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1.汽车控制系统的历史研究
从1880年卡尔·本茨制造出第一辆真正意义上的汽车开始，汽车的发展经历了五个阶段：
第一个阶段为1880年至1900年，这个阶段的车没有电力系统、没有车灯，更没有一些辅助性质的设备，仅仅是由一台内燃机和一台变速箱构成，即便如此，它产量极低，价格极其昂贵，属于少数阶层的玩具。
第二个阶段为1900年至1940年，开端是福特开创性地发明了流水线，而这一伟大创举也极大地推动了汽车在西方国家的普及，把汽车从奢侈品变成大众消费品。这个时期的汽车，虽然仍然主要由纯机械构成，但已经添加了一些辅助性的电气设备，如车灯、发电机、点火系统等。由于这些电器控制简单，因此主要的控制方式为开关信号。
第三个阶段为1950年至1980年，20世纪50年代之后，随着电子技术的发展，汽车的电气化程度进一步加深，收音机、雨刷、空调等电器部件大量地出现在汽车上。汽车上开始出现ECU，甚至发动机的喷油、点火控制也由ECU完成，但这一时代的控制系统是独立、集中控制的，未形成专用的分布式控制网络。
第四个阶段是1980年至2015年。越来越多的电器被加入汽车中，这给汽车带来了一系列问题，如线束粗重导致油耗增加，过多的接头导致连接不稳定，走线困难，扩展性极差，抗干扰差等。1986年CAN的问世，彻底解决了这个问题，原本数量繁多的控制线，只需要两根差分线就能解决，汽车的控制系统彻底进入分布式控制时代。从此，汽车各部件不再是独立工作的单元，发动机、变速箱、ABS、仪表之间可以通过 CAN 互相通信。
2000年以后，多媒体、导航、雷达等被加入汽车中，为了满足车门、车窗、座椅等低速设备，以及信息娱乐等多媒体传输需求，汽车上额外引入了LIN、MOST、FLEXRAY等专用总线，形成了多总线并存的状况。发展出了基于CANOPEN的一系列标准的诊断和通信协议。
第五个阶段是2015年至今，为了满足智能电动汽车的感知、OTA、智能驾驶等需求，越来越多的传感器如激光雷达、摄像头、PBOX等被集成到汽车上，各个功能之间的专业化程度也越来越高，车企越来越依赖专业的汽车部件供应商。此时，传统的汽车架构已经无法满足这些供应商各种专业部件的通信和控制。基于这种情况，出现了一种名叫“域控”的概念，“域控”就是把同一个功能域内，原来一堆分散的小ECU，合并成一台高性能中央控制器，统一管理这个域所有硬件、软件。如座舱域，座舱ECU会接入中控，倒车影像、自动泊车等一系列相关的硬件和传感器。各域控制器之间，使用车载以太网作为主干链路，通过车载以太网交换机（Ethernet Switch）互联，使用IP/UDP + SOME/IP作为主要协议栈；关键安全流量会叠加 TSN （Time-Sensitive Network，时间敏感网络）做时间确定性保证。
图5 域控制器互联
下一阶段，汽车的发展必定是人工智能和算力的集成。这种以车载以太网和域控制器为基础，在域控制器内多种总线并存的汽车顶层架构，必定会作为新一代智能汽车的基石。
2. 车载以太网简介
2.1 智能化汽车对通讯的需求
CAN 总线的出现与普及，支撑汽车电子从点对点布线走向分布式电控架构。基于 CAN 总线诞生了一系列应用层协议，如 KWP2000、UDS、J1939；LIN 总线则用于低成本车身低速节点。在汽车电子发展的第四阶段，CAN/LIN 总线及其配套应用层协议主要解决三大痛点：①总线具备较高的通信实时性，满足电控系统控制需求；②应用层协议提供标准化诊断能力，便于车辆故障检测与维护；③采用差分串行总线替代点对点硬线连接，大幅减少线束与连接器用量，降低整车成本。
CAN、LIN 总线的底层设计特性围绕上述实时性、布线成本两大硬件层面痛点展开：标准 CAN 的数据帧数据场长度为 1～8 字节，短小紧凑，有利于降低帧传输时延，保障实时通信；CAN 采用一对差分信号线抗干扰，LIN 则依靠单信号线配合公共地实现通信，二者都减少了硬线数量。同时 CAN 还引入非破坏性位仲裁、CRC 校验等机制保障通信可靠性，而标准化诊断功能则由上层应用协议实现。
图6 CAN和LIN总线
面对越来越多的控制信号、传感器数据（如激光雷达点云、摄像头图像）、整车OTA需求，表1列举出了一些现代智能化汽车对通信的需求。
表1 现代智能化汽车对通信的需求
| 传感器 | 需求 |
| 单个高清摄像头 | 需要20-40Mbps的传输速率 |
| 360全景环视系统（4个摄像头） | 需要80-160Mbps的传输速率 |
| 激光雷达 | 需要10-70Mbps的传输速率 |
| 毫米波雷达 | 需要1-10Mbps的传输速率 |
| 高精度地图更新 | GB级别数据 |
| OTA软件更新 | GB级别数据 |
| 车载娱乐系统 | 高清视频流 |
这些传统的汽车总线表现得有些力不从心。表2中列出了传统汽车总线存在的一些问题。
表2 传统汽车总线存在的一些问题
| 总线类型 | 最高速率 | 主要问题 |
| CAN | 1 Mbps | 速率低，帧格式紧凑，无法应对大量的数据传输 |
| LIN | 20 Kbps | 只针对低速的控制信号 |
| CAN FD | 8 Mbps | 仍然无法满足多图像、雷达传感器数据需求 |
| FlexRay | 10 Mbps | 成本高，配置复杂 |
| MOST | 150 Mbps | 专用于多媒体，不够灵活 |
2.2 车载以太网的发展历程
早在 2008 年之前，宝马（BMW）已尝试将以太网引入车辆 OBD 诊断系统，采用 100BASE-TX 作为物理层，仅用于诊断交互与地图数据下载。但该阶段方案存在明显短板：需要双对双绞线、电磁兼容（EMC）性能不足、线束成本偏高，因此仅能作为辅助诊断通道，无法承担车内主干通信。
2011 年，宝马、NXP、博通、哈曼等整车厂、芯片及零部件厂商联合发起成立单对以太网联盟 OPEN Alliance（One-Pair Ether-Net Alliance SIG），旨在推动车载以太网技术标准化。同年宝马提出面向服务通信协议SOME/IP，适配车载 SOA 软件架构。
2014 年，OPEN Alliance 正式发布基于博通 BroadR-Reach 技术的 OABR（OPEN Alliance BroadR-Reach）物理层规范；宝马 X5 成为全球首款量产搭载 100BASE-T1 的车型，应用于座舱多媒体网络。2015 年 IEEE 批准 IEEE 802.3bw 标准，并于 2016 年正式出版，将 BroadR-Reach 物理层技术规范化为 IEEE 802.3bw-2015，即100BASE-T1（100 Mbps，单对非屏蔽双绞线 UTP）。BroadR-Reach 是博通（Broadcom）原创的车载以太网 PHY 技术，也是 100BASE-T1 标准的技术源头。
2015年至2022年期间，车载以太网高速物理层与时间敏感网络（TSN）技术逐步走向成熟，一系列单对车载以太网物理层协议相继完成制定与标准化。典型标准包括：1000BASE-T1（IEEE 802.3bp，1 Gbps）、10BASE-T1S（IEEE 802.3cg，10 Mbps）、2.5GBASE-T1/5GBASE-T1（IEEE 802.3ch）以及 10GBASE-T1（IEEE 802.3ck）。
2022 年之后，车载以太网逐步成为整车骨干网络，作为域控制器之间数据交互的高速传输通道。整车最终形成异构通信体系：1G/2.5G BASE-T1+TSN 构成车载主干网络，10BASE-T1S 多点以太网用作区域控制器边缘节点链路，CAN、CAN FD、LIN 等传统总线保留用于低速外设通信。
车载以太网发展脉络与详细物理层特性如表 3 所示。
表3 车载以太网发展时间线和重要事件
| 时间 | 事件 | 特点 |
| 2008 年之前 | 宝马（BMW）已尝试将以太网引入车辆 OBD 诊断系统 | 双对双绞线、电磁兼容（EMC）性能不足、线束成本偏高，因此仅能作为辅助诊断通道，无法承担车内主干通信 |
| 2011 年 | 宝马、NXP、博通、哈曼等整车厂、芯片及零部件厂商联合发起成立单对以太网联盟 OPEN Alliance | 推动单对车载以太网标准化，面向服务通信适配 SOA 车载架构 |
| 2014 年 | OPEN Alliance正式发布基于博通 BroadR-Reach 技术的 OABR（OPEN Alliance BroadR-Reach）物理层规范 | 100Mbps 单对 UTP 车载以太网，PAM3 调制，点对点全双工，率先用于座舱多媒体 |
| 2015年 | IEEE 802.3bw-2015（100BASE-T1）获批 | 100 Mbps速率，点对点通信，应用于座舱、环视摄像头、域间通信 |
| 2016年 | IEEE 802.3bp-2016（1000BASE-T1）标准获批 | 1000 Mbps速率，点对点通信，用于高分辨率摄像头、域控制器互联，后续用于自动驾驶感知主干 |
| 2019年 | IEEE 802.3cg-2019（10BASE-T1S/10BASE-T1L）获批 | 10 Mbps速率，多点总线（PLCA）通信，应用于区域控制器外设，替代部分 CAN |
| 2020年 | IEEE 802.3ch-2020（2.5G/5G/10GBASE-T1）获批 | 2.5/5/10 Gbps速率，点对点通信，应用于高阶自动驾驶，多路 4K 相机 |
| 2021年 | AVnu Alliance 并入 OPEN Alliance | 整合车载 TSN（时间敏感网络）规范，OPEN Alliance 统一负责车载以太网 + TSN 互操作、一致性测试，打通 SOA 实时通信底座 |
| 2022年 | OPEN Alliance 发布车载以太网安全规范，MACsec 车载版本完善；车载 TSN 大规模进入量产项目 | 定义 MACsec 链路加密，保障车内通信安全；TSN（802.1AS、802.1Qbv 等）用于域间确定性实时传输，支撑中央域控架构 |
| 2023年 | 车载以太网芯片、交换机规模化量产，面向中央计算 + 区域控制器架构落地 | 多速率车载以太网交换机普及，单根线束同时承载控制信号、传感器大数据流，逐步替代大量 CAN/CAN FD 线束 |
| 2024 年至今 | 面向下一代自动驾驶的超高速车载以太网研究推进（如 25GBASE-T1），OPEN Alliance 启动相关 PHY 预研 | 25GBASE-T1 单对车载以太网，面向 8K 相机、固态激光雷达，满足 L4/L5 自动驾驶海量传感器数据传输需求 |
2.3 车载以太网对比传统以太网
以太网技术的演进极大地推动了当代信息技术的发展。现代以太网拥有带宽高、扩展能力强、协议体系标准化、软硬件生态丰富等特性。但传统以太网为室内局域网场景设计，存在尽力而为转发带来的实时性差、商用物理层抗电磁干扰能力弱等固有局限。车载以太网源自传统以太网，完整继承了以太网上层协议栈的优势，同时重新设计车规物理层，弥补了传统以太网无法适配车辆恶劣工况的缺陷。
另外，针对传统以太网网络延迟导致实时性差等缺点，又加入了时间敏感网络协议簇。
表4 标准以太网和车载以太网的对比
| 对比项 | 传统以太网（100BASE-TX/1000BASE-T） | 车载以太网 BASE-T1（无 TSN） | 车载以太网 BASE-T1 + TSN |
| 传输线缆 | 100BASE-TX：2对非屏蔽双绞线
1000BASE-T：4对非屏蔽双绞线 |
单对双绞线（非屏蔽/屏蔽） | 单对双绞线（非屏蔽/屏蔽） |
| 工作温度 | 0~70℃ | -40~125℃，满足车规 AEC-Q100 | -40~125℃满足车规 AEC-Q100 |
| 调制编码 | 100BASE-TX：曼彻斯特；1000BASE-T：PAM5 | 100BASE-T1：PAM3；1G/2.5G/5G/10GBASE-T1：PAM4；10BASE-T1S：差分曼彻斯特 | 与 BASE-T1 物理层编码一致；TSN 属于上层链路增强 |
| IEEE 标准 | IEEE 802.3(100BASE-TX、1000BASE-T) | IEEE 802.3bw/bp/cg/ch 系列 BASE-T1 | IEEE 802.3 BASE-T1 物理层 + IEEE 802.1 TSN 协议簇 |
| 实时性 | 尽力而为转发，交换机排队带来随机时延抖动，无界时延，无法保障实时性 | 同样尽力而为转发，时延抖动无界，物理层本身不提供实时性 | 时间同步 + 流量调度，有界确定性时延，低抖动，满足车载控制类信号实时传输 |
| 拓扑 | 点对点全双工 | 绝大多数 T1：点对点全双工；
仅 10BASE-T1S 支持多点总线 PLCA |
拓扑同 BASE-T1。TSN 对星型多级交换机网络做实时调度 |
| 上层协议 | 标准以太网 MAC、IP、TCP/UDP | MAC/IP 完全兼容标准以太网；支持 SOME/IP、DoIP、MACsec | 在 BASE-T1 基础上叠加 802.1AS、802.1Qbv 等 TSN 协议 |
| 供电 | PoE（802.3af/at）大功率供电 | PoDL（数据线供电），同线缆给传感器小功率供电 | 供电方案同 BASE-T1 |
| 应用 | 非实时大数据传输 | 车载视频、日志等非实时业务 | 域间控制信号、实时感知数据，控制 + 数据共网 |
| EMC 设计 | 消费电子标准，抗干扰弱 | 满足车载 EMC 辐射/抗扰要求 | 满足车载 EMC 辐射/抗扰要求 |
| 连接器 | RJ45 接头，不耐振动和冲击 | 车载专用屏蔽接头，抗振抗弯折 | 车载专用屏蔽接头，抗振抗弯折 |
3. 车载以太网的原理及其实现
前面说了，车载以太网脱胎于标准以太网，又不同于传统以太网，下面基于这些车载以太网的改进，来详细展开介绍车载以太网的实现。
3.1 网络接口层
前文阐述了传统以太网在物理传输介质层面存在显著的应用局限。传统百兆以太网（100BASE‑TX）物理层主要存在两方面缺陷：其一为电磁抗干扰性能较差，在强电磁耦合环境下易发生信号畸变；其二是通信链路需要采用两组差分双绞线，共 4 根导线分别实现发送与接收通路。上述特性导致传统以太网难以适配车载环境：一方面，整车内部电机、继电器及高压电气部件会形成复杂恶劣的电磁环境，对通信链路的 EMC 性能提出严苛要求；另一方面，车载线束布置空间有限，线束数量增加会带来整车重量上升、布线难度提高等问题。因此，标准 100BASE‑TX 以太网无法直接应用于车载场景，车载以太网物理层的设计需要针对性解决抗干扰能力与线束资源占用两大核心矛盾。
车载以太网物理层统称为 BASE-T1 系列，隶属于 IEEE 802.3 标准家族。BASE-T1 物理层仅使用一对差分双绞线作为传输介质，借助回声消除技术抵消本机发送信号对接收端的自干扰，从而在单对差分线缆上同时完成信号收发，实现全双工通信。其中 100BASE-T1 采用 PAM3 调制，1000BASE-T1 及以上高速 BASE-T1 采用 PAM4 调制；该调制方式可在较低符号速率下承载更高比特速率，压缩信号频谱，降低电磁辐射，适配车内复杂的电磁干扰环境。其网络接口层的示意图如图7所示。
图7 车载以太网互联示意
这里详细介绍一下100BASE-T1车载以太网物理层的具体实现技术。
3.1.1 PAM3编码
PAM3（Pulse Amplitude Modulation with 3 levels）是一种脉冲幅度调制技术，它是一种使用三种不同的电平来传递信息的编码方式，相比传统的二进制编码，它可以在相同的带宽内传递更多的信息。
PAM3 使用三个不同的电平来表示数据，可以是-1、0 和 +1 这三种信号电平。在每个符号周期中，它根据输入的数据选择其中一个电平来发送信号。每个符号能携带的信息量是对数运算得来的，即 log2(3) ≈ 1.585 比特。这意味着相比传统的二进制调制技术，PAM3 在相同的时间内能够传输更多的数据。图8是PAM3波形示意图。
图8 PAM3波形示意图
通过图8可以看到，PHY输出到双绞线上的编码是三进制，而MAC芯片输出到PHY的信息是并行四位二进制比特流，这里就用到了“4B/3B→3B-2T”转换。
假定使用的是MII接口，通信速率是100Mb，并行数据宽度是4bit，单根MII线的速率是25M。为了匹配25MHz * 4bits = 100Mbps的速率，PHY从MII接口收到数据后，会首先进行一个将4bits数据转换成3bits的操作，此时时钟频率会被提高到33.33333MHz，以保持100 Mbps的位速率。
接着PHY要再进行3B2T的操作，将每次接收到的3个bit转化为2个三进制电平值（取值范围是表5中表示的PAM-3的3种状态编码：-1、0、1），具体的对应关系如表6所示。3个bit有8种组合（即2的三次方），两个电平值有9种组合（即3的平方）。此时时钟周期仍然是33.333M，但是每个时钟周期中的两个电平就能够表示3个 bit了，所以此时的数据速率仍然是100Mbit/s，每个电平实际上包含了1.5bit信息。3B-2T映射表如表5所示。
表5 3B-2T映射表
| 3-bit data | TA逻辑 | TB逻辑 |
| 000 | -1 | 0 |
| 010 | 0 | 1 |
| 010 | -1 | 1 |
| 011 | 0 | 1 |
| 100 | 1 | 0 |
| 101 | 0 | -1 |
| 110 | 1 | -1 |
| 111 | 0 | -1 |
最后一步是PAM3，将逻辑的-1、0、1转化为在双绞线上的电压，所以，最终在总线上信号的波特率是66.666MHz，实现了100Mbit/s的通信速率。单对双绞线的组合表示PAM-3编码如下表6所示。
表6 单对双绞线的组合表示PAM-3编码
| 3比特状态编码 | 差分电压 Vdiff=VA-VB | TP_A 对地 | TP_B 对地 |
| +1 | +1 V | +0.5 V | -0.5V |
| 0 | 0 V | 0 V | 0 V |
| -1 | -1 V | -0.5V | +0.5 V |
以上过程，实现了从4位MII数据流到单对差分线的PAM-3编码。100BASE-T1（车载百兆以太网）MII→PCS编码→MDI双绞线完整数据流转换图如图9所示。
图9 100BASE-T1 MII→PCS编码→MDI双绞线完整数据流转换图
3.1.2 收发信号叠加和回声消除技术
传统的以太网10BASE-T和100BASE-TX有两对信号线，利用这两对独立的差分线分别实现信号的发送与接收。但是车载以太网100BASE-T1却只有一对差分线，而这一对差分线，也可以实现信号的全双工收发。这主要得益于专用的车载以太网PHY芯片实现了信号收发的物理叠加，以及回声消除技术。
以TI公司的专用车载以太网100BASE-T1 PHY芯片DP83TC812x-Q1系列为例，其内部框图如图10所示
图10 DP83TC812x-Q1系列芯片内部框图
在图10中，可以很明显地看到DP83TC812x-Q1芯片的内部具有一个用于收发信号混合的Hybrid。Hybrid（混合桥）就是 PHY 芯片内部的模拟桥式电路，它把 TX 发送端口、RX 接收端口、外部 MDI 双绞线端口三者耦合到一起。其原理是基于基尔霍夫叠加定理：双绞线上的电压=本端发送信号 + 远端对端发来的信号（信号叠加），这就是DP83TC812x-Q1芯片混合加法原理，即两个方向信号在同一根传输线上做电学叠加共存，并使用回声消除功能来消除其自身的发送信号并从链路伙伴中提取接收到的信息。
为了做到这一点，一个PHY专门用作主机，另一个作为从机。当两个100BASE-T1 PHY连接时，它们会经过训练过程，从而使被测设备（DUT）和链路伙伴以相同的频率以相同的相位传输信息。图11说明了PHY内的混合和回声消除的简化框图。
图11 PHY内的混合和回声消除的简化框图
图11中Hybrid 混合桥的目标是尽量隔离TX和RX信号，让本地发送能量尽量流向外接电缆，而不是直接灌入自己的接收机，但是模拟混合桥做不到 100% 隔离，依然会有一部分本地发送信号泄漏进接收通路，这部分残余就是近端回声，必须交给后面数字自适应回声消除 DSP 进一步抵消。
后端的DSP一般使用数字回声消除技术，即数字FIR滤波器，它对Hybrid输出的混合采样信号，在数字域进一步预估、减掉残余回声，提取远端有效 PAM3 信号。
3.1.3 媒体专用接口（Medium Dependent Interface）
为了保证以太网适应汽车环境的恶劣EMC条件，必须提高以太网接口的可靠性。以太网接口的可靠性包含了连接器、EMC滤波器、传输线缆等。其作用范围如图12所示。
图12 媒体专用接口定义
车载以太网的连接器是其连接稳定、连接可靠的重要保障，这些连接器基本都符合SAE组织（北美汽车工程师学会）发布的汽车连接器性能规范标准USCAR-2。图13展示了泰科电子的一款专门用于IEEE 802.3bw 100BASE-T1的连接器“enetSEAL+”。
在传统的100BASE-TX以太网中，不可忽略的一个部件是靠近RJ45接口的网络变压器，有些甚至集成到RJ45连接器内部，这个变压器在100BASE-TX中必不可少，其作用主要为：
直流隔离 Galvanic Isolation（电气隔离）
车载以太网中不包含网络变压器这个部件，它直接使用电容来隔离直流电压，使用匹配电阻来实现阻抗匹配，图14是100BASE-TX和100BASE-T1的接口对比。
图14是100BASE-TX和100BASE-T1的接口对比
图12中MDI还包含了EMC器件共模扼流圈（CMC），其作用为：对媒体独立接口（MDI）上的共模噪声进行滤波。MDI上的共模噪声必须尽可能地被抑制掉，因为共模噪声会干扰物理层（PHY）接收器。此外，共模噪声属于单端能量源，会导致更高的辐射发射。除了CMC用于共模噪声的抑制之外，在MDI通路上，还保留用于消除ESD的TVS管。
表7列出了应用于 100BASE-T1 物理层时，共模扼流圈（CMC）必须满足的各项指标要求。
表7 共模扼流圈指标
| 指标 | 典型值 | 单位 | 条件 |
| 插入损耗（Insertion loss） | -0.5 | dB | 1-30 MHz |
| -1.0 | dB | 30-60 MHz | |
| 回波损耗（Return loss） | -26 | dB | 1-30 MHz |
| -20 | dB | 30-60 MHz | |
| 共模抑制（CM rejection） | -24 | dB | 1 MHz |
| -42 | dB | 10-100 MHz | |
| -25 | dB | 400 MHz | |
| 差分-共模抑制（Differential CM rejection） | -70 | dB | 1-10 MHz |
| -50 | dB | 100 MHz | |
| -24 | dB | 1000 MHz |
以上介绍基于100BASE-T1展开，详细讲述了其物理层的实现，这也是车载以太网和传统以太网最大的区别。
3.2 时间敏感网络TSN（Time‑Sensitive Networking）
前面讲述了100BASE-T1的物理层实现，但是100BASE-T1网络的链路层以上沿用了传统以太网的机制，因此其只能通过一些传输层的软件控制，来做到平均低延迟，但是其最坏延迟还是无法保证。比如当摄像头数据大流量突发时，高优先级控制帧会被阻塞，排队；等到大流量数据释放总线时，才能收到高优先级的控制帧，因此普通车载以太网（无 TSN，100BASE-T1）不适合实时性要求高的控制任务，如引擎、线控、制动等安全业务。因此目前汽车还是保留了CAN总线来处理这一部分实时性的任务。
但是，面对目前汽车域控制器之间的实时任务，CAN总线还是无法处理，如自动驾驶域的传感器突然捕获到异常，需要底盘域立即进行刹车，由于这两个域控制器之间使用车载以太网互联，因此CAN总线也束手无策。基于此问题一种叫作时间敏感网络（TSN）的机制被引入了车载以太网。100BASE-T1 基于 IEEE 802.3 协议，它定义了以太网 MAC 介质访问控制和物理层 PHY 规范。TSN 基于 IEEE 802.1 标准框架，因此其实际上是数据链路层上的改进。
众所周知，IEEE 802 模型中，数据链路层理论上分为 LLC 逻辑链路控制子层和介质访问控制（MAC）子层。但无论是传统以太网还是车载以太网，实际均使用 Ethernet-II 帧，不会使用 802.2 协议定义的 LLC 子层。TSN 相关功能在 MAC 之上的 802.1 桥接子层实现。关于三者链路层的对比如图15所示。
图15 链路层对比
IEEE 802.1规定了一系列的标准来确保TSN网络的实时性，如表8所示。接下来就表8中TSN协议栈里面的TAS和帧抢占来详细展开和阐述其原理。
表8 TSN协议栈
| 标准 | 名称 | 功能 |
| IEEE 802.1Qbv | TAS | 时间感知调度 |
| IEEE 802.1Qbu | FP | 帧抢占 |
| IEEE 802.1Qci | PSFP | 流过滤和监管 |
| IEEE 802.1CB | FRER | 帧复制和消除 |
| IEEE 802.1AS-Rev | gPTP | 增强时间同步 |
3.2.1 时间感知整形调度（Time-Aware Shaper，TAS）
传统以太网的调度方式是基于抢占式占有的，只要满足CSMA/CD的时间机制，可以长时间占用网络。IEEE 802.1Qbv是对IEEE 802.1Q桥接标准进行了扩展和修订，它引入了基于时间调度的队列门控机制（Time-Aware Shaper, TAS），使以太网能够按照预定义时间表发送数据，从而实现确定性通信。TAS机制的架构示意图如图16所示。
图16 TAS机制的架构示意图
图16中可以看出，对于一个域控中的多个通讯任务，优先级过滤器会根据其优先级分配到不同的优先级队列里面。实际系统中，优先级过滤器主要依据数据包中的VLAN（Virtual Local Area Network，虚拟局域网） 标签来对任务进行优先级分类。IEEE 802.1Q 标准在VLAN标签中定义了一个3位的PCP（Priority Code Point）字段，用来表示 8 个不同的优先级（0-7）以对应相应的优先级队列，大多数 TSN 交换机实现中，会为每个端口提供最多 8 个优先级队列，并将 PCP 值映射到这些队列中。表9列出了一些典型业务的优先级。
表9 一些业务的优先级
| TC 队列 | PCP | 业务类型（车载） | GCL 策略 |
| TC7 | 7 | 安全控制（刹车、转向） | 独占时隙、最短延迟 |
| TC6 | 6 | 自动驾驶决策、激光雷达 | 固定时隙、高保障 |
| TC5 | 5 | 摄像头、传感器融合 | 连续时隙、大带宽 |
| TC4 | 4 | 车载诊断、OTA | 分时隙、中等保障 |
| TC3~TC0 | 3~0 | 娱乐、普通数据 | 尽力而为、间隙传输 |
数据进入各优先级队列之后，当多个优先级队列都需要发送数据时，TAS根据优先级选择算法进行调度。在实际的TAS优先级算法实现中，通常会组合使用多种算法。例如，高优先级队列（如队列 7）采用严格优先级调度，确保极限延迟；而低优先级队列（如队列 3-5）则采用信用整形机制（公平的带宽），保证带宽公平性。
被优先级选择算法选取到的数据，将会进入传送门等待发送，在TAS机制中，传输门的状态由门控列表（Gate Control List, GCL）控制，状态只有打开和关闭两种，如果门关闭，即使队列中有数据，也无法发送。传送门的打开时机由TAS 机制的核心调度表——门控列表决定。
门控列表（Gate Control List，GCL）通常使用位掩码（Bit mask）的形式表示各个队列 Gate 的开启或关闭状态（O表示打开，C代表关闭）。如T03=00C00CC0，表示Q0、Q1、Q3、Q4、Q7的传输门处于开启状态，可以参与发送调度。当多个优先级队列同时开启时，具体发送顺序按照优先级严格进行，如Q7的优先级最高，那么调度算法会等Q7优先级队列中的数据发送完成，才会调度下一个开启的优先级队列（例如 Q4）。假定在1ms的时机内，TAS调度器可以将所有优先级中的数据全部发送出去，那么可以整理出如表10所示的优先级序列。
表10 1ms时间划分
| 时间窗口 | 队列 |
| 0–100 微妙 | Q7 |
| 100–300 微妙 | Q6 |
| 300–600 微妙 | Q5 |
| 600–1000 微妙 | Best Effort |
这种时间划分表的底层思想逻辑，是一种时分多址（TDMA, Time Division Multiple Access）技术。简单来说，TDMA就是将时间轴划分为周期性重复的时间片（时隙），每个时间片分配给特定的用户或数据流使用。其时间序列图如图17所示。
图17 TAS时间调度序列图
3.2.2 帧抢占 FP（Frame Preemption，常称 FPE）
在 TAS（802.1Qbv）调度机制中，高优先级流量会分配到受保护时间窗口（Protected Window）。在受保护窗口内，仅允许高优先级流量发送，所有低优先级队列的传输门保持关闭。
但是在窗口切换边界存在潜在风险：当低优先级帧已经启动发送，而高优先级受保护窗口即将开启时，传统以太网MAC一旦开始传输帧就无法中途中断。此时低优先级长帧会持续占用链路，造成高优先级报文阻塞，引入不可控时延。
为解决该冲突，TAS在受保护窗口起始之前，预留一段 Guard Band（保护带）。 Guard Band期间，禁止低优先级队列启动新帧发送。以此保证当高优先级窗口开启瞬间，链路处于空闲状态，高优先级报文可以立即发送。但是Guard Band 会降低链路利用率。因为可能会空出较长时间。为了解决这个问题，TSN 引入IEEE 802.1Qbu——帧抢占（Frame Preemption）。在支持帧抢占（IEEE 802.1Qbu）的网络中，可以将低优先级帧拆分发送，从而显著缩短 Guard Band，提高链路利用率。
实际的TSN以太网中，在原有 MAC 之上新增一层 MAC 合并子层，把流量分成两类，映射两套独立 MAC 通路：
eMAC（Express MAC，快速帧通路）：用于高优先级紧急报文的发送（如车载TC7安全控制帧），它被称为快速帧Express Frame。由于其需要有更高的优先级，因此在其传输时，以太网不可被抢占，且其有权打断pMAC传输。
pMAC（Preemptable MAC，可抢占MAC通路）：普通低优先级报文（TC6~TC0），称为可抢占帧Preemptable Frame，用于低优先级数据帧的传输，在其传输过程中可以被eMAC打断。
抢占流程参考图18。
图18 TSN帧抢占流程
3.3 传输层与应用层
车载以太网的传输层和传统以太网相似，都是以TCP和UDP协议为主。其中 UDP 凭借无连接、低时延特性，作为 SOME/IP、SOME/IP-SD 等车载 SOA（Service-Oriented Architecture） 服务通信的底层传输载体，是车载实时域间通信的首选。
TCP 具备可靠传输能力，多用于固件升级、日志传输等对实时性要求较低、但要求数据无丢失的业务。TSN 作为数据链路层增强机制，不会改变传输层 TCP/UDP 协议栈。
车载以太网应用层和传统以太网有很大差别，其应用层协议主要分为SOA，即面向服务通信、诊断、音视频、软件刷写、其他辅助协议。下面介绍了一些车载以太网应用层的一些协议：
1. SOME/IP(Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP)
车载 SOA 架构的主力应用层协议，最早由BMW提出，OPEN Alliance 标准化，SOME/IP主要以UDP协议为主，同时也能支持TCP协议，它主要是基于域控制器之间服务发布、订阅、请求/响应、事件通知等消息传输方式而实现的，在自动驾驶域、座舱域、动力域之间的跨域服务交互，是现代智能汽车最核心的应用层协议。
2. DoIP（Diagnostic over Internet Protocol，IP车载诊断）
DoIP是一种TCP 为主的诊断协议，同时它也可以基于UDP协议。DoIP基于以太网的 UDS 诊断（ISO 14229），用以替代传统 CAN 诊断。在目前智能汽车上，主要用于整车诊断、故障码读取、标定、UDS 服务，OBD、售后诊断。
除此之外还有一些别的协议，如表11所示。
表11常见的车载以太网应用层协议
| 协议 | 全称 | 承载 | 核心用途 |
| SOME/IP | Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP | UDP/TCP | 域间 SOA 服务通信 |
| SOME/IP-SD | SOME/IP Service Discovery | UDP | SOME/IP 服务发现 |
| DoIP | Diagnostic over IP | TCP/UDP | UDS 车载诊断 |
| AVTP | Audio Video Transport Protocol | 二层 / IP+UDP | 音视频传输（TSN） |
| XCP | Universal Measurement and Calibration Protocol | TCP/UDP | ECU 标定、测量 |
| ISO15118 | Vehicle to Grid | TCP/IP | 车桩 V2G 通信 |
| MQTT | Message Queuing Telemetry Transport | TCP | 车云消息 |
4. 车载以太网的展望
本文一贯的观点为，汽车的智能化需求，促进了车载以太网的发展，假设没有智能化电动汽车的需求，CAN总线无论从哪个角度都是无懈可击，几乎没有任何缺点的，这个最大字节数只有8字节，最高速率只有1Mbps的总线居然统治汽车行业长达50年的时间。在这50年时间里，经常有组织发布用以替代CAN总线的高速化总线，但是无一例外地都无法撼动CAN总线在汽车行业的统治地位。就连完全脱胎于CAN总线的CAN FD（Fast Device）也不温不火。
但是现阶段汽车发展的主要方向就是朝着智能化方向而去，其和传统的汽车有着天壤之别，基本可以看作是两个产品。
传统的汽车，更多意义上只是将人们从某个地方运输到另一个地方的运输工具，但是现在的智能化汽车却不仅仅是一个交通工具，更是为年轻人提供了一个完全属于自己的独立空间、为家庭出行缓解旅途拥堵的“大客厅”，为上班族自动驾驶的“专职司机”。在这些要求下，自动驾驶，影音娱乐，舒适驾乘等功能将会在很长时间内继续快速发展，汽车也正式走上了类似于手机的快速发展史的，因此高带宽，高速率，强稳定的传输方式的需求会越来越大。也许不久的某一天，800G的光模块会出现在汽车上。
