Classic Autosar下的以太网通信架构概览

前言

为了让汽车更加智能，智能网联和智能驾驶功能喷涌而出。满足这些需求，就对传统的以CAN通信为核心的电子电器架构带来严峻的考验。对网络负载，传输速率等方面都提出了更为严格的挑战。同时，随着汽车电动化进程的加速推进，人们对汽车音视频系统的需求越来越高，外部电子产品控制车辆以及彼此交互的场景不断扩大，对网络带宽也提出了更大的挑战。由此，车载以太网应运而生。以太网的首要优势在于支持多种网络介质，同时物理介质与协议无关，因此以太网可以在汽车领域做相应的调整与拓展，形成完整的车载以太网协议。本文简要介绍Classic Autosar下的以太网通信架构。

1.AUTOSAR中以太网功能架构概览

在Classic Autosar架构体系下，以太网功能业务涉及大量模块。

1）Someip业务相关的模块：Eth，Ethif，TcpIp，Soad，Pdur，SomeipXf，LdCom，rte。

2）SoemipSd业务相关的模块：Eth，EthIf，Tcpip，Soad，Sd，Bswm。

3）Doip诊断业务相关的模块：Eth，EthIf，Tcpip，Soad，Doip，Pdur，Dcm。

4）网络管理状态处理业务相关的模块：Tcpip，Ethif，Nm，ComM，UdpNM。

上述模块共同协作，完成了基于以太网的SomeIp，服务发现，网络管理，诊断四大功能。

CP以太网模块架构图

2.CP以太网模块与以太网协议

以太网是一种使用十分广泛的协议，由标准的七层架构组成，但CP中的以太网其实仅用了5层协议，那么CP以太网的模块是如何与以太网协议形成对应的呢？

车载以太网分层协议架构图

以太网第一层是物理层，既可以理解为硬件层，在MCU的软硬件系统中由Phy芯片完成。Phy芯片能对模拟信号与数字信号进行转换，接收报文时，将模拟信号转换成数字信号给MCU芯片处理；发送报文时，将数字信号转换成模拟信号发送至以太网总线上。

以太网第二层是数据链路层。链路层即Mac层，规定了数据帧能被网卡接收的条件，最常见的方式是利用利用网卡的MAC地址，发送方会在欲发送的数据帧的首部加上接收方网卡的MAC地址信息，接收方只有监听到属于自己的MAC地址信息后，才会去接收并处理该数据。在CP中，位于Mcal层的ETH模块实现了MAC功能，即对于对端与本地Mac地址的处理。

以太网第三层是网络层。每一台搭载了以太网的ECU都需要定义ip地址，主机的网络地址该如何定义，以及如何在网络地址和MAC地址之间进行映射，即ARP协议；网络层实现了数据包在ECU之间的传递。网络层的功能由tcpip模块完成。

以太网第四层是传输层。传输层主要是实现UDP以及TCP协议功能，在一个ECU内可能存在不同的应用程序，这些程序可能会使用到不同的IP地址，那么传输层就能区分数据包是属于哪个应用程序的，即传输层可以实现数据包端到端的传递，即ECU1的应用程序至ECU2的应用程序。传输层的功能由TCPIP模块完成。

Someip，Someipsd，Doip位于以太第五层应用层：Someip协议，，Someipsd协议，doip协议本质上是规定了对网络层传递的数据的处理，适应了不同的应用场景。在CP中，实际上Soad，SD，Doip，Soemipxf都是在实现应用层功能。

3.以太网架构完成的主要功能

3.1 Someip业务报文收发

Someip报文收发架构图

1）SWC通过RTE接口将数据传递至RTE中。

2）RTE通过使用SOMEIPXF的功能实现序列化，即将SWC输出的结构体数据序列化为字节流信号。

3）Ldcom模块位于RTE与PDUR之间的模块，负责将RTE中的字节流信号转换成pdu数据传递给PDUR。

4）PDUR模块作为CP中最重要的路由模块，能实现模块与模块之间的PDU路由，在SOMEIP架构中，以太网通信一定要经过Soad模块，因此PDUR实现了以太PDU数据在LDCOM与SOAD之间的路由。

5)在上述模块中，SOMEIP数据本质上还是以PDU的形式进行传递，但是以太网是以套节字（包括本地ip地址，远程ip地址，本地port，远程port，UDP/TCP协议）为基础的通信。SOAD实现了在基于PDU的AUTOSAR通信服务模块和基于SOCKET的TCP/IP堆栈之间创建一个链接。为PDU选择合适套接字进行报文的发送或者接收。

6）在Someip报文发送链路中，TCPIP模块会为以太网报文增加链路层,网络层,传输层的报文头，链路层：本地的mac地址以及对端的mac地址。网络层：本地的ip地址，对端的ip地址，传输层：本地的port，对端的port，TCP/UDP协议。

3.2 服务发现SomeipSd报文收发

SomeipSd报文收发架构图

1）对于SoemipSd服务发现报文的发送与接收，依然会用到Soad，TCPIP,EthIf，Eth模块，这些模块属于公共模块，无论是doip，sd还是someip都会用到这些模块做基础数据传输。

2）服务发现报文作为格式固定的报文数据，不需要用户自定义Payload，直接发送至SD模块进行处理，不需要通过PDUR，Ldcom等模块。

3）SD在收到SomeipSd服务发现报文之后，通过内部的协议计算，对Soad的以太网发送进行实时控制。

3.3 基于以太网的诊断报文收发

以太网诊断报文收发架构图

1）诊断仪或者作为诊断Client端的ECU发送的基于以太的诊断报文通过Switch能够转发至对应ECU中。

2）在诊断报文的收发中，Soad，TCPIP.Ethif，Eth作为公共模块，完成数据链路层以及传输层的报文接收与发送任务。

3）Doip模块基于以太网的通讯协议对UDS数据进行传输，主要实现的基于ISO13400中规定的协议功能。在Doip模块收到Soad模块的诊断报文后，会将诊断报文解析成对应指令通过PDUR传输至DCM中，DCM对该诊断指令进行处理（比如11复位指令）。注意：因为PDUR可以支持跨核信号路由，因此DCM可以与以太栈（ETH,TCPIP等）位于不同的核。

4）同时，Doip具有与SD模块一样的功能，能对Soad模块中套接字进行控制，从而达到控制doip发送开关的效果。

3.4 以太网的网络管理状态处理

以太网网络管理架构图

1）基于以太网的网络管理功能由两部分模块组成，第一部分：以太栈基础模块Soad，TcpIp，EthIf，Eth模块，这部分基本模块完成以太报文接收发送基本功能。第二部分：ComM,Nm，EthSm，UdpNm，这部分是AUTOSAR中管理栈的模块，完成通信状态的管理。

2）UdpNm网络管理模块Nm和 TcpIp之间的适配层，主要用于管理NM集群中NM节点的网络管理状态机。UdpNm模块的功能与CanNM类似，CanNm管理的是基于Can的Nm节点的网络管理状态机，而UdpNm管理的是基于UDP的Nm节点的网络管理状态机。

3）UdpNm在解析完Nm报文并且处理网络管理状态机后，将控制指令通过NM模块传输至COMM模块，最终通过EthSm模块控制TCPIP以及Ethif模块，从而达到控制以太报文收发开关的效果。

注意：

对于仅基于Can的网络管理电器架构，如果需要对以太的报文收发进行控制。需要通过Bswm或者SWC基于can的网络管理状态，向COMM模块请求对应以太网通道的网络管理状态。