MAC幀格式

對(duì)于MAC幀格式則是從“目標(biāo)物理地址”開(kāi)始至“幀校驗(yàn)”結(jié)束為一完整的MAC幀。如下圖4所示為MAC的完整幀，包括目標(biāo)物理地址，源物理地址，類型/長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)以及幀校驗(yàn)CRC組成。

圖4 MAC完整幀格式特別地，如圖中4所示，“ VLAN Tag” 字段可選，當(dāng)沒(méi)有VLAN Flag則為Basic MAC幀，當(dāng)存在該字段時(shí)，則為VLAN MAC幀，即MAC幀可分為基本MAC幀(無(wú)VLAN)和標(biāo)記MAC幀(包括VLAN)兩種。

其中“ 類型 ”字段通常可以為以下幾種類型，且該類型列表由IEEE組織來(lái)維護(hù)，如下表3所示列舉了車(chē)載以太網(wǎng)領(lǐng)域常用的Ethernet Type：

表3 車(chē)載以太網(wǎng)常用類型MAC尋址方式

MAC地址作為每個(gè)以太網(wǎng)接口的固定地址，一般由供應(yīng)商出廠就固定下來(lái)不可更改。地址長(zhǎng)度為 6Byte ，例如00-17-4F-08-78-88，其中前3個(gè)字節(jié)為組織編號(hào)，如下圖5所示為MAC地址的尋址方式以及字節(jié)定義：

圖5 MAC尋址方式(來(lái)源：Vector)如上圖所示：前3個(gè)字節(jié)為組織唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，由IEEE分配給到網(wǎng)卡生產(chǎn)廠商,其中Byte5/Bit1表示該MAC地址是全球地址還是本地地址，Byte5/Bit 0 用于表示該幀為組播MAC地址，單播地址還是廣播地址；

• 0：?jiǎn)尾サ刂?1對(duì)1)，普通終端設(shè)備接收；
• 1：組播地址(1對(duì)多)，僅交換機(jī)會(huì)接收，普通終端設(shè)備不會(huì)接收；
• 48個(gè)bit全為1：表示為廣播地址，所有設(shè)備均會(huì)接收；

MAC VLAN

VLAN作為一種分割廣播域的技術(shù)手段，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)不必要的開(kāi)銷，全稱為 虛擬局域網(wǎng)技術(shù) 。該技術(shù)分割廣播域的方法有很多種，在此僅簡(jiǎn)要介紹下基于MAC的動(dòng)態(tài)VLAN技術(shù)，如下圖6所示：

圖6 基于MAC的動(dòng)態(tài)VLAN技術(shù)(來(lái)源 Vector)如上圖所示，ECU1與ECU2被劃分為屬于同一VLAN1，而ECU2與ECU4則被劃分為屬于同一VLAN2。只需要提前配置好各ECU所屬的VLAN即可，基于MAC的VLAN的優(yōu)點(diǎn)在于即使換了連接端口或者交換機(jī)都可以自動(dòng)重新識(shí)別，不需要重復(fù)進(jìn)行配置，主要用于DHCP或者ARP協(xié)議發(fā)送廣播幀的場(chǎng)景。

正如前面所述MAC幀可分為基本MAC幀(無(wú)VLAN)和標(biāo)記MAC幀(包括VLAN)兩種，而如果為如果時(shí)標(biāo)記MAC幀，那么就會(huì)使用到VLAN Tag，同時(shí)“數(shù)據(jù)”字段的最小長(zhǎng)度為不帶VLAN標(biāo)記的46Byte與帶VLAN標(biāo)記的42Byte，因?yàn)閂LAN Tag占用了4個(gè)字節(jié)，最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為1500Byte。

如下圖7所示則為VLAN Tag的含義說(shuō)明：

圖7 VLAN Tag定義說(shuō)明 (來(lái)源：Vector)如上圖7所示，VLAN Tag總共可以分為以下3個(gè)部分：

• PRI(3Bit)： 幀優(yōu)先級(jí)，就是通常所說(shuō)的802.1p；
• CFI(1Bit)： 規(guī)范標(biāo)識(shí)符，0為規(guī)范格式，用于802.3或Ethernet II以太網(wǎng)幀；
• VLAN ID： 就是VLAN的標(biāo)識(shí)符ID；

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層就是IP協(xié)議所在的層級(jí)，IP協(xié)議可以分為IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4，IP協(xié)議的主要作用就是基于IP地址轉(zhuǎn)發(fā)分包數(shù)據(jù)。

同時(shí)IP也是一種分組交換協(xié)議，但是IP卻不具備自動(dòng)重發(fā)機(jī)制，即使數(shù)據(jù)沒(méi)有達(dá)到目的地也不會(huì)進(jìn)行重發(fā)，所以IP協(xié)議屬于非可靠性協(xié)議。

車(chē)載以太網(wǎng)主要使用IPV4協(xié)議，同時(shí)由于該協(xié)議也屬于傳統(tǒng)以太網(wǎng)范疇，所以不會(huì)對(duì)該模塊做過(guò)多細(xì)節(jié)性闡述。

IPV4協(xié)議頭

圖8 IPV4協(xié)議頭由上可知， IP首部為20Byte 。

該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：

圖9 IPV4 協(xié)議頭信息表IPV6協(xié)議頭

圖10 IPV6 協(xié)議頭需要注意的是IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)文是 IPv4 的 4 倍，IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)文主要由兩個(gè)部分組成：Header（首部）和 Payload（負(fù)載）。其中，IPv6 Header 的大小是 IPv4 的 2 倍。該協(xié)議頭的各部分解釋如下圖：

圖11 IPV6協(xié)議信息表

傳輸層

傳輸層的協(xié)議就是 TCP/UDP ，這兩者協(xié)議彼此獨(dú)立，也可以同時(shí)存在，看具體使用場(chǎng)景需求。TCP/UDP作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在這里同樣不做過(guò)多展開(kāi)，僅整體介紹下TCP與UDP的特點(diǎn)及區(qū)別。

TCP協(xié)議

• TCP協(xié)議頭

  

圖12 TCP協(xié)議頭如下圖13所示為T(mén)CP協(xié)議頭的字段解釋：

圖13 TCP協(xié)議頭信息表* TCP建立連接過(guò)程

TCP是面向連接的可靠的網(wǎng)絡(luò)通信，因此要通信雙方建立通信連接，必須經(jīng)過(guò)我們常說(shuō)的“ 三次握手 ”才能夠開(kāi)啟以太網(wǎng)通信，如下圖14所示為T(mén)CP的“三次握手”連接過(guò)程。

圖14 TCP ”三次握手“過(guò)程

• TCP斷開(kāi)連接過(guò)程

TCP已經(jīng)連接的雙方如果需要斷開(kāi)，則需要 “四次揮手“ 來(lái)完成此過(guò)程”，如下圖15所示：

圖15 TCP”四次揮手“過(guò)程* TCP協(xié)議特點(diǎn)

從上述的TCP建立連接以及斷開(kāi)連接的過(guò)程，不難得出TCP是一種面向連接可靠的傳輸層協(xié)議。具體總結(jié)有以下一些特點(diǎn)：

• 面向無(wú)連接，即不需要建立連接便可以直接進(jìn)行通信；
• 存在單播，多播，廣播的功能；
• UDP是面向報(bào)文的，UDP的報(bào)文報(bào)經(jīng)過(guò)IP層不會(huì)進(jìn)行任何拆分或重組；
• 不可靠性：由于沒(méi)有像TCP的擁塞控制以及出錯(cuò)自動(dòng)重傳等機(jī)制，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)送的報(bào)文無(wú)法保證接收方是否收到，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)本身就存在諸多的不確定性；

UDP協(xié)議

UDP全稱為用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中與TCP協(xié)議一樣用來(lái)處理數(shù)據(jù)包，是一種無(wú)連接的協(xié)議。同時(shí)UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點(diǎn)，也就是說(shuō)，當(dāng)報(bào)文發(fā)送之后，是無(wú)法得知其是否安全完整到達(dá)的。

UDP協(xié)議頭

如下圖所示為UDP 協(xié)議頭的組成：

圖16 UDP協(xié)議頭如上圖所示， UDP首部為8Byte 。

各字段的具體含義如下表所示：

圖17 UDP協(xié)議字段信息表* UDP協(xié)議特點(diǎn)

對(duì)比TCP協(xié)議，UDP具備以下一些特點(diǎn)：

• 面向無(wú)連接，即不需要建立連接便可以直接進(jìn)行通信；
• 存在單播，多播，廣播的功能；
• UDP是面向報(bào)文的，UDP的報(bào)文報(bào)經(jīng)過(guò)IP層不會(huì)進(jìn)行任何拆分或重組
• 不可靠性：由于沒(méi)有像TCP的擁塞控制以及出錯(cuò)自動(dòng)重傳等機(jī)制，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)送的報(bào)文無(wú)法保證接收方是否收到，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)本身就存在諸多的不確定性；

TCP與UDP區(qū)別

如下圖所示，較為清晰的解釋了TCP與UDP兩者之間的區(qū)別，這讓我們選擇何種傳輸層協(xié)議提供了判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖18 UDP與TCP區(qū)別關(guān)系表

• TCP向上層提供面向連接的可靠服務(wù) ，UDP向上層提供無(wú)連接不可靠服務(wù);
• 雖然 UDP 并沒(méi)有 TCP 傳輸來(lái)的準(zhǔn)確，但是也能在很多實(shí)時(shí)性要求高的地方有所作為;
• 對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求高，速度可以相對(duì)較慢的，可以選用TCP。

應(yīng)用層

在車(chē)載以太網(wǎng)領(lǐng)域，目前主流涉及到的應(yīng)用協(xié)議主要有UDP-NM，DOIP，Some/IP，SD以及傳統(tǒng)以太網(wǎng)需配合支持的ICMP，ARP，DHCP等協(xié)議。

在本文我不會(huì)針對(duì)這些協(xié)議具體展開(kāi)，因?yàn)槊糠N協(xié)議內(nèi)容不少，后續(xù)會(huì)專門(mén)針對(duì)這些應(yīng)用層協(xié)議給大家講解分享，敬請(qǐng)大家多多關(guān)注。