车载以太网协议的基本面貌2

MAC帧格式

对于MAC帧格式则是从“目标物理地址”开始至“帧校验”结束为一完整的MAC帧。如下图4所示为MAC的完整帧，包括目标物理地址，源物理地址，类型/长度，数据以及帧校验CRC组成。

图4 MAC完整帧格式特别地，如图中4所示，“ VLAN Tag” 字段可选，当没有VLAN Flag则为Basic MAC帧，当存在该字段时，则为VLAN MAC帧，即MAC帧可分为基本MAC帧(无VLAN)和标记MAC帧(包括VLAN)两种。

其中“ 类型 ”字段通常可以为以下几种类型，且该类型列表由IEEE组织来维护，如下表3所示列举了车载以太网领域常用的Ethernet Type：

表3 车载以太网常用类型MAC寻址方式

MAC地址作为每个以太网接口的固定地址，一般由供应商出厂就固定下来不可更改。地址长度为 6Byte ，例如00-17-4F-08-78-88，其中前3个字节为组织编号，如下图5所示为MAC地址的寻址方式以及字节定义：

图5 MAC寻址方式(来源：Vector)如上图所示：前3个字节为组织唯一标识号，由IEEE分配给到网卡生产厂商,其中Byte5/Bit1表示该MAC地址是全球地址还是本地地址，Byte5/Bit 0 用于表示该帧为组播MAC地址，单播地址还是广播地址；

• 0：单播地址(1对1)，普通终端设备接收；
• 1：组播地址(1对多)，仅交换机会接收，普通终端设备不会接收；
• 48个bit全为1：表示为广播地址，所有设备均会接收；

MAC VLAN

VLAN作为一种分割广播域的技术手段，能够有效降低网络不必要的开销，全称为 虚拟局域网技术 。该技术分割广播域的方法有很多种，在此仅简要介绍下基于MAC的动态VLAN技术，如下图6所示：

图6 基于MAC的动态VLAN技术(来源 Vector)如上图所示，ECU1与ECU2被划分为属于同一VLAN1，而ECU2与ECU4则被划分为属于同一VLAN2。只需要提前配置好各ECU所属的VLAN即可，基于MAC的VLAN的优点在于即使换了连接端口或者交换机都可以自动重新识别，不需要重复进行配置，主要用于DHCP或者ARP协议发送广播帧的场景。

正如前面所述MAC帧可分为基本MAC帧(无VLAN)和标记MAC帧(包括VLAN)两种，而如果为如果时标记MAC帧，那么就会使用到VLAN Tag，同时“数据”字段的最小长度为不带VLAN标记的46Byte与带VLAN标记的42Byte，因为VLAN Tag占用了4个字节，最大数据长度均为1500Byte。

如下图7所示则为VLAN Tag的含义说明：

图7 VLAN Tag定义说明 (来源：Vector)如上图7所示，VLAN Tag总共可以分为以下3个部分：

• PRI(3Bit)： 帧优先级，就是通常所说的802.1p；
• CFI(1Bit)： 规范标识符，0为规范格式，用于802.3或Ethernet II以太网帧；
• VLAN ID： 就是VLAN的标识符ID；

网络层

网络层就是IP协议所在的层级，IP协议可以分为IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4，IP协议的主要作用就是基于IP地址转发分包数据。

同时IP也是一种分组交换协议，但是IP却不具备自动重发机制，即使数据没有达到目的地也不会进行重发，所以IP协议属于非可靠性协议。

车载以太网主要使用IPV4协议，同时由于该协议也属于传统以太网范畴，所以不会对该模块做过多细节性阐述。

IPV4协议头

图8 IPV4协议头由上可知， IP首部为20Byte 。

该协议头的各部分解释如下图：

图9 IPV4 协议头信息表IPV6协议头

图10 IPV6 协议头需要注意的是IPv6 数据报文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 数据报文主要由两个部分组成：Header（首部）和 Payload（负载）。其中，IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。该协议头的各部分解释如下图：

图11 IPV6协议信息表

传输层

传输层的协议就是 TCP/UDP ，这两者协议彼此独立，也可以同时存在，看具体使用场景需求。TCP/UDP作为传统以太网的标准协议，在这里同样不做过多展开，仅整体介绍下TCP与UDP的特点及区别。

TCP协议

• TCP协议头

  

图12 TCP协议头如下图13所示为TCP协议头的字段解释：

图13 TCP协议头信息表* TCP建立连接过程

TCP是面向连接的可靠的网络通信，因此要通信双方建立通信连接，必须经过我们常说的“ 三次握手 ”才能够开启以太网通信，如下图14所示为TCP的“三次握手”连接过程。

图14 TCP ”三次握手“过程

• TCP断开连接过程

TCP已经连接的双方如果需要断开，则需要 “四次挥手“ 来完成此过程”，如下图15所示：

图15 TCP”四次挥手“过程* TCP协议特点

从上述的TCP建立连接以及断开连接的过程，不难得出TCP是一种面向连接可靠的传输层协议。具体总结有以下一些特点：

• 面向无连接，即不需要建立连接便可以直接进行通信；
• 存在单播，多播，广播的功能；
• UDP是面向报文的，UDP的报文报经过IP层不会进行任何拆分或重组；
• 不可靠性：由于没有像TCP的拥塞控制以及出错自动重传等机制，则会导致发送的报文无法保证接收方是否收到，因为网络本身就存在诸多的不确定性；

UDP协议

UDP全称为用户数据包协议，在网络中与TCP协议一样用来处理数据包，是一种无连接的协议。同时UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。

UDP协议头

如下图所示为UDP 协议头的组成：

图16 UDP协议头如上图所示， UDP首部为8Byte 。

各字段的具体含义如下表所示：

图17 UDP协议字段信息表* UDP协议特点

对比TCP协议，UDP具备以下一些特点：

• 面向无连接，即不需要建立连接便可以直接进行通信；
• 存在单播，多播，广播的功能；
• UDP是面向报文的，UDP的报文报经过IP层不会进行任何拆分或重组
• 不可靠性：由于没有像TCP的拥塞控制以及出错自动重传等机制，则会导致发送的报文无法保证接收方是否收到，因为网络本身就存在诸多的不确定性；

TCP与UDP区别

如下图所示，较为清晰的解释了TCP与UDP两者之间的区别，这让我们选择何种传输层协议提供了判断标准。

图18 UDP与TCP区别关系表

• TCP向上层提供面向连接的可靠服务 ，UDP向上层提供无连接不可靠服务;
• 虽然 UDP 并没有 TCP 传输来的准确，但是也能在很多实时性要求高的地方有所作为;
• 对数据准确性要求高，速度可以相对较慢的，可以选用TCP。

应用层

在车载以太网领域，目前主流涉及到的应用协议主要有UDP-NM，DOIP，Some/IP，SD以及传统以太网需配合支持的ICMP，ARP，DHCP等协议。

在本文我不会针对这些协议具体展开，因为每种协议内容不少，后续会专门针对这些应用层协议给大家讲解分享，敬请大家多多关注。