车载以太网通信效率问题分析及及其优化设计

01 现状和趋势

在几年前，各Tire1和OEM纷纷提公布了在整车EEA架构方面的方案，总体还是遵循着由分布式、到域控式、再到中央式的发展趋势。当时的整车EEA架构还是以分布式为主，车内总线网络还是以CAN，LIN总线为主。

经过这几年的发展，目前大部分乘用车的EEA架构已经是域控式，部分已经发展到了中央式。CAN、LIN仍式车内通信的主要网络，但以太网也已经成为车载网络不可或缺的一部分。

根据现有资料分析发现，EEA的发展速度比较快，以太网架构的发展速度比较慢。大部车内以太网还是点对点的星型网络，或者叫树形网络，这种结构的优点是结构清晰、层次分明；缺点是稳定性差、实时性低、速率低。

车载以太网主要是近5到10年的产品，2020年发布MultG的标准，最大速率是10Gbps，但目前车实际应用的最大速率还是1Gbps。

根据之前行业内专业机构预测，在实现L4-L5级别的自动驾驶情况下，车内的网络带宽需求在15-25G。这个是包含车内所有类型网络的需求，但以太网要承担大部分的通信任务。

车载以太网承接了CAN、LIN等网络的的部分传传输功能，如车辆研发阶段对车辆参数的标定数据的传输，车辆运行过程中行车控制、车身控制和娱乐信息等车控信息的传输，售后维修阶段车辆的诊断、刷写数据的传输。

另外，在车辆智能化方面的功能，比如V2X，数据上云，音视频流等都需要通过以太网进行数据传输。

在软件定义汽车的概念下，以太网已成为车内通信不可少的核心技术。车内以太网相关的应用会越来越多，越来越复杂。

02 关键问题

目前车内以太网在应用过程中仍存在一些问题。

首先，以太网的通信速率不足。汽车的功能越来越多、越来越复杂，对以太网速率的需求越来越大。需求是主观的，没有客观规律，但以太网技术的发展是要遵循科学规律的，而且是需要一定的时间投入。需求高和技术发展慢的矛盾，引发了速率不足的问题。

其次，以太网的实时性不够，稳定不高。车载应用对网络的实时性和稳定性要求比较高，数据的延时或丢失不仅会影响使用感受，更可能会引发人身安全得问题。

以太网设计之处的主要目标是传输信息，重点是把数据从一个地方传输到另一个地方，是一种尽最大努力（best effort)交付得通信技术。设计目的和用应用场景不匹配，引发了对实时性和稳定性方面的担忧。

总的来说，目前的问题的原因是“资源”与“需求”不匹配造成的，需求太多，资源不够。

针对这些问题，目前已有一些“开源”的解决方法：

通信速率不足，可以增加链路，增加节点间的带宽，这样单位时间内传输的数据变多，从而提高节点间的传输速率。环形网络也是增加链路这种方法的具体实现。

针对实时性、稳定性不高的问题，目前提及最多的是使用TSN技术，TSN技术上提供了丰富的流量管理方法，以确保关键的数据被准时、稳定的传输，从而解决实时性、和稳定性的问题。

增加链路、使用TSN技术，会增加软硬件成本和开发技术难度；特别是使用TSN技术，在整车设计、软件开发和测试上的实现难度比较大，成本也较高。

相对前面提到的“开源”方法，我们发现使用一些“节流”方法以应对当前的问题将会更加有效。

TSN技术的核心是提高网络的确定性，使数据流有规律，减少冲突，从而提高数据传输效率，这也是一种“节流”的方法。

本文将介绍一种在SOA通信设计中，怎样提高以太网通信效率的方法。

03 通信协议

目前车载SOA开发使用的两个重要的协议是SOMIP和DDS。

SOME/IP协议格式：

DDS-RTPS协议格式：

协议格式被分为两个主要部分：Header 部分和Payload部分。DDS协议比SOME/IP协议有更多的Header数据，因为DDS协议在功能上会比SOMEIP多很多，但DDS协议比SOMEIP在通信效率上会低。

以太网各层协议效率曲线图：

通过上面这张效率曲线图我们可以清晰发现，越是上层的协议，以太网的效率越低。

如果在SOA通信设计中我们不认真考虑通信效率的问题，会造成以太网带宽的浪费，使现在以太网应用的问题更加突出。

其实，在SOA通信设计中设计合理负载大小进行通信，就可以提高有效地提高以太网的通信效率。

以SOME/IP为例，进一步分析了该协议的通信效率。如下图：

由曲线清晰可知，负载字节越多，通信效率越高；但此曲线不是直线，说明随着负载字节的增加，效率提升的速率在降低。

04

设计方法

以车身服务为例，在传统的SOA通信设计中，车身域控制器作为服务的提供者，将直接部署车身相关的所有原子服务，并对外暴漏所有原子服务的所有接口。

这种部署方法的优点就是部署关系直观清晰，接口都是独立的，获取信息更加灵活；缺点就是通信效率低，另外因为负责直接跟外界通信的服务比较多，服务的管理策略会比较复杂。

为提高网络通信效率，利用分层服务的设计理念，在原子服务下层增加通信服务，专门用于与外部节点进行通信。

通信服务不直接面向功能应用，在服务接口设计上更加灵活，可充分提高以太网传输数据效率。

这种服务设计的优点是通信效率高，服务管理策略简单；缺点是会增加设计、开发和测测试上的复杂度；难点是怎么组合服务，怎么组合接口。

信息的组合在CAN、LIN网络通信中已被成熟的运用，Byte中Bit的组合、PDU中Byte的组合，是CAN、LIN网络设计中必不可少的能力。

以太网相对于CAN网络有更复杂的拓扑结构、更丰富的层间协议、更多样的通信方式，可以实现更为广泛的应用功能，因此它在应用设计中的组合方法也会更加多样，难度也会更加高。针对不同应用场景下的不同需求，组合方法也不近相同。

审核编辑 黄宇