隨著汽車電子化和智能化程度不斷提高，車載網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代汽車一個重要的組成部分。相較于傳統(tǒng)總線通信方式，車載以太網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸能力和更強的擴展性，能提供高帶寬、低延遲和穩(wěn)定可靠的通信，滿足現(xiàn)代汽車對數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)集成需求。

車載以太網(wǎng)采用點對點的星型拓撲結(jié)構(gòu)，每一根通信線纜之鏈接兩個節(jié)點，節(jié)點間通過交換機通信。本文將介紹車載以太網(wǎng)交換機的主要功能及其測試方法。

一、什么是車載以太網(wǎng)交換機

車載以太網(wǎng)的通信架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)參考傳統(tǒng)以太網(wǎng)，采用點對點的通信方式，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點超過兩個時需要使用交換機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，所有節(jié)點可以接到同一個交換機，網(wǎng)絡(luò)拓撲呈星型結(jié)構(gòu)。當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模超過了單個交換機可處理的規(guī)模時，多個交換機相連，網(wǎng)絡(luò)拓撲呈樹形結(jié)構(gòu)。車載以太網(wǎng)參考五層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)（基于OSI七層參考模型），從底層往上層依次為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。

以太網(wǎng)交換機工作在五層協(xié)議體系的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層，主要負責控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對物理媒介的訪問。此外，作為網(wǎng)絡(luò)層和物理層的中間層，數(shù)據(jù)鏈路層還負責數(shù)據(jù)封裝和解封裝（在發(fā)送時將網(wǎng)絡(luò)層傳遞下來的IP數(shù)據(jù)報封裝成幀后發(fā)送到物理層，在接收時將接收到的幀中的IP數(shù)據(jù)報取出來交付給網(wǎng)絡(luò)層）和差錯校驗等。 

星型網(wǎng)絡(luò)

樹型網(wǎng)絡(luò)

車載以太網(wǎng)交換機與傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機類似，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點超過兩個的場景下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多個節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)功能。轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的正確性以及數(shù)據(jù)處理的及時性決定了交換機所在網(wǎng)絡(luò)的性能。

關(guān)于交換機的測試也一般圍繞轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)功能開展，車載以太網(wǎng)交換機的測試一般分為功能測試和性能測試。功能測試參考OPEN聯(lián)盟發(fā)布的TC 8規(guī)范之一《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 2》（以下簡稱TC 8）和廠家自定義規(guī)范，測試交換機的VLAN、鏡像、地址學(xué)習(xí)、幀過濾等功能是否符合相應(yīng)的規(guī)范要求。性能測試參考IETF發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備和局域網(wǎng)交換設(shè)備的基準測試方法--RFC 2544和RFC 2889，通過測量交換機的吞吐量、時延、丟幀率、連續(xù)幀和地址學(xué)習(xí)速率等，以評估其是否滿足基準。

二、車載以太網(wǎng)交換機的功能測試

轉(zhuǎn)發(fā)功能是以太網(wǎng)交換機最主要的功能，交換機可以根據(jù)以太網(wǎng)幀的目的MAC地址將以太網(wǎng)幀從一個接口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個接口，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互聯(lián)。

除了轉(zhuǎn)發(fā)功能，以太網(wǎng)交換機還具備MAC地址學(xué)習(xí)、VLAN、端口鏡像、訪問控制列表、擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)流量管理和廣播抑制等功能。TC 8中提供了VLAN、地址學(xué)習(xí)、接收幀過濾、時鐘同步和QoS等常見的車載以太網(wǎng)交換機的基礎(chǔ)功能的測試用例。

VLAN即虛擬局域網(wǎng)，通過VLAN技術(shù)可以在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)將物理上連接在一起的局域網(wǎng)劃分為多個不能直接通信的虛擬局域網(wǎng)。VLAN的劃分限制了廣播報文的傳輸范圍，只在需要該報文的VLAN中傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)中冗余的廣播報文，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和健壯性。VLAN的劃分通過在以太網(wǎng)幀的源地址（SA，Source Address）后增加VLAN Tag實現(xiàn)。VLAN Tag由標簽協(xié)議標識符（TPID，Tag Protocol Identifier）和標簽控制信息（TCI，Tag Control Information）構(gòu)成。IEEE 802.1Q中規(guī)定TPID為0x8100表示該以太網(wǎng)幀為VLAN幀，TPID為0x88a8表示該幀為服務(wù)VLAN幀。TCI由PCP（Priority Code Point）、DEI（Drop Eligible Indicator）和VID（VLAN ID）構(gòu)成。PCP表示VLAN的優(yōu)先級，取值從0到7，數(shù)值越高，傳輸?shù)膬?yōu)先級越高。DEI與PCP共同決定VLAN的優(yōu)先級。VID為VLAN的編號，不同VLAN使用VID進行區(qū)分。TC8中VLAN相關(guān)的測試用例一共有21條，分別使用無VLAN標簽、單VLAN標簽和雙VLAN標簽的普通數(shù)據(jù)幀、ICMP請求幀和ARP請求幀測試交換機能否在多種場景下，根據(jù)需求規(guī)范正常轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄幀。

以太網(wǎng)VLAN幀

地址學(xué)習(xí)即MAC地址學(xué)習(xí)。交換機內(nèi)部會維護一張MAC地址列表，列表由MAC地址和交換機的端口號組成。每收到一個幀，如果該幀的源MAC地址不在交換機的MAC地址列表中，則交換機將會MAC地址及接收該幀的端口號更新到列表中。除了主動學(xué)習(xí)，用戶也可以手動更新MAC地址列表。TC8中地址學(xué)習(xí)相關(guān)的測試用例一共有21條，在多種場景下測試交換機是否可以正常學(xué)習(xí)、使用、導(dǎo)出、刪除MAC地址。

接收幀過濾指交換機根據(jù)特定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄具有某種特點的幀。在輸入交換機的數(shù)據(jù)速率超過交換機的最大處理速率時，能主動限制接收數(shù)據(jù)速率并上報。

TC 8中對于時間同步的測試比較少，僅僅對主時鐘信號是否會被數(shù)據(jù)幀干擾導(dǎo)致失真進行測試。

QoS即服務(wù)質(zhì)量，將不同數(shù)據(jù)根據(jù)重要程度劃分優(yōu)先級，并優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，保證重要數(shù)據(jù)能優(yōu)先獲取網(wǎng)絡(luò)傳輸資源。TC 8中對嚴格優(yōu)先級（Strict Priority，SP）、加權(quán)輪詢（Weighted Round Robin，WRR）和基于速率的流量整形進行測試?？筛鶕?jù)交換機各端口對不同調(diào)度算法的支持情況選擇測試用例。

三、車載以太網(wǎng)交換機的性能測試

RFC 2544中定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基準的測試方法和測試要求，與車載以太網(wǎng)交換機相關(guān)的測試有吞吐量、時延、幀丟失率和連續(xù)幀。RFC2889中定義了局域網(wǎng)交換機的測試方法和測試要求，與車載以太網(wǎng)交換機相關(guān)的測試有擁塞控制、前向壓力與最大轉(zhuǎn)發(fā)速率、地址緩存容量、地址學(xué)習(xí)速率、錯誤幀過濾、廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)與廣播幀處理時延。

吞吐量測試測量在沒有幀丟失的前提下，交換機的最大轉(zhuǎn)發(fā)速率，即每秒傳輸?shù)膸瑪?shù)。測試過程以一定的速率向交換機發(fā)送一定數(shù)量的幀，如果交換機轉(zhuǎn)發(fā)的幀數(shù)小于接收的幀數(shù)，說明丟失了部分幀，則降低速率重新測試。依次測試幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518時的吞吐量。

時延測試測量交換機轉(zhuǎn)發(fā)單播幀所需要的處理時長。測試儀向交換機發(fā)送的單播幀上的時間戳與交換機轉(zhuǎn)發(fā)后的幀的時間戳的差值即為交換機處理該單播幀的時延。依次測試幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518時的時延，每個幀長度下至少測試20次然后取平均值。

幀丟失率測試測量丟失的幀占發(fā)送的總幀數(shù)的百分比。在幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518的場景下，分別以最大速率的100%、90%、80%、...、10%、0%向交換機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后測量交換機的幀丟失率。

連續(xù)幀測試測量交換機能連續(xù)處理的最大幀數(shù)量，用于衡量交換機的數(shù)據(jù)緩存能力。以最小幀間隔持續(xù)向交換機發(fā)送數(shù)據(jù)，直到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)出現(xiàn)幀丟失為止。然后測量持續(xù)時間略小于幀丟失持續(xù)的時間且無幀丟失的場景下的最大幀數(shù)量，即連續(xù)幀數(shù)量。依次測試幀長度（單位：字節(jié)）分別為64、128、256、512、1024、1208和1518時的連續(xù)幀數(shù)量。

擁塞控制測試交換機如何應(yīng)對端口數(shù)據(jù)擁塞現(xiàn)象，包括是否具備擁塞管理機制（抗壓力機制）以及一個端口的擁塞是否會影響其他端口（首位阻塞）。具備擁塞管理機制的交換機檢測到端口接收速率即將超過最大負載時，會主動要求數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點降低發(fā)送速率。

前向壓力在交換機過載的情況下測量轉(zhuǎn)發(fā)端口的幀間隔。如果交換機轉(zhuǎn)發(fā)的幀間隔小于IEEE 802.3規(guī)定的最小幀間隔（96比特），則前向壓力測試通過。

地址緩存容量與地址學(xué)習(xí)速率是描述交換機MAC地址學(xué)習(xí)性能的兩個主要參數(shù)。地址緩存容量為交換機端口能緩存的最大MAC地址數(shù)量，當交換機緩存的地址數(shù)量超過地址緩存容量時，會引發(fā)交換機內(nèi)部的泛洪。地址學(xué)習(xí)速率為交換機在不出現(xiàn)泛洪和丟幀的條件下，學(xué)習(xí)MAC地址的最大速度。

錯誤幀過濾測試交換機是否能正確處理經(jīng)其轉(zhuǎn)發(fā)的錯誤或異常幀，丟棄錯誤幀并對異常幀予以糾正。常見的錯誤類型有幀長過長（無VLAN標記的幀大于1518字節(jié)、有VLAN標記的幀大于1522字節(jié)）、幀長過短（長度小于64字節(jié)）、CRC錯誤和對齊錯誤等。

廣播幀吞吐量與廣播幀處理時延測試交換機處理廣播幀的性能。廣播幀吞吐量指在沒有幀丟失的情況下，交換機正確地接收并轉(zhuǎn)發(fā)廣播幀的最大處理速率。廣播幀處理時延指從交換機接收廣播幀到成功轉(zhuǎn)發(fā)需要的時長。

中汽院新能源科技有限公司建成投產(chǎn)的車載以太網(wǎng)測試臺架，是一套覆蓋車載網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)、CAN/CAN FD和LIN通信的綜合通信網(wǎng)絡(luò)測試臺架，可完成部件級、系統(tǒng)級和整車級的協(xié)議一致性測試、功能測試和性能測試等。

車載以太網(wǎng)測試系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)測試輔助設(shè)備

測試范圍：

1. 車載以太網(wǎng)物理層PMA測試和IOP測試

參考標準：IEEE 802.3bp、IEEE 802.3bw

2. 車載以太網(wǎng)交換機功能和性能測試

參考標準：RFC 2544、RFC 2889、IEEE 802.1Q

3. 車載以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議一致性測試

參考標準：AUTOSAR_ATS_IPv4、AUTOSAR_ATS_TCP、RFC 768、RFC 791、RFC 792、RFC 793、RFC 826等

4. 車載以太網(wǎng)AVB/TSN協(xié)議一致性測試

參考標準：IEEE 802.1AS、IEEE 1733、IEEE 1722、IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu等

5. 車載以太網(wǎng)SOME/IP測試

參考標準：SOME/IP Protocol Specification AUTOSAR FO、SOME/IP Service Discovery Protocol Specification AUTOSAR FO

6. 車載以太網(wǎng)DoIP測試

參考標準：ISO 13400-1、ISO 13400-2、ISO 13400-3、ISO 13400-4

7. 車載以太網(wǎng)UDPNM測試

8. 車載以太網(wǎng)刷寫、路由、網(wǎng)絡(luò)配置測試

9. CAN物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、交互層、故障容錯、UDS、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)關(guān)路由測試

10. LIN物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)管理、調(diào)度表和容差性測試

11. 根據(jù)客戶自定義規(guī)范擴展測試

本套測試臺架專注于車載以太網(wǎng)的一致性測試、功能測試和性能測試，同時也兼顧傳統(tǒng)總線通信，可以提供符合國際標準的測試解決方案，也可根據(jù)客戶的需求定制個性化的車載網(wǎng)絡(luò)通信測試解決方案。