，最大buffer设1536，fifo数量1、ID 0。
③ 模块关联配置
  • 引用设置：mtu选1536，不使用VLAN；引用either iff controller 0。
  • 函数配置：配置rx main function，引用ETH模块中配置的fifo ingress。

5. 车载以太网与OSI模型

（1）车载以太网特性

  • 网络层差异：相比CAN/LIN通信，以太网多出网络层（Layer3），涉及IP地址分配、路由选择等协议栈内容，配置复杂度更高。
  • 协议栈特点：网络层实现需理解TCP/IP协议簇工作原理，如ARP（MAC-IP映射）、ICMP（网络测试）、DHCP（动态IP）。

（2）分层配置方法论

  • 配置原则：严格遵循OSI七层模型，重点关注物理层（PHY选型）、数据链路层（MAC配置）、网络层（IP/TCP/UDP）的参数匹配。
  • 类比学习法：对比LIN通信（无网络层），明确以太网各层功能边界（如SOAD衔接应用层与网络层）。
  • 思维整理技巧：绘制OSI模型框架思维导图，填充各层对应的AUTOSAR模块（如Layer3对应TCPIP模块），梳理配置逻辑。

（3）协议栈实践要点

  • 学习重点：掌握TCP三次握手、滑动窗口等可靠传输机制，是网络层配置的核心。
  • 调试技巧：用Wireshark抓包时，观察各层头部信息（如IP头部、TCP头部），验证配置是否生效。
  • 典型配置：VLAN划分、QoS优先级设置需对应到OSI特定层级（VLAN在Layer2，QoS在Layer3-4）。

二、知识小结

知识点核心内容考试重点/易混淆点难度系数
AutoSAR架构下的以太网通信讲解ETH、EthIf、TCP/IP、SoAd等模块的配置方法，实现以太网信号收发区分“TCP/IP协议簇”与“TCPIP模块”（前者是协议，后者是BSW软件模块）⭐⭐⭐⭐
OSI七层模型详解OSI七层结构及在AutoSAR中的实现，对比CAN/LIN/以太网的分层差异理解各层在不同总线中的简化/完整实现（如CAN缺失网络层）⭐⭐⭐
以太网物理层标准解释100BASE-T1、1000BASE-T1等标准，区分速率（100M/1000M）与接口类型（T1/TX）车载T1标准与消费TX标准的线缆/连接器差异⭐⭐⭐⭐
TCP/IP协议栈讲解AutoSAR中TCP/IP协议栈配置，含ARP、ICMP、DHCP等子协议静态IP与动态IP（DHCP）的配置差异及适用场景⭐⭐⭐⭐⭐
SoAd模块配置介绍Socket Adapter如何实现IPDU与以太网帧的转换，区分收发配置逻辑接收（socket route）与发送（pdu wrote）的不同处理方式⭐⭐⭐⭐
以太网与CAN/LIN通信对比比较三种总线在AutoSAR中的实现差异，分析功能与适用场景以太网网络层带来的复杂度提升及功能优势⭐⭐⭐⭐
AutoSAR工具链操作演示AR工具配置以太网系统描述的步骤，讲解ARXML文件的导入导出系统描述中“signal-pdu-frame-network”的映射关系建立⭐⭐⭐⭐
车载以太网特点分析车载以太网的特殊要求（抗振动、耐高温），讲解MAC地址与PHY选型车载专用连接器（如HSD）与消费级RJ45的区别⭐⭐⭐
以太网报文处理流程解析从ASW层（SWC）到物理层（PHY）的数据流向，梳理模块间接口关系各模块（ETH→EthIf→TCPIP→SOAD→PDUR→COM）的数据流衔接⭐⭐⭐⭐⭐
配置实例演示通过UDP报文接收实例，讲解各模块引用关系的建立方法TCPIP模块中ARP配置与IP地址的关联逻辑⭐⭐⭐⭐⭐
http://www.dtcms.com/a/473609.html

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