1 汽车以太网产生的背景

1.1 车载电子系统的快速发展

随着汽车从机械化向电子化、智能化方向演进，车内电子控制单元（ECU）的数量迅速增长。自动驾驶、主动安全、底盘控制、智能座舱、信息娱乐系统等功能模块不断增加，使车内数据交互变得更加频繁，通信网络需要具备更高的带宽与更稳定的传输能力。

1.2 数据传输带宽需求的提升

现代车辆中广泛应用摄像头、毫米波雷达、激光雷达等多类型传感器，它们会产生大量的高频实时数据。例如，多路高清摄像头会形成数百Mbps级的数据流，传统车载总线（如CAN、LIN、FlexRay）在带宽与扩展性方面已难以满足这些需求。因此，高速数据网络成为不可避免的发展方向。

1.3 智能座舱与信息娱乐系统的演进

车载多媒体与智能交互系统正从“辅助显示”演变为“智能体验中心”。车载导航、车机互联、OTA更新、流媒体播放等功能，不仅需要较高带宽，还要求网络低时延与稳定可靠。这进一步推动车内网络体系向更高传输速率演进。

1.4 以太网技术的成熟与可用性

以太网已经在信息通信、工业控制及航空领域应用多年，具备成熟的标准体系与大规模商用经验。其核心优势包括：

• 带宽可扩展性强：从百兆、千兆到多千兆均可平滑升级

• 协议与介质灵活：可与不同传输层、应用层协议配合

• 成本可控：受益于行业规模化生产，成本逐年下降

基于这些优势，以太网逐渐成为应对车辆高带宽通信需求的主流方案。

2 汽车以太网相关标准

2.1 IEEE 以太网标准体系概述

以太网自 1980 年代发展以来，其标准的维护与扩展主要由 IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气电子工程师协会）负责。IEEE 将以太网相关标准归属于 802 工作组，因此所有以太网标准均以“IEEE 802.x” 形式命名，例如：

• IEEE 802.1：网络架构与管理

• IEEE 802.2：逻辑链路控制（LLC）

• IEEE 802.3：有线以太网物理层与 MAC 层

尽管市场中存在一些厂商特有的以太网增强技术，但为了获取更广的兼容性与商业成功，厂商通常会将这些技术提交给 IEEE，以推动其成为正式标准。

2.2 OPEN Alliance SIG 组织

随着汽车行业对以太网的应用需求不断增长，整车厂与供应链企业共同成立了 OPEN Alliance SIG（One Pair Ether-Net Alliance Special Interest Group）。

该组织的目标是：

• 促进以太网技术在汽车产业中的普及

• 制定汽车以太网相关实现规范

• 推动车规级硬件、测试工具和开发工具链的完善

• 与 IEEE 协作推动标准向汽车场景扩展

目前，OPEN Alliance SIG 下设 17 个技术委员会（TC1~TC17），分别覆盖物理层接口、EMC 要求、测试方法、OTA 更新、网络安全等不同技术方向，从而形成一套较为完整的汽车以太网技术体系。

2.3 汽车以太网核心物理层标准

在车载领域，最核心的以太网物理层标准为：

• IEEE 100BASE-T1（IEEE 802.3bw）：支持 100 Mbps，基于单对双绞线传输，可显著降低线束重量与成本，适用于车身域与传感器级通信场景。

• IEEE 1000BASE-T1（IEEE 802.3bp）：支持 1 Gbps 带宽，同样基于单对双绞线，主要应用于高带宽场景，如自动驾驶计算平台与多个高分辨率传感器的数据聚合。

两者共同的特性包括：

• 使用单对双绞线（Singe Pair Ethernet, SPE）

• 满足车规级抗电磁干扰能力（EMC）

• 支持长距离布线（十米级）

3 汽车以太网网络分层和拓扑

3.1 OSI参考模型

OSI（Open System Interconnect，开放式系统互联）七层模型是网络通信体系的基础框架。各类网络设备和协议在设计时都按照这一模型进行分层，从而保证不同设备和系统之间能够相互通信与协同工作。七层模型中每一层都对应特定的功能与职责，用以支持完整的数据传输过程。OSI参考模型各个层的基本功能见下图。

3.2 TCP/IP模型

OSI参考模型更偏向理论层面的网络分层设计，而 TCP/IP 模型则是实际网络通信中广泛采用的实现体系。在 TCP/IP 模型中，原本 OSI 模型中第 5、6、7 层的会话、表示和应用层没有再进行细分，而是统一归纳为应用层来实现。TCP/IP模型与OSI参考模型的对应关系见下图。

在某些场景中，TCP/IP 五层模型会将物理层与数据链路层合并称为 网络接口层，此时就形成了 四层结构的 TCP/IP 模型。

3.3 汽车以太网网络分层和拓扑

汽车以太网的网络架构以 TCP/IP 模型为基础。与通用以太网相比，汽车以太网在物理层进行了适配性改进（例如单对双绞线传输、车规 EMC 要求），并在应用层增加了专用于车载通信与诊断的协议栈。同时，数据链路层、网络层与传输层仍然沿用传统以太网成熟的标准体系。

简而言之，汽车以太网在 保持现有网络协议兼容性 的前提下，对底层传输形式和上层应用能力进行了工程化扩展。

3.4 汽车以太网拓扑

传统以太网能够支持多种拓扑结构，包括点对点、总线和星型结构等。现实中，主流网络系统多采用点对点链路连接到交换机形成的星型拓扑。

汽车以太网在拓扑设计上也遵循这一模式：

• 当车内只有两个节点需要通信时，直接以 点对点方式连接。

• 当节点数量较多时，则通过 车载以太网交换机 构成以交换机为中心的星型拓扑结构，实现多节点互联。

这种拓扑结构能够确保网络结构可扩展、数据转发路径清晰，同时便于分布式控制系统的层级化设计。

4 汽车以太网物理层

相比于通用以太网，汽车以太网在物理层进行了专门的适配，其中核心规范是 IEEE 100BASE-T1 和 IEEE 1000BASE-T1，分别对应 100 Mbps 和 1 Gbps 车载以太网物理层标准，用于满足车规环境下的高速、抗干扰与轻量化布线需求。

4.1 IEEE 100BASE-T1

100BASE-T1 最初来源于 Broadcom 公司提出的 OABR（Open Alliance BroadR-Reach）技术，随后由 OPEN Alliance 组织推动纳入 IEEE 标准体系，并最终被定义为 IEEE 802.3bw。该标准主要用于满足车载环境中对低线束重量、高抗干扰能力和 100 Mbps 数据传输速率的要求。

100BASE-T1 的物理层使用单对对称双绞线进行数据传输。发送端将比特流经过编码与调制，转换为差分电压形式在线缆上传输；接收端则对差分信号进行解调与解码，还原为数字比特数据。差分传输方式能够显著提升抗电磁干扰能力，适用于复杂的车载电磁环境。

由于单对双绞线只能连接两个节点，因此 100BASE-T1 本质上支持点对点拓扑结构。当需要连接多个网络节点时，通常采用车载以太网交换机作为二层转发设备。交换机可同时管理多条物理链路，并根据 MAC 地址独立地完成报文转发，从而构建以交换机为中心的星型网络结构。

下图展示了基于 100BASE-T1 的两 ECU 点对点连接示例。与传统以太网使用两对双绞线相比，汽车以太网仅需一对双绞线即可实现全双工通信，从而减少线束数量、降低成本和重量。

该物理层的一个显著特点是能够在单对双绞线上实现 100 Mbit/s 的全双工通信。这意味着两个互联节点可以同时发送和接收数据。其工作机制为：发送端将自身的数据编码后以差分电压形式加载到双绞线上；接收端在接收信号时，会从线路上的总电压中减去自身所施加的发送电压，从而得到对端发送的电压信号。该机制称为 回波消除（Echo Cancellation），在其他高速以太网系统中也有广泛应用。

为了正确进行差分信号的回波消除，双方节点必须对电压符号的起始时间保持一致，因此需要 符号流同步。在 100BASE-T1 中，通常采用主从结构来实现同步：主节点持续输出稳定的符号流，而从节点根据主节点的信号完成同步。微控制器的底层驱动软件会根据网络架构需求，将 PHY 配置为主节点或从节点。

在信号编码方面，IEEE 100BASE-T1 使用 4B3B、3B2T 和 PAM3 等编码与调制方法来将数字比特序列转换为可在双绞线上传输的电压符号。这些功能均由 100BASE-T1 PHY 芯片实现，PHY 位于 MAC 控制器和物理传输介质之间，负责完成比特流的编码、调制、同步、解调与恢复等工作。

4.2 物理层的物理连接

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC和PHY两部分组成，如下图所示：

• MAC：Media Access Control，媒体访问控制，MAC工作在OSI参考模型的数据链路层。

• PHY：Physical Layer，物理层，PHY工作在OSI参考模型的物理层。

MAC和PHY之间通过两个接口连接，分别为MII接口和SMI接口。

MII（Media Independent Interface，媒体独立接口）是连接以太网 MAC 和 PHY 的标准接口。MAC 侧通过 MII 将数据帧发送给 PHY，PHY 再将其转换为物理层信号并传输到网络中；反之，外部节点发送的数据也会先被 PHY 解调，再交由 MAC 处理。MII 由 IEEE 802.3 标准定义，可支持 10 Mb/s 与 100 Mb/s 的传输速率，数据传输位宽为 4 bit。“媒体独立”意味着在不改变 MAC 设计的前提下，可以灵活选用不同类型的 PHY 芯片。依据协议规范，一个 MAC 最多可管理 32 个 PHY 设备。

SMI（Serial Management Interface，串行管理接口）用于 MAC 对 PHY 的寄存器访问和管理配置。SMI 由两条信号线构成：

• MDC：由 MAC 输出的管理时钟信号；

• MDIO：双向数据线，用于发送控制指令及读取 PHY 状态。

PHY 的寄存器读写均以 MDC 上升沿为准同步进行。

总体来看，以太网接口的核心是在 MAC 与 PHY 之间通过 MII 进行数据交互，并通过 SMI 完成控制和管理。典型的 MII 连接需要 16 条信号线，其中 CRS 与 COL 信号仅用于半双工模式。在汽车以太网中，链路固定工作在全双工模式，因此不需要 CRS 和 COL，从而将连接线数量减少为 14 条。

MII接口有很多衍生版本，比如RMII，GMII，RGMII等。RMII是精简版本的MII，数据发送与接收均减为两根线，删除了TX_ERR信号，合并了CLK_TX与CLK_RX信号，因此RMII只需要使用8根线。GMII是支持1000Mb/s速率的MII，RGMII是支持1000Mb/s速率的RMII。

CPU、MAC、PHY三个部分可以是三个独立的芯片，也可以全部集成在同一个芯片中。在通信行业中，最常见的组合方式是CPU与MAC集成在一个芯片中，PHY位于一个独立的芯片中，MAC与PHY之间通过MII或者RMII接口互联。

4.3 IEEE 100BASE-TX

IEEE 100BASE-TX并不属于汽车以太网的范畴而是传统以太网，但是汽车上使用IEEE 100BASE-TX要早于IEEE 100BASE-T1。目前，IEEE 100BASE-TX主要用于故障诊断即DoIP。

对于物理连接，IEEE 100BASE-TX通常需要两个通道（channel），每个通道有两条双绞线。尽管某些以太网可以使用单通道进行通信，但实际上这种情况很少发生，因为这些网络仅支持单工或半双工。

双绞线传输对称差分电压，用于表示编码符号。发送方基于所需的位流对符号进行编码。接收方对符号流解码，从而复原发送的位。与IEEE 100BASE-T1不同，IEEE 100BASE-TX通过使用NRZI、4B5B和MLT-3方法进行编码和解码以及生成差分电压。这些方法由IEEE 100BASE-TX PHY实现，集成在ECU的一个特定模块中。PHY在物理介质和以太网控制器之间建立连接。

标准Cat5或Cat5e电缆通常用于IEEE 100BASE-TX。在八条可用线缆中，需要使用四条线缆连接两个通道。EIA/TIA-568A和EIA/TIA-568B标准定义双绞线的分配，以及常用的RJ45接器和插座的引脚分配。

4.4 IEEE 1000BASE-T1

IEEE 1000BASE-T1（IEEE 802.3bp）是在 100BASE-T1 的技术基础上，通过提升信号带宽与编码调制方案实现 1 Gb/s 传输速率的车载以太网标准。其核心特点包括：

1. 单对双绞线全双工通信

   仍采用与 100BASE-T1 相同的单对屏蔽双绞线（STP），实现同时收发数据的全双工通信，以减少车内线束重量并降低成本。

2. 面向车载高速数据需求设计

   相较 100BASE-T1 的 100 Mb/s，1000BASE-T1 提供更高带宽，用于摄像头、域控制器、传感器 Fusion 等高数据量链路。

3. 与常规以太网接口不直接兼容

   传统 PC 等设备使用的是四对双绞线（RJ45，1000BASE-T），因此在研发或诊断场景中，需要使用媒体转换器（Media Converter）将电脑与车载 1000BASE-T1 网络互联。

5 汽车以太网帧结构

数据链路层规范了以太网帧结构，IEEE规范定义了不同格式的以太网帧：Ethernet II帧与IEEE-802.3帧。汽车行业通常使用Ethernet II帧，包含可以标志VLAN的扩展信息。因此，可以把以太网帧划分为基本MAC帧（不含VLAN）和标识MAC帧（包含VLAN）。

• MAC地址：Ethernet II帧通常以接收方/目的地址开头，指定哪些网络节点将接收这帧报文。与发送方/源地址只能使用单播地址不同，接收方/目的地址还可以使用组播或广播地址。对于以太网帧来说，只能有一个发送方，但可以有多个接收方。

• 以太网类型：基本MAC帧和标识MAC帧通过类型字段（以太网类型）进行区分。类型字段通常会标识有效负载数据区域中所包含的数据包（packet），并提供关于更高层（如IPv4）中使用的协议的信息。如果以太网类型的值为0x8100，那么类型字段将向后移动四个字节，并在其原始位置插入一个VLAN标签。

• VLAN标签：VLAN标签由协议标识符（TPID）和控制信息（TCI）组成。TPID包含原始类型字段的值，而TCI由优先级（PCP）、丢弃资格指示符或规范格式指示符（DEI或CFI）和VLAN标识符（VID）组成。标识符和优先级主要应用于汽车行业。标识符为不同的应用领域划分各自的虚拟网络。优先级的设定使得交换机可以通过优先转发重要信息来优化运行时间。

• 有效负载：在字段类型之后，是Ethernet II帧包含的有效负载数据区域。有效负载的最小长度为46个字节（不含VLAN标签）或42个字节（含VLAN标签）。在汽车行业中，有效负载一般最多可包含1500个字节。

• CRC校验和：CRC校验和在Ethernet II帧的末尾。标准算法用于计算校验和，且该算法在发送方和接收方中以相同的方式实现。CRC校验和覆盖以太网II帧所有字段，因此可以确保整个报文的完整性。

为了传输Ethernet II帧，以太网控制器在开始时会插入一个前导码和一个起始帧界定符（SFD），旧的以太网标准以此做为传输开始的标识。所以以太网数据包包括：前导码、起始帧定界符和以太网II帧，如下图所示。

6 网络层与传输层

汽车以太网在网络层与传输层上遵循传统 TCP/IP 协议栈，与计算机网络保持一致性。这种设计使得整车电子架构可以直接复用成熟的网络通信技术，并降低系统集成复杂度。

6.1 网络层（Network Layer）

网络层的主要功能是实现不同节点之间的逻辑寻址与路由转发。

汽车以太网中，网络层通常采用 IPv4 协议。

6.1.1 IP 地址与寻址机制

• IPv4 地址采用 32 bit 表示，用于唯一标识车内的各个 ECU 节点。

• 汽车以太网内部一般为封闭网络，因此地址规划多由整车厂或 Tier1 通过 DHCP 或静态方式进行分配。

6.1.2 路由与域通信

• 在集中式或域控架构中，不同功能域之间的报文需要进行转发，可由以太网交换机或路由器完成路径选择。

• 网络分区通常与整车电子电气架构对应，如感知域、执行域、座舱域等。

6.1.3 诊断通信与网络管理支持

• 诊断协议 UDS on IP（ISO 14229-5）依赖 IPv4 在车内实现跨 ECU 通信与寻址控制。

• 网络层还需与车内时间同步协议（如 gPTP，IEEE 802.1AS）共同保障时序一致性。

6.2 传输层（Transport Layer）

传输层用于在通信端点之间建立传输会话，并提供不同级别的数据传输可靠性。

汽车以太网中主要使用 TCP 与 UDP 两种传输协议。

6.2.1 TCP（Transmission Control Protocol）

• 面向连接，提供可靠传输，支持乱序重传、滑动窗口、拥塞控制。

• 适用于诊断、OTA、配置同步、状态管理等需要完整性保证的场景。

示例：ECU 软件升级 / 标定数据下载多数基于 TCP

6.2.2 UDP（User Datagram Protocol）

• 无连接，不做重传控制，时延低，抖动小。

• 面向实时性通信，适用于传感器数据流、控制报文传输、融合数据共享等。

示例：摄像头视频流、雷达点云、车身控制信号多采用 UDP

6.3 在汽车系统架构中的协同关系

• 网络层负责地址与路径

• 传输层负责端到端通信可靠性与时延特性

• 高层协议（如 SOME/IP、DDS）在此基础上实现服务发现与数据发布订阅机制

因此，网络层与传输层是车载以太网通信的基础保障层，决定了系统的数据可达性与实时性。

7 以太网数据传输过程

汽车以太网的数据传输过程可以分为发送端封装与接收端解封装两部分。发送端的数据从应用层逐层向下封装，最终通过物理层以比特流形式发送；接收端则按相反顺序逐层解封装，恢复到应用层数据。

如下图，为发送端A向接收端B传输数据：

7.1 发送端数据封装过程

7.1.1 应用层

• 产生待传输的数据，例如传感器信息、控制报文或多媒体数据。

• 将数据交给传输层处理。

7.1.2 传输层（TCP/UDP）

• 为数据添加传输层头部（TCP头或UDP头）。

• TCP头主要包括源端口和目标端口信息，用于端到端可靠传输。

• UDP头也包含源端口和目标端口，但不保证可靠性。

7.1.3 网络层（IP）

• 为数据段添加IP头，形成数据包。

• IP头主要包括源 IP 和目标 IP，用于逻辑寻址和路由选择。

7.1.4 数据链路层（MAC）

• 为数据包添加MAC头，形成数据帧。

• MAC头包含源 MAC 地址和目标 MAC 地址，用于局域网内节点识别。

• 添加 LLC头（Type Field） 和 FCS 帧校验序列（CRC），用于类型识别与数据完整性校验。

7.1.5 物理层

• 将完整的数据帧转换为 比特流（电压信号或光信号）发送到物理介质上，传输到接收端。

7.2 接收端数据解封装过程

7.2.1 物理层

• 接收来自物理介质的比特流，并恢复为数据帧交给数据链路层。

7.2.2 数据链路层

• 校验 FCS，检查数据完整性。

• 移除 MAC 头和 LLC 头，将数据包交给网络层。

7.2.3 网络层

• 移除 IP 头，提取数据段，并进行源/目标地址验证。

• 将数据段交给传输层。

7.2.4 传输层

• 根据端口号判断目标应用进程。

• 移除 TCP/UDP 头，将有效负载数据交给应用层。

7.2.5 应用层

• 恢复原始数据，供目标应用程序使用。

解封装过程与封装过程相反，数据从物理层向上层流动，最终经过层层解封，到达对应的应用程序。

8 汽车以太网应用层

汽车以太网在沿用传统以太网协议的基础上，对 应用层进行了扩展，以满足车载通信的实时性、诊断和服务发现等需求。下图展示了一个较为完整的汽车以太网协议架构：

• 白底区域：沿用传统以太网协议，包括 TCP/IP、UDP/IP 等基础通信协议。

• 黄底区域：汽车以太网特有协议，主要分布在应用层，用于车载特定功能。

在应用层，汽车以太网特有协议包括：

1. UDP-NM：用于网络管理和节点唤醒。

2. XCP（Universal Measurement and Calibration Protocol）：用于 ECU 标定和测量数据传输。

3. DoIP（Diagnostics over IP）：通过 IP 进行车辆诊断通信。

4. SOME/IP（Scalable service-Oriented Middleware over IP）：实现车载服务发现、消息发布/订阅和远程过程调用。

通过图示，可以直观区分传统以太网协议与汽车以太网扩展协议的层次关系与作用范围。