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  • 以太网一、以太网概述二、以太网提供无连接、不可靠的服务三、以太网传输介质与拓扑结构的发展四、10BASE-T以太网五、适配器与MAC地址六、以太网MAC帧七、高速以太网 一、以太网概述 以太网(Ethernet)指的是由...

    一、以太网概述

    以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多点接入/冲突检测) 技术。

    以太网在局域网各种技术中占统治性地位:

    1、造价低廉(以太网网卡不到100块);

    2、是应用最广泛的局域网技术;

    3、比令牌网、ATM网便宜,简单;

    4、满足网络速率要求:10Mb/s~10Gb/s。

    以太网两个标准

    DIX Ethernet V2:第一个局域网产品(以太网)规约。

    IEEE 802.3:IEEE 802委员会802.3工作组指定的第一个IEEE的以太网标准(帧格式有一丢丢改动)

    二、以太网提供无连接、不可靠的服务

    无连接:发送方和接收方之间无”握手过程“。

    不可靠:不对发送方的数据帧编号,接收方不向发送方进行确认,差错帧直接丢弃,差错纠正由高层负责。

    以太网只实现无差错接收,不实现可靠传输。

    三、以太网传输介质与拓扑结构的发展

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    物理拓扑
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    使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各站共享逻辑上的总线,使用的还是CSMA/CD协议。

    以太网拓扑:逻辑上总线型,物理上星型。

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    四、10BASE-T以太网

    10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网,T表示采用双绞线,现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线(UTP),传输速率是10Mb/s

    物理上采用星型拓扑,逻辑上总线型,每段双绞线最长为100m

    采用曼彻斯特编码

    采用CSMA/CD介质访问控制。

    五、适配器与MAC地址

    计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。

    通信适配器:

    网络接口板

    网络接口卡NIC(network interface card)

    现在,不再使用单独网卡。

    适配器上装有处理器存储器(包括RAM和ROM)。

    ROM上有计算机硬件地址MAC地址

    在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址。

    MAC地址:每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址,前24位代表厂家(由IEEE规定),后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示。

    六、以太网MAC帧

    最常用的MAC帧是以太网V2的格式。(具体内容不敲了 书上都有)

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    七、高速以太网

    速率>=100Mb/s的以太网称为高速以太网。

    1、100BASE-T以太网

    在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网,仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。

    支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而无冲突。

    2、吉比特以太网

    在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。

    支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而冲突。

    3、10吉比特

    10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。

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  • 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五宝保证接收方是否收到,因为网络本身就存在诸多的确定性; 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,...

    前言

    近些年来,随着为了让汽车更加安全、智能、环保等,一系列的高级辅助驾驶功能喷涌而出。未来满足这些需求,就对传统的电子电器架构带来了严峻的考验,需要越来越多的电子部件参与信息交互,导致对网络传输速率,稳定性,负载率等方面都提出了更为严格的挑战。

    除此以外,随着人们对汽车多媒体以及影音系统的需求越来越高,当前虽已有各式各样的音视频系统,可随着汽车电动化进程的加速推进,手机控制车辆以及彼此交互的场景不断扩大,可以想象未来联网需求只会不断拓展,无论是车内还是车外的联网需求都不约而同的提出了更多网络带宽的重要性。

    为此,车载以太网应运而生。首先以太网的首要优势之一在于支持多种网络介质,因此可以在汽车领域进行使用;同时由于物理介质与协议无关,因此可以在汽车领域可以做相应的调整与拓展,形成一整套车载以太网协议,该协议将会在未来不断发展并长期使用。

    今天,我们来一起探索车载以太网协议的基本面貌。为了便于大家理解,以下是本文的主题大纲:
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    正文

    车载以太网发展历史

    自1980年至今,IEEE组织、OPEN Aliance SIG组织、宝马、博通公司等为传统以太网到汽车领域的应用拓展发挥了十分关键的作用,重要里程碑事件记录如下:

    • 1980年,Ethernet 1.0成功发布;
    • 1985年,IEEE 802小组公布802.3协议,推出了基于CSMA/CD的10M以太网技术
    • 2004年,BMW公司考虑采用博通公司的以太网技术并于2008年在宝马7系上成功量产以太网刷写技术,其中关键点在于博通公司的单对非屏蔽以太网全双工技术,并保证EMC测试全部PASS
    • 2013年,BroadR-reach技术成功在宝马5系的环视系统中成功量产;
    • 近年来由著名汽车整车厂与供应商组成的OPEN Aliance SIG相继发布了TC8(车载以太网ECU测试规范)以及TC10(车载以太网休眠唤醒规范),同时携手IEEE将车载以太网标砖转化为通用标准。

    车载以太网总体架构

    正由于上述IEEE组织,OPEN Aliance SIG组织, AVNU组织,AUTOSAR组织的共同发展与合作,进而规范了车载以太网符合OSI模型的整体架构,如下图1所示:

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    图1 车载以太网OSI总体架构

    首先针对图1中AVNU,IEEE,AUTOSAR以及OPEN Aliance SIG组织做简要介绍,以便能够较为清晰地了解各组织在车载以太网总体架构地主要贡献及主要目标。

    • AVNU: 致力于推进AVB/TSN时间敏感网络在汽车领域的应用,使以太网成为一种时间确定性的实时网络;
    • IEEE: 电气与电子工程师协会,其中802.3工作小组致力于推进以太网相关标准的制定与完善;
    • AUTOSAR: 汽车开放式系统架构组织,致力于实现汽车软硬间之间解耦的标准同时也为车载以太网软件层级作出了相关规范说明;
    • OPEN Aliance SIG: 为非盈利性的汽车行业和技术联盟,旨在鼓励大规模使用以太网作为车联网标准;

    同时,从上图中可以看出标记为“IT”则为传统以太网技术协议规范,而标记为“Automotive”则为车载以太网技术协议规范。

    显而易见,除了物理层、UDP-NM、DOIP、SOME/IP、SD这五个模块为车载以太网技术协议规范之外,其余均为传统以太网技术。

    物理层

    车载以太网与传统以太网相比,车载以太网仅需要使用1对双绞线,而传统以太网则需要多对,线束较多。

    同时,传统以太网一般使用RJ45连接器连接,而车载以太网并未指定特定的连接器,连接方式更为灵活小巧,能够大大减轻线束重量。除此以外,车载以太网物理层需满足车载环境下更为严格的EMC要求,对于非屏蔽双绞线的传输距离可达15m(屏蔽双绞线可达40m)。

    虽然车载以太网只采用单对差分电压传输的双绞线,但是100M/s以太网可以通过回音消除技术来实现全双工通信。下面就通过表格形式列举出当前主流的物理层标准:

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    表1 车载以太网物理层标准

    从上表可知,当下主流的车载以太网协议主要为IEEE 100BASE-T1以及IEEE 1000BASE-T1,常规使用可采用100BASE-T1,如果需要更高带宽,可选择1000BASE-T1。

    不过因为速率越高,对车载以太网物理层一致性测试就更为严格。

    其中以太网所有物理层的功能全部集中在一个称为“PHY”的模块中,它将以太网控制器以及物理介质连接在一起,并且通过一个标准化接口MII连接,同时PHY模块与底层介质通过MDI接口连接,以100BSASE-T1所示,如下图2所示:

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    图2 物理层PHY接口结构图 (来源:Vector)

    模块接口定义见上图2,具体有关PHY模块的内容在此不做展开,后续会单独专题讲解奉上,敬请关注!

    数据链路层

    数据链路层可细分为LLC(Logic Link Control)以及MAC(Media Access Control)两个层级。此两层级定义与作用如下:

    • LLC: 负责向上层提供服务,管理数据链路通信,链接寻址定义等,与所用物理介质没有关系;
    • MAC: 负责数据帧的封装,总线访问方式,寻址方式以及差错控制等,MAC层的存在则可以使得上层软件与所用物理链路完全隔离,保证了MAC层的统一性;

    其中LLC子层的服务与服务在IEEE 802.2 LAN协议中有所定义,MAC层的主要功能作用则在IEEE 802.3中定义,并采用CSMA/CD访问控制方式,一般MAC层协议在俗称的“网卡”中实现。

    以太网帧格式

    以太网随着历史发展总共存在5种帧格式,不同的以太帧存在不同的类型及MTU值(最大传输数据长度),且可以在同一物理介质上同时存在。

    目前广泛使用的以太网帧格式主要有2种,分别为Ethernet II帧格式与IEEE802.3帧格式。其中车载以太网主要采用Ethernet II帧格式。

    • 完整Ethernet II帧格式

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    图3 Ethernet II帧格式
    • 完整IEEE802.3帧格式

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    图4 IEEE 802.3帧格式

    如上图3与图4进行对比可知,Ethernet II帧格式中的“类型”位置被802.3帧格式的“长度”所替代。上述不同字段的具体含义如下表2所示:

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    表2 以太网帧字段定义说明

    特别的,我们可以通过判别“类型/长度”字段来进一步判断当前帧的类型。若该字段值小于等于0x5DC,那么该帧为IEEE 802.3格式,若该字段值大于等于0x600,则该帧为Ethernet II帧格式。

    同时需要注意Ethernet II帧格式并没有LLC子层的概念,只有MAC层来处理数据服务等内容,而IEEE 802.3则可以

    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。

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    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:

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    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:
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    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基于MAC的动态VLAN技术,如下图6所示:

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    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:

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    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

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    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:

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    图9 IPV4 协议头信息表
    • IPV6协议头

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    图10 IPV6 协议头信息表

    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:

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    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,整体介绍下TCP与UDP的特点及区别。

    • TCP协议

      • TCP协议头
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      图12 TCP协议头

      如下图13所示为TCP协议头的字段解释:

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    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。

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    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:

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    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:

      • 面向连接;
      • 仅支持单播传输,点对点方式,不支持多播或者广播方式;
      • 面向字节流;
      • 可靠传输;
      • 提供拥塞控制;
      • 全双工通信;
    • 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:

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    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:

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    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五宝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。
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      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。

    如下图19是我列举车载以太网种这些应用协议的基础特点以及作用场景给大家一个整体的认识。

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    图19 车载以太网应用层协议一览

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  • 以太网--车载以太网

    2021-08-19 00:47:20
    以太网--车载以太网1 介绍1.1 以往车载总线技术1.2 车载以太网1.3 线束影响2 优点2.1 满足带宽2.2 减少ECU数量2.3 降低线束成本3 应用3.1 汽车2.4 知识点TSN车载以太网架构图参考 1 介绍 1.1 以往车载总线技术 主要...

    1 介绍

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    1.1 以往车载总线技术

    主要包括CAN、LIN、FlexRay、MOST、LVDS等。其中CAN是应用最广泛且最为大众所知的网络总线技术,他们的应用场景主要包括:

    • CAN(控制器局域网)— 1983 年
      CAN 是 Bosch 公司开发的一种共享串行总线,其传输速率可达到 1 Mbps。CAN 后来经过 ISO 批准,成为一种国际标准。它的优点是经济高效,而且可靠性高。但缺点是共享访问,带宽较低。CAN 主要在动力总成、底盘和车身电子设备中使用。
    • LVDS(低压差分信令)— 1994 年
      LVDS 是一种点到点链路,不是共享总线。它的成本比 MOST(媒体定向系统传输)低得多,很多汽车制造商都用它来传输摄像头和视频数据。不过,每个 LVDS 链路一次只能连接一个摄像头或视频输出。
    • LIN(局域互连网络)— 1998 年
      LIN 是由汽车制造商和技术合作伙伴联盟开发的。其速率只有 19,200 比特/秒,并且只需要一条共享线路,而 CAN 需要 2 条。LIN 采用了主从体系结构,而 CAN 将所有节点都视为是平等的。LIN 的成本比 CAN 低,其速度和成本正好适合车身电子设备,例如镜子、电动座椅和配件等。因此不占用CAN总线性能,在现代汽车应用中,LIN总线通常被用作CAN总线的补充网络。
    • MOST(媒体定向系统传输)— 1998 年
      MOST 采用环形体系结构,使用光纤或铜缆互连,数据速率可达到 150 Mbps (MOST150)。每个环可以包含 64 个 MOST 器件。它内置流媒体数据通道,高数据带宽,并支持多种光缆路由方法。电磁兼容性能良好,主要用于汽车音视频数据传输。
    • FlexRay — 2000
      FlexRay 是一种数据速率高达 10 Mbps 的共享串行总线。它是由 FlexRay 联盟开发的。该联盟是由半导体制造商、汽车制造商和基础设施提供商所建立的一个组织。与 CAN 不同,它没有内置的误码恢复功能,而是将误码处理留给了应用层。它的优势是带宽比 CAN 高,但缺点在于成本较高,而且需要共享使用媒体。FlexRay 主要用于高性能动力总成和安全系统,如线控驱动、主动悬架和自适应巡航控制。用于满足汽车环境中独特的网络要求,支持重要的安全线控技术应用,如线控转向和线控制动等。
    • CAN FD(灵活数据速率)— 2012 年
      CAN FD 是 BOSCH 公司在 2012 年发布的一种标准,它是对原始 CAN 总线协议的扩展。其设计初衷是为了满足汽车网络对更高带宽的要求。CAN FD 通过最大限度缩短协议时延和提供更高带宽,实现更精确和接近实时的数据传输。CAN FD 可以与现有的 CAN 网络兼容。
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    1.2 车载以太网

    • 如今汽车越来越智能,当汽车中需要LIDAR、RADAR、摄像头和 V2X 设备等,以往的车载总线技术带宽不能满足,由此催生了车载以太网。
    • 车载以太网是在汽车中连接电子元器件的一种有线网络。其设计初衷是希望满足汽车行业对带宽、延迟、同步、干扰(例如 电磁干扰(EMI))、安全性和网络管理等方面的要求。车载以太网的概念最初是由 Broadcom 提出的,后来 OPEN(单对以太网)联盟采纳了这一标准并承担起管理职责。OPEN 推广 Broadcom 的 100 Mbps BroadR-Reach 作为多供应商许可解决方案。100 Mbps PHY 实施借鉴了 1 Gbps 以太网的技术,能够在一对线缆上实现 100 Mbps 双向传输。此技术使用了更先进的编码方案,可以消除回声,将基本频率(从 125 MHz)降至 66 MHz。

    1.3 线束影响

    汽车中就重量和成本而言,连接汽车各系统的线束在所有汽车部件中排名第三。
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    2 优点

    2.1 满足带宽

    2.2 减少ECU数量

    以往分布式运算,需要增加更多的ECU,增加成本,同时增加算力资源浪费。采用车载以太网能降低成本。

    2.3 降低线束成本

    一辆低端车的线束系统成本只要大约300美元,重量大约30公斤,长度大约1500米,线束大约600根,1200个接点。而目前一辆豪华车的线束系统成本大约550-650美元,重量大约60公斤,线束大约1500根,长度大约5000米,3000个接点。如果沿用目前的电子架构体系,无人车时代的线束成本不会低于1000美元,重量可达100公斤。车载以太网使用单对非屏蔽电缆以及更小型紧凑的连接器,使用非屏蔽双绞线时可支持15m的传输距离(对于屏蔽双绞线可支持40m),这种优化处理使车载以太网可满足车载EMC要求。可减少高达80%的车内连接成本和高达30%的车内布线重量。100M车载以太网的PHY采用了1G以太网的技术,可通过使用回声抵消在单线对上实现双向通信。

    3 应用

    3.1 汽车

    • 奥迪A8网络架构,以太骨干网、域控制器是核心
    • 特斯拉采用以太骨干网
    • 蔚来汽车网络架构,以太骨干网、域控制器是核心
    • 英特尔的无人车运算平台,也是应用了以太骨干网

    4 知识点

    TSN

    TSN主要定位数据链路层,在物理层方面,IEEE也做了新标准,这就是IEEE 802.3bp和IEEE 802.3bw,IEEE的目标不仅是车载领域,还包括了工业以太网。
    TSN主要支持者包括思科、英特尔、瑞萨、德国工业机器人巨头KUKA、三星哈曼、宝马、通用汽车、现代汽车、博世、博通、德州仪器、NXP、三菱电机、LG、Marvell、模拟器件,通用电气。
    TSN是一系列标准,非常庞大,也非常灵活,可以按需求选择,不过对技术实力差的厂家来说就很痛苦,不知如何选择。

    车载以太网架构图

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    标准化

    车载以太网标准化方面,IEEE802.3和IEEE802.1工作组,AUTOSAR、OPEN联盟以及AVnu联盟起到了主要了推动作用。

    • IEEE
      其中IEEE802.3制定的局域网标准代表了业界主流的以太网标准,车载以太网技术是在IEEE802.3基础上开始研制的,因此IEEE是目前最为重要的车载以太网国际标准化机构。为了满足车内的要求,涉及到IEEE802和802.1两个工作组内的多个新规范的制定和原有规范的修订,包括PHY规范,AVB规范,单线对数据线供电等。另外AVB中有关AV的传输、定时同步等规范还需要IEEE的其他技术委员会的标准化,如IEEE1722、IEEE1588。
    • OPEN联盟
      OPEN联盟于2011年11月由博通(Broadcom)、恩智浦(NXP)以及宝马(BMW)公司发起成立的开放产业联盟,旨在推动将基于以太网的技术标准应用于车内联网。其主要标准化目标是制定 100Mbit/s BroadR-R 的物理层标准、制定OPEN的互通性要求。
    • AUTOSAR
      AUTOSAR 是由汽车制造商、供应商以及工具开发商发起的联盟,旨在制定一个开放的、标准化的车用软件架构,目前AUTOSAR 规范已经包含车用 TCP/UDP/IP协议栈。
    • AVnu
      AVnu 联盟是由博通联合思科、哈曼和英特尔成立,致力于推广IEEE 802.1的AVB标准和时间同步网络(TSN)标准,建立认证体系,并解决诸如精确定时、实时同步、带宽预留以及流量整形等重要的技术和性能问题。

    参考

    1、
    2、
    3、车载以太网-扫盲篇
    4、四足机器人通信架构
    5、雅马哈机器人以太网通信_四足机器人通信架构
    6、为什么自动驾驶系统需要车载以太网
    7、车载以太网技术简介
    8、【车载以太网】【架构】整体架构与协议标准

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  • 以太网

    2021-03-07 13:47:52
    二层以太接口的物理地址,通常可改变。 在不同的操作系统上有不同的表现形式: MAC由48位二进制组成 OUI:组织机构代码 ; EUI:组织内部序号 单播、组播、广播 以太网集线器 MDI

    IEEE组织——电子电气工程师协会

    链路类型,链路一般分为两种类型分别是:
    点到点链路:即仅支持两个接口的链路,例如:PPP、DHLC。
    广播型链路(MA多路访问):允许链路上存在两个以上的接口,所以需要区别不同的接口,那么规定每个以太网接口都要有一个全球唯一但链路有效的MAC地址。
    以太网的定义:以太网是一种广播式数据链路层协议,支持多点接入;个人电脑的网络接口遵循的就是以太网标准;一般情况下,一个广播域对应着一个IP网段。
    MAC地址:MAC (Media Access Control)地址在网络中唯一标识一个网卡,每个网卡都需要且会有唯一的一个MAC地址;MAC用于在一个IP网段内,寻址找到具体的物理设备;工作在数据链路层的设备。例如以太网交换机,会维护一张MAC地址表,用于指导数据帧转发。

    著名的标准

    IEEE 802——局域网及城域网
    IEEE 802.11——无线以太网
    IEEE 802.2——逻辑链路控制
    IEEE 802.3——带冲突检测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD(半双工以太网)

    终端之间的通信

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    MAC:介质接入控制地址

    二层以太接口的物理地址,通常不可改变。

    • MAC地址由两部分组成,分别是供应商代码和序列号。其中前24位代表该供应商代码,由IEEE管理和分配。剩下24位序列号由厂商自己分配。
    • MAC地址对应于OSI参考模型的第二层数据链路层,工作在数据链路层的交换机维护着计算机MAC地址和自身端口的数据库,交换机根据收到的数据帧中的“目的MAC地址”字段来转发数据帧。
    • 在不同的操作系统上有不同的表现形式:
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    MAC由48位二进制组成
    OUI:组织机构代码 ; EUI:组织内部序号在这里插入图片描述

    MAC地址与IP地址区别

    IP地址和MAC地址相同点是它们都唯一,不同的特点主要有:

    1. 对于网络上的某一设备,如一台计算机或一台路由器,其IP地址是基于网络拓扑设计出的,同一台设备或计算机上,改动IP地址是很容易的(但必须唯一),而MAC则是生产厂商烧录好的,一般不能改动。我们可以根据需要给一台主机指定任意的IP地址,如我们可以给局域网上的某台计算机分配IP地址为192.168.0.112,也可以将它改成192.168.0.200而任一网络设备(如网卡,路由器)一旦生产出来以后,其MAC地址不可由本地连接内的配置进行修改。如果一个计算机的网卡坏了,在更换网卡之后,该计算机的MAC地址就变了。

    2. 长度不同。IP地址为32位,MAC地址为48位。

    3. 分配依据不同。IP地址的分配是基于网络拓扑,MAC地址的分配是基于制造商。

    4. 寻址协议层不同。IP地址应用于OSI第三层,即网络层,而MAC地址应用在OSI第二层,即数据链路层。 数据链路层协议可以使数据从一个节点传递到相同链路的另一个节点上(通过MAC地址),而网络层协议使数据可以从一个网络传递到另一个网络上(ARP根据目的IP地址,找到中间节点的MAC地址,通过中间节点传送,从而最终到达目的网络)。

    单播、组播、广播

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    单播

    单播,指从单一的源端发送到单一的目的端。
     
    每个主机接口由一个MAC地址唯一标识,MAC地址的OUI中,第一字节第8个比特表示地址类型。对于主机MAC地址,这个比特固定为0,表示目的MAC地址为此MAC地址的帧都是发送到某个唯一的目的端。

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    单播的长处:

    1. server及时响应客户机的请求;
    2. server针对每一个客户不通的请求发送不通的数据,easy实现个性化服务,

    单播的缺点:

    1. server针对每一个客户机发送数据流,server流量=客户机数量×客户机流量。在客户数量大、每一个客户机流量大的流媒体应用中server不堪重负。
    2. 现有的网络带宽是金字塔结构,城际省际主干带宽只相当于其所实用户带宽之和的5%。

     
    共享式网络中,不同的主机同时发送数据时,就会产生信号冲突的问题,这时的共享网络就是一个冲突域 ,冲突域是一个一层的概念。

    在冲突域中,所有主机都能收到源主机发送的单播帧,但是其他主机发现目的地址与本地MAC地址不一致后会丢弃收到的帧,只有真正的目的主机才会接收并处理收到的帧。

     
    集线器 下的所有主机就是一个冲突域,目前基本上没有这种共享式网络了。
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    解决这一问题的方法一般是采用载波侦听多路访问/冲突检测技术。
     

    组播

    组播比广播更加高效。组播转发可以理解为选择性的广播,主机侦听特定组播地址,接收并处理目的MAC地址为该组播MAC地址的帧。
     

    组播MAC地址和单播MAC地址是通过第一字节中的第8个比特区分的。组播MAC地址的第8个比特为1。
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    当需要网络上的一组主机(而不是全部主机)接收相同信息,并且其他主机不受影响的情况下通常会使用组播方式。

     
    组播的长处:

    1. 须要同样数据流的client增加同样的组共享一条数据流。节省了server的负载。具备广播所具备的长处。
    2. 因为组播协议是依据接受者的须要对数据流进行复制转发。所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议同意有2亿6千多万个组播,所以其提供的服务能够很丰富。
    3. 此协议和单播协议一样同意在Internet宽带网上传输。

    组播的缺点:

    1. 与单播协议相比没有纠错机制。发生丢包错包后难以弥补。但能够通过一定的容错机制和QOS加以弥补。

    2. 现行网络尽管都支持组播的传输。但在客户认证、QOS等方面还须要完好,这些缺点在理论上都有成熟的解决方式,仅仅是须要逐步推广应用到现存网络其中。

       

    广播

    广播,表示帧从单一的源发送到共享以太网上的所有主机。
     
    广播帧的目的MAC地址为十六进制的FF:FF:FF:FF:FF:FF,(所有收到该广播帧的主机都要接收并处理这个帧。
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    当需要网络中的所有主机都能接收到相同的信息并进行处理的情况下,通常会使用广播方式。
     

    广播的长处:

    1. 网络设备简单,维护简单,布网成本低廉
    2. 因为server不用向每一个客户机单独发送数据,所以server流量负载极低。

    广播的缺点:

    1. 广播方式会产生大量流量,导致带宽利用率降低,进而影响整个网络的性能。
    2. 无法针对每一个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
    3. 网络同意server提供数据的带宽有限,client的最大带宽=服务总带宽。比如有线电视的client的线路支持100个频道(假设採用数字压缩技术,理论上能够提供500个频道),即使服务商有更大的財力配置很多其它的发送设备、改成光纤主干。也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供很多其它样化、更加个性化的服务。
    4. 广播禁止同意在Internet宽带网上传输。

    广播域: 就是说如果站点发出一个广播信号后能接收到这个信号的范围。通常来说一个局域网就是一个广播域。广播域是一个二层的概念。
     
    交换机下的所有主机就是一个广播域,交换机可以隔离冲突域。
     
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    以太网集线器

     
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    MDI/MDIX

    DCE数据通信设备:switch
    DTE数据通信终端:router/pc

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    同类设备(交叉线):
    SW + SW
    PC + PC
    PC + router
    
    异类设备(直连线):
    SW + PC
    SW + router
    

    传输介质

    双绞线: 传输距离100米。
    光纤:
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    现在的光模块

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    以太帧

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    • Preamble(前导码)
      由0、1间隔代码组成,用来通知目标站作好接收准备(同步数据传输过程中的双方发送与接收的速率)。以太网帧则使用8个字节的0、1间隔代码作为起始符。IEEE 802.3帧的前导码占用前7个字节,第8个字节是两个连续的代码1,名称为帧首定界符(SOF),表示一帧实际开始。

    • Destination Address & Source Address(目的地址和源地址)
      表示发送和接收帧的工作站的地址,各占据6个字节。其中,目标地址可以是单址,也可以是多点传送或广播地址。

    • 类型(Type)或长度(Length)
      这两个字节在Ethernet II帧中表示类型(Type),指定接收数据的高层协议类型。
      而在IEEE 802.3帧中表示长度(Length),说明后面数据段的长度。

    • Data(数据)
      在经过物理层和逻辑链路层的处理之后,包含在帧中的数据将被传递给在类型段中指定的高层协议。该数据段的长度最小应当不低于46个字节,最大应不超过1500字节。如果数据段长度过小,那么将会在数据段后自动填充(Trailer)字符。相反,如果数据段长度过大,那么将会把数据段分段后传输。在IEEE 802.3帧中该部分还包含802.2的头部信息。

    • FCS(帧校验序列)
      包含长度为4个字节的循环冗余校验值(CRC),由发送设备计算产生,在接收方被重新计算以确定帧在传送过程中是否被损坏。
      校验和:4 个字节,对接收网卡(主要是检测数据与填充字段)提供判断是否传输错误的一种方法,如果发现错误,则丢弃此帧。目前最为流行的用于校验和(FCS)的算法是循环冗余校验(cyclic redundancy check – CRC)。

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    不同的Type字段值可以用来区别这两种帧的类型:
    当Type/Length字段值>=1536 (或者十六进制的0x0600)时,帧使用的是Ethernet II格式。
    当Type/Length字段值<=1500(或者十六进制的0x05DC)时,帧使用的是IEEE 802.3格式。

    Ethernet II 帧格式

    一般用于业务数据传输 。
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    Ethernet II 帧类型值大于等于1536(0x0600),以太网数据帧的长度在64 - 1518字节之间。

    类型字段(Type) 用于标识数据字段中包含的高层协议,该字段长度为2个字节。类型字段取值为0x0800的帧代表IP协议帧;类型字段取值为0806的帧代表ARP协议帧。
    数据字段(Data) 是网络层数据,最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节,数据字段的最大长度为1500字节。
    循环冗余校验字段(FCS) 提供了一种错误检测机制。该字段长度为4个字节。

    IEEE802.3 帧格式

    一般用于控制协议。
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    IEEE 802.3 帧长度字段值小于等于1500 (0x05DC)

    IEEE 802.3帧格式类似于Ethernet_II帧,只是Ethernet_II帧的Type域被802.3帧的Length域取代,并且占用了Data字段的8个字节作为LLC和SNAP字段。

    Length字段 定义了Data字段包含的字节数。

    逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)由目的服务访问点DSAP(Destination Service Access Point)、源服务访问点SSAP(Source Service Access Point)和Control字段组成。

    SNAP(Sub-network Access Protocol)由机构代码(Org Code)和类型(Type)字段组成。Org code三个字节都为0。Type字段的含义与Ethernet_II帧中的Type字段相同。IEEE802.3帧根据DSAP和SSAP字段的取值又可分为以下几类:

    1. 当DSAP和SSAP都取特定值 0xff 时,802.3帧就变成了Netware-ETHERNET帧。用来承载NetWare类型的数据。
    2. 当DSAP和SSAP都取特定值 0xaa 时,802.3帧就变成了ETHERNET_SNAP帧。Ethernet_SNAP帧可以用于传输多种协议。
    3. DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3帧。

    根据CSMA/CD要求,为保证碰撞检测以太网最小帧长为64字节,其中以太网帧头+帧尾共18字节,所以以太网的data(IP,arp,rarp数据报)
    至少为46字节,而arp或者rarp为28字节,为达到46字节需要填充18字节(pad)。
    以太网帧有最小和最大尺寸。最小的帧是64字节,要求数据区(有效载荷)长度(无标签)最小为48字节。当有效载荷达不到下限时,填充字节(值为0)被添加到有效载荷尾部,以确保达到最小长度。

    帧最小长度的规定对最初的10Mb/s以太网的CSMA/CD很重要。
    为了使传输数据的站能知道哪个帧发生了冲突,通常限制一个以太网的传输长度(2500m,通过4个中继器连接的5个电缆段)。长度和电子传播速度确定就可以算出输出帧到达目的地所需时间。那么一个输出帧的最后位在所需时间后仍处于传输过程中,这个时间是信号到达位于最大距离的接收器并返回的时间。如果这时检测到一个冲突,传输中的站就能知道是当前在传输的帧发生了冲突。这种情况下该站发送一个干扰信号提醒其他站,然后启动一个随机的二进制指数退避过程。

    在802.3标准里,规定了一个以太帧的数据部分(Payload)的最大长度是1500个字节,这个数也是你经常在网络设备里看到的MTU。在这个限制之下,最长的以太帧包括6字节的目的地址(DMAC)、6字节的源地址(SMAC)、2字节的以太类型(EtherType)、1500字节的数据(Payload)、4字节的校验(FCS),总共是1518字节。在802.1Q中,又定义了以太帧中可选的QTag,位于SMAC和EtherType之间,占4个字节。在这种情况下,一个以太帧如果有QTag,它的最大长度就变成了1522字节。

    上述情况针对于标准以太网或快速以太网。在千兆、万兆甚至更高的以太网时代,1500字节显得传输效率不够高(数据区尺寸占帧总尺寸的比例),因此允许传输以太网巨型帧,这是一种非标准的以太网扩展,通常允许帧尺寸高达9000字节。

    为什么以太网最小帧是64字节

    以太网在发送数据时,如果帧的前64字节没有发送冲突,那么后续的数据就不会发送冲突。换句话说,就是如果发送冲突,就一定是在发送的前64字节之内。因为检测到冲突就停止发送,这时已经发送出去的数据一定小于64字节。

    因此以太网规定了最短有效帧长为64字节,只要长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。收到这种无效帧就立即丢弃。

    以太网是不可靠的,这意味着它并不知道对方有没有收到自己发出的数据包,但如果他发出的数据包发生错误,他会进行重传。以太网的错误主要是发生碰撞,碰撞是指两台机器同时监听到网络是空闲的,同时发送数据,就会发生碰撞,碰撞对于以太网来说是正常的。

    我们来看一下,假设A检测到网络是空闲的,开始发数据包,尽力传输,当数据包还没有到达B时,B也监测到网络是空闲的,开始发数据包,这时就会发生碰 撞,B 首先发现发生碰撞,开始发送碰撞信号,所谓碰撞信号,就是连续的01010101或者10101010,十六进制就是55或AA。这个碰撞信号会返回到 A,如果碰撞信号到达A时,A还没有发完这个数据包,A就知道这个数据包发生了错误,就会重传这个数据包。但如果碰撞信号会返回到A时,数据包已经发完, 则A不会重传这个数据包。

    我们先看一下,以太网为什么要设计这样的重传机制。首先,以太网不想采用连接机制,因为会降低效率,但他又想有一定的重传机制,因为以太网的重传是微秒级,而传输层的重传,如TCP的重传达到毫秒级,应用层的重传更达到秒级,我们可以看到越底层的重传,速度越快,所以对于以太网错误,以太网必须有重传机制。

    要保证以太网的重传,必须保证A收到碰撞信号的时候,数据包没有传完,要实现这一要求,A和B之间的距离很关键,也就是说信号在A和B之间传输的来回时间必须控制在一定范围之内。IEEE定义了这个标准, 一个碰撞域内,最远的两台机器之间的round-trip time 要小于512bit time.(来回时间小于512位时,所谓位时就是传输一个比特需要的时间)。这也是我们常说的一个碰撞域的直径。

    512个位时,也就是64字节的传输时间,如果以太网数据包大于或等于64个字节,就能保证碰撞信号到达A的时候,数据包还没有传完。

    这就是为什么以太网要最小64个字节,同样,在正常的情况下,碰撞信号应该出现在64个字节之内,这是正常的以太网碰撞,如果碰撞信号出现在64个字节之后,叫 late collision。这是不正常的。

    我们以前学习CISCO网络的时候,CISCO交换机有一种转发方式叫fragment-free,叫无碎片转发,他就是检查64个字节之内有没有错误,有的话不转发,这样就排除了正常的以太网错误包。

    帧校验序列

    以太网帧格式中,数据区(有效载荷区)之后的最后4字节字段提供了对帧完整性的检查。检查方法是利用循环冗余校验(CRC)将计算结果写入FCS字段中,接收方接收到以太网帧后对FCS字段进行相同过程的CRC计算,若计算结果与FCS字段不同,则帧可能在传输过程中受损,这种情况下受损帧通常被丢弃。

    CRC的过程就是将FCS字段中的数据除以一个约定好的生成多项式,所得余数取反后的值写入FCS中。生成多项式已经被标准化为一系列不同的n值,以太网使用n=32,CRC32的生成多项式是33位的二进制数100000100110000010001110110110111

    下图是以5位二进制数11001为生成多项式,结果取4位的例子。余数为0100,取反后得到1011即为最终结果。

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    MTU

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    以太帧的发送和接收

    1. 在Ethernet中,当一个节点利用总线发送数据帧时,其他节点都应该处于接收状态。当节点入网并启动接收后,就处于接收状态。所有节点只要不发送数据,就应该处于接收状态。
    2. 当一个节点完成一帧数据接收后,首先要判断接收帧的长度。因为IEEE 802.3协议对Ethernet帧的最小长度做了个规定。若最小长度小于规定的帧最小长度(64B),则表明冲突发生,应丢弃该帧,节点重新进入等待状态。
    3. 如果没有冲突,那么节点完成一帧数据接收后,首先要检查帧的目的地址。如果目的地址为单播地址,且为本节点地址,则接收该帧;如果目的地址是组播地址,而接收地址属于该组,则接收该帧;如果目的地址是广播地址,则也应该接收该帧;如果目的地址不符合上述3种情况,则丢弃该帧。
    4. 接收节点进行地址匹配后,如果确认是应该接收的帧,则进行CRC校验。如果CRC校验正确,则主机会根据帧头部中的Type字段来确定将该帧中的数据发送给上层哪个协议处理,并报告“成功接收”并进入结束状态。
    5. 如果帧校验中发生错误,则首先应该判断接收帧的长度是不是8位的整数倍。如果帧的长度是8位的整数倍,则表示传输中没有发现比特丢失或对错位,此时应报告“帧校验错”并进入结束状态。如果帧长度不是8位的整数倍,则报告“帧比特错”并进入结束状态。
       

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    当主机接收到的数据帧所包含的目的MAC地址是自己时,会把以太网封装剥掉后送往上层协议。

    本例中,Type字段的值为0x0800,表明该帧需要发送到IP协议上处理。在发送给IP协议之前,帧的头部和尾部会被剥掉。

     

    终端设备接到数据帧的处理方式:

    1、帧从主机的物理接口发送出来后,通过传输介质传输到目的端。共享网络中,这个帧可能到达多个主机。

    2、主机检查帧头中的目的MAC地址,如果目的MAC地址不是本机MAC地址,也不是本机侦听的组播或广播MAC地址,则主机会丢弃收到的帧。

    3、如果目的MAC地址是本机MAC地址,则接收该帧,检查帧校验序列(FCS)字段,并与本机计算的值对比来确定帧在传输过程中是否保持了完整性。

    如果帧的FCS值与本机计算的值不同,主机会认为帧已被破坏,并会丢弃该帧。

    如果该帧通过了FCS校验,则主机会根据帧头部中的Type字段来确定将帧发送给上层哪个协议处理。如果Type字段的值为0x0800,表明该帧需要发送到IP协议上处理。在发送给IP协议之前,帧的头部和尾部会被剥掉。
     
     

    载波侦听多路访问/冲突检测技术(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

    CSMA/CD的基本工作原理:

    1、终端设备不停地检测共享线路的状态。如果线路空闲,则可以发送数据;如果线路不空闲,则等待一段时间后继续检测(延时时间由退避算法决定)。

    2、如果有另外一个设备同时发送数据,两个设备发送的数据会产生冲突。

    3、终端设备检测到冲突之后,马上停止发送自己的数据,并发送特殊阻塞信息,以强化冲突信号,使线路上其他站点能够尽早检测到冲突。

    4、终端设备检测到冲突后,等待一段时间之后再进行数据发送(延时时间由退避算法决定)。

    CSMA/CD的工作原理可简单总结为:先听后发,边发边听,冲突停发,随机延迟后重发。

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  • 浅谈车载以太网1

    2021-12-05 10:21:13
    #引子#写这篇帖子的现在我正在东北隔离,10月初因为有事从德国回国,到今天已经在一个房间待了半个多月了,足能出户,就在某乎写Autosar相关的帖子,机缘巧合认识了网友徽州骆驼,向我推荐了这里,我正好也想了解...
  • 计算机网络实验 分析以太网数据帧的构成实 验 报 告实验课程名称 计算机网络技术基础实验项目名称 分析以太网数据帧的构成年 级 08专 业 电子信息科学与技术学生姓名 郎子龙学 号 080712110069理 学 院实验时间: ...
  • 以太网链路聚合

    2021-03-16 10:58:20
    目录一、以太网链路聚合二、链路聚合实验 一、以太网链路聚合  以太网链路聚合 ---- Eth-trunk多链路汇聚,将多条物理链路变为一条E-trunk 的逻辑链路,从而实现 增加链路带宽 的目的。是将多个物理端口汇聚在...
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空空如也

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