汽车网络技术培训课件.ppt

1、汽车网络技术,0.1 汽车电子技术发展历程,(1) 晶体管时代：六十年代七十年代. (2)集成电路时代：八十年代 九十年代 (3)网络化综合年代：九十年代现在. 三个阶段是汽车电子技术发展的三个里程碑 当前的发展趋势：开始从注重车内各系统间的通信向注重车内网路与车外网络间的通信发展,0.2 汽车上为什么需要发展网络技术,直接原因:汽车产业竞争带来的技术竞争和技 术需求。 间接原因:技术发展达到一定高度提供可能性。 集成电路:只改变产品的体积,工作速度,性能可靠 性; 微处理器:使产品体现出智能特征; 网络技术:解决由于汽车上大量应用电子装置带 来的问题- 汽车电子电器数量过多，系统过大、冗余度

2、高、成本增加、技术效益低下。,数据传递的形式,在汽车上应用的数据传输形式有两种： 1.传统方式 每项信息均通过各自独立的数据线进行交换 在传统汽车中，开关、继电器、电磁仪表等与电子相关的零部件构成了汽车电器，它们之间信息交互是建立在点对点电气信号连接基础上的。电气信号的种类也局限于模拟信号和开关信号。实施信号连接的电线束，通常称为线束。,传统式信息传递,传统式信息传递,发动机ECU,变速器ECU,ABS-ECU,SRSECU,传统式信息传递,据统计，传统汽车所使用的典型线束展开后长约1610m，接头近300个，重35kg，成本超过1000美元；而且，线束重量每增加50kg，汽车的每百公里油耗就

3、至少提高0.2L，更重要的是它成为汽车轻量化和进一步电子化的最大障碍，汽车的设计、制造和维修也变得非常困难。 。,传统式信息传递,随着汽车控制系统越来越复杂，所需传输的信息量也越来越大 因此数据线数量、控制单元数和控制单元的端口也会相应增加 所以传统式数据传递形式只适用于有限信息量的数据交换和传输,形式2网络传输,各控制单元之间的所有信息都通过两 根数据线进行交换CAN数据总线,什么是汽车网络？,汽车上电子控制单元、智能传感器、智能执行器之间为了传递信息而相互连接形成的网络。,汽车网络技术的优点,提高工作可靠性,便于故障检测与诊断,信息共享、降低成本、减少布线,0.3 车载网络发展简史,1 8

4、0年起汽车上开始应用网络技术（点到点控制）： 81年日产公爵汽车遥控 83年日产豹汽车的光学转向开关 83年丰田世纪汽车的光缆车门控制（集中控制） 2 8589年是汽车网络技术的第二阶段 Chrysler new yorxer采用CCD协议和分布式控制 BOSCH提出了 CAN（Controller Area Network) 美国SAE提出了J1850,0.3 车载网络发展简史,3 90年代是汽车网络技术的第三阶段（分布式控制） 日本各汽车公司纷纷提出自己的网络 CAN成为ISO标准，美国SAE也明确表示转向CAN TTP时间触发协议用于X-BY-WIRE。 4 信息娱乐系统网络总线的提出

5、MOST 、D2B、FlexRay 、byteFlight,0.4 主要车载网络基本情况,0.5典型的车载网络结构,动力传动系统：受控对象之间关系到汽车的行驶状态，对实时性要求高，用高速总线连接。 车身系统：控制单元为低速电机和开关器件，对实时性要求低，成本相对要低，用低速总线连接。 信息娱乐系统：控制系统为音频、视频信号，容量大、通信速度高。 故障诊断系统：车用诊断系统在通信网络上加以实现。,0.5 典型的车载网络结构,Audi A6发动机、变速箱和ESP的ECU之间交换的信息,变速箱控制单元 额定发动机扭矩 额定发动机转速 可执行怠速 转速控制调节 超速切断支持 离合器保护 离合器状态 离

6、合器扭矩 档位变换、动作/不动作 压缩机切断 换档杆位置/行驶位置 汽车车速 档位指示 当前档位或目标档位 发动机控制单元编码 应急运行程序（自诊断信息） 车载诊断状态,发动机控制单元 发动机转速 额定怠速转速 实际发动机扭矩 冷却液温度 强制减档信息 加速踏板位置 制动灯开关 制动踏板开关 进气温度 CCS状态（定速巡航） CCS额定车速 海拔高度信息 空调压缩机状态 应急运行程序（自诊断信息）,ESP控制单元,TCS要求 EBC要求 ABS应用 EDL介入 DSP介入,车轮转速，左前 车轮转速，右前 车轮转速，左后 车轮转速，右后,CAN（高）,CAN（低）,变速箱控制单元发送信息,变速箱

7、控制单元接受和计算信息,1.2 计算机网络,1.2.1 计算机网络概述,网络的终端很多并非传统意义上的 计算机，可能是嵌入冰箱中的一个 基于微处理器的控制模块，也可能 是埋在交通路口马路地下的一个智 能传感器,什么是计算机网络（讨论）？,1. 计算机网络功能,共享资源 数据交换 均衡负载互相协作 分布处理 提高计算机的可靠性,2. 计算机网络的类型,按跨度分类 局域网（Local Area Network, LAN） 城域网（Metropolitan Area Network，MAN） 广域网（Wide Area Network, WAN）,2. 计算机网络的类型,按用途分类 公共网络：是向社

8、会开放的网络体系 专用网络：是由个政府部门或一个公司组建经营，不允许其他部门和单位使用的网络,外网,内网,2. 计算机网络的类型,按拓扑结构分类,1. 星型网,2. 计算机网络的类型,按拓扑结构分类,2. 树型网,2. 计算机网络的类型,3. 总线型网,按拓扑结构分类,2. 计算机网络的类型,4. 环型网,按拓扑结构分类,3. 计算机网络中的基本概念,节点（node）,网络上的节点是网络活动的核心组成部分，包括终端节点和中间节点。终端节点一般是网络连接的应用系统和设备，他们利用网络发送或接收信息；中间节点提供信息的转送服务、信息流量控制等网络服务功能。,单位时间传输的信息表明网络传输的速度，一

9、般用单位时间传输的二进制位数表示。单位时间传输的二进制位数称为比特率，单位为bps（bit per second）。,传输速率,3. 计算机网络中的基本概念,串行通信与并行通信,3. 计算机网络中的基本概念,并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。,串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行

10、数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。,并行接口速度比串行接口速度快，这是若干年前的情况了。 在实际时钟频率比较低的情况下，并口因为可以同时传输若干比特，速率确实比串口快。 但是，随着技术的发展，时钟频率越来越高，并行导线之间的相互干扰越来越严重。并行接口因为有多条并行且紧密的导线，但时钟频率提高的一定程度时，传输的数据已经无法恢复。 而串口因为导线少，线间干扰容易控制（通过使用差分信号），反而可以通过不断

11、提高时钟频率来提高传输速率。而且串口的端子也会比较小。这就是为什么现在高速传输都采用串行方式的原因。,同步通信与异步通信 是串行通信的两种基本形式。 从数据格式上区分：异步通信所传输的数据帧格式是由1个起始位、19个数据位、12个停止位组成，依靠起始位和停止位保持同步；同步所传输数据帧格式是由多个字节组成的一个帧，每个帧都有两个（或一个）同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据。,3. 计算机网络中的基本概念,介质（medium）,连接网络节点的信息传输载体，分有线和无线两种类型。常用的传输介质有：,（1）双绞线,（2）同轴电缆,（3）光纤,（4）微波、电磁波、卫星传输等,3. 计算

12、机网络中的基本概念,3. 计算机网络中的基本概念,实体 在通信中任何一个可以作为信息发送的或接收的个体称为通信实体。,帧 是数据链路层的协议数据节点，也是独立的网络信息传输节点，是网络传输的最小单位,报文(message) 是网络中信息交换与传输的数据节点，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长度可变，报文传输过程中会不断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段。可以将其看成是按照一定格式组织起来的数据。,1.2.2 计算机网络体系结构,什么是协议？协议在我们生活中见了很多如：劳动保障协议，国际贸易公平协议，土地使用协议等等。 协议（protoco

13、l）是指两个或两个以上实体为了开展某项活动，经过协商后达成的一致意见。协议总是指某一层的协议。准确地说，它是在同等层之间的实体通信时，有关通信规则和约定的集合。,1.2.2 计算机网络体系结构,网络协议：两个实体要想成功地通信，它们必须“说同样的语言”，并按既定控制法则来保证相互的配合。具体地说，在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面，两个实体要遵从相互可以接受的一组约定和规则。这些约定和规则的集合称为协议。因此，协议可定义为在两实体间控制信息交换的规则之集合。,一个通信协议通常对语法、语义和同步三个方面进行约定，即协议由三个要素组成： 语法 确定通信双方之间“如何讲” 语义 确定通信双方之间

14、“讲什么” 同步 指出事件的排序以及速率匹配,1. 协议分层,分层设计方法化整为零 按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为以一各个的功能层 网络中不同节点（计算机）上的相同功能层采用统一的协议，同一节点（计算机）上的相邻功能层通过接口进行信息的传输,1. 协议分层,简而言之：协议是不同计算机同等层之间的通信约定，而接口是同一计算机相邻层之间的通信约定。 不同类型网络分层的数量、定义的功能不尽相同 共性：每一层都是为上一层服务的,1. 协议分层,实体 在通信中任何一个可以作为信息发送的或接收的个体称为通信实体。,帧 是数据链路层的协议数据节点，也是独立的网络信息传输节点，是网络传输的最小单位,

15、报文(message) 是网络中信息交换与传输的数据节点，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长度可变，报文传输过程中会不断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段。可以将其看成是按照一定格式组织起来的数据。,对等进程：组成不同计算机（收发双方）同等层的实体,见 计算机网络中的基本概念,2. 服务类型,计算机网络信息的传送方式 (1)电路交换 电路交换就是两台计算机在相互通信时使用一条实际的物理链路在通信中自始至终使用该条线路进行信息传输，且不许他机共享该线路的信道容量。电路交换事实上来源于公共电话交换网，由于这种网的实用性和地域的宽广性，早期的计

16、算机通信几乎都使用电路交换方式。 （2）报文交换 当发送方有数据发送时，就将数据按一定格式构成数据块，即报文，然后发送出去，相邻的转接交换机收到这个报文后先存储这个报文，当这个报文传输所需的链路空闲时就将它转发出去，直到到达接收端。这也就是存储-转发方式，与信件的邮递方式相似。 （3）分组交换 分组交换就是每次传输的信息最大长度是有限的，发送端将所要发送信息拆成一个个分组发送出去，转接交换机每次转发的是一个分组(而不像报文交换那样是一整段有意义的信息)、接收端把接收到的分组再逐段组装成报文。采用这种信息传输机制，既增加了通信线路 利用率，又提高了数据通信的实时性，但报文的组装和拆卸以及各分组在

17、网络上的传输都要进行附加的管理，这又增大了网络开销。,3.开放系统互连(0SI) 参考模型,国际标准化组织（ISO）提出的“开放系统互联”（OSI）的参考模型中，网络系统结构划分为7层。从上到下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，如图1.2所示。,下面简要介绍网络系统各层的功能。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层,3.开放系统互连(0SI) 参考模型,开放系统互连(0SI) 参考模型,一、物理层 物理层是组成计算机网络的基础，所有的通信设备、主机等均需用物理线路互连起来，因此，它是OSI七层参考模式的最低层第一层 物理层（Physical

18、 Layer）的作用是在物理传输介质上传输各种数据的比特流，而不管数据的类型和结构如何。这一层除了规定机械、电气、功能、过程等特征外，主要考虑的问题还有： 传输速率 这里由波特率（每秒传输的码元数）和比特率（每秒传输的二进制位数）之分。 信道容量 信道容量即信道能支持的最大数据传输速率，它由信道的带宽和信噪比来决定。,调制/解调 调制/解调就是将一种数据转换成适合在信道上传输的某种电信号形式。,二、数据链路层 在物理线路上，由于噪声干扰、信号衰减畸变等原因，传输过程中常常出现差错，而物理层只负责透明地传输无结果的原始比特流，不可能继续任何差错控制。因此，当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有

19、一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输，把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路层（Data. Link Layer）。,数据链路层最重要的作用就是通过一系列数据链路层协议，在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。为此，通常将原始数据分割成一定长度的数据单元（帧），一帧内应包含同步信号、差错控制、流量控制、控制信息、数据信息、寻址等。这里主要介绍帧的结构和差错控制。 1.组帧与帧同步 在组帧方式中，关键问题是使接收方能够准确地从接收到的比特流中识别出帧的边界，取出帧来，这就是所谓帧同步。,2.差错控制 这里涉及两个方面的问题：一是如何检测出错误；二是发现错误后

20、，如果纠正错误。要判断一个数据块是否存在错误，发送端必须在数据块中加入一些冗余信息，是数据块中的各比特建立起某种形式的关联，接收端通过验证这种关联是否存在，来判断数据在传输过程中是否出错。在数据块中加入冗余信息的过程称为差错编码。,有两种基本的差错编码策略：一种是使码字只具有检错功能，即接收方只能判断数据块有错，但不能确切地知道错误的位置，从而也不能纠错，这种码字称为检错码；另一种是使码字具有一定的纠错功能，即接收方不仅能知道数据块有错，还知道错在什么地方，这时只需将错误位取反即可，这种码字称为纠错码。一般是检错或纠错能力越强，所需冗余信息就越多，编码效率就越低。,介质访问控制子层MAC和逻辑

21、链路控制子层LLC 通信信道又称为介质，网络中采用的传输介质不同或网络拓扑结构不同，所使用的介质访问控制协议就不同。为了不使局域网中的数据链路层过于复杂，将它划分为两个子层，其中一个为介质访问控制子层MAC，专门解决广播网中信道分配的问题。MAC是数据链路的底层，在点点网中没有这一子层。另一个是逻辑链路控制子层LLC，它完成通常意义下的数据链路层的功能。,信道分配策略可分为静态分配和动态分配。在静态分配中，由于各个站点有自己的专用频带或时间片，彼此之间不会产生干扰。当网络站点数目少，且每个站点都有大量数据要发送时，采用静态分配策略不仅控制协议简单，而且传输效率高。 动态分配又名多点接入或多点访

22、问技术，是指异步时分多路复用，即各站点仅当有数据发送时，才占用信道发送数据。动态分配又有受控访问和随机访问两种。受控访问一般有轮询（轮转）和预约两种。,轮转是使每个站轮流获得发送的机会，没有数据要发送的站将发送权传给下一站。预约是使各站首先声明自己有数据要发送，然后根据预约的顺序依次发送数据。随机访问又名争用，意思就是所有的站点发送前不需要取得发送权，都可以随时发送信息，发生冲突之后再采取措施解决冲突。随机访问适用于负载较轻的网络，其信道利用率一般不高，但网络延迟时间较短。,四、网络层 网络层（Network Layer）向上面的传输层提供面向连接的网络服务和无连接的网络服务（即虚电路服务和数

23、据报服务）。所谓“连接”，是指首先在通信双方建立一条虚电路，以后的数据传送都是沿着这条虚电路传送的，在通信结束后，还要把这条“电路”释放掉。这里的虚电路是指在通信双方之间数据传送的一个固定的路由（“路径”）。无连接是指通信双方的每一组数据都可独立地选择路由（走不同的路线），因此它不能保证每组数据按顺序交付目的站。,网络层除了负责路由选择外，还要进行流量控制。因为网络的资源，如处理机的能力、节点的缓冲区的容量、线路的传输速率等总是有限的。当需求超出资源的可用部分时，就会产生拥塞。为了提高资源的利用效率，应当采用流量控制，其总目标是在网络中有效动态分配网络资源。它的主要功能是：防止网络因过载而引起

24、吞吐量下降和时延增加；避免死锁；在互相竞争的各用户之间公平地分配资源。 网络层的寻址，如公用电话网，一个全球网络层寻址标准时互联系统中大家都必须遵守的一个标准。现在的地址编码方法有两大类：一个是非等级地址，另一个是分级地址。,非等级地址编码的特点是每个地址的编号都是平等的且彼此无关，这在全球范围内实际是不可行的。分级地址编码是将全球的地址划分为若干子域，子域下又划分更小的子域就像公用电话号码的划分。TCP/IP协议中IP地址得分配就是这个方式。 网络层的主要功能是将分组从源端机器经选定的路由送到目的端机器。在大多数通信子网中，分组的整个旅途需经过多次转发。路由选择算法和它们使用的数据结构是网络

25、层设计的一个主要任务。,五、传输层 传输层的任务是为高层从源端机到目的及提供可靠、经济的数据传输服务而与具体网络无关。为了保证数据传输的可靠性，传输层上必须实现差错控制、流量控制等功能；为了向用于提供经济有效的服务，传输层还提供多路复用和分流的功能。,1.传输服务 传输层的最终目标是向其用户提供有效、可靠且价格合理的服务。为了达到这一目标，传输层李永乐网络层所提供的服务。传输层中完成这一工作的硬件和软件称为传输实体。传输实体可能在操作系统内核中，或在一个单独的用户进程内，也可能是包含在网络应用的程序库中，或是位于网络接口卡上。 正如存在两种类型的网络服务（面向连接的和无连接的）一样，传输服务也

26、有两种类型。面向连接的服务在很多方面类似于面向连接的网络服务，二者的连接都包括三个阶段：建立连接、数据传输和释放连接，两者的寻址和流量控制方式也类似。无连接的传输服务与无连接的网络服务也很类似。,2.传输协议的要素 传输服务是通过建立连接的两个传输实体之间所用的传输协议来实现的。在某些方面，传输协议类似在前面讨论过的数据链路层协议。二者都必须解决差错控制、分组顺序、流量控制及其他问题。 但二者之间也存在着显著地差异。这些差异主要是因为两个协议所运行的环境不同所造成的。在数据链路层，两个节点通过武力通道直接通信；而在传输层，两个物理通道由整个子网所取代。,这一差异对协议产生了很多重要的影响。首先，在数据链路层，不必为一个节点指明它要与哪个节点