上一篇文章，我们已经介绍了以太网作为车载网络技术的背景和作用，以太网（和TCP / IP）与OSI参考模型之间的关系，以及PDU的结构。本篇文章，我们将讨论 OSI 参考模型的最底部，也就是以太网的物理层。从各个网络协议本身来看，传统的车载网络和以太网（以及TCP / IP）有很多不同之处，其中一个差别就是网络拓扑。所谓的网络拓扑，是一种网络连接的形式，是指网络中各种通信主体的每个节点（车辆ECU），相互连接的方法和方式。车载网络协议中，典型的网络拓扑结构类型有：总线型拓扑、环形型拓扑、星型拓扑。每种类型的网络拓扑都有自己的特征和不同的形状，但是它们有一个共同点：所有网络节点都是通过通信介质直接连接。这意味着通过测量网络上的某一个点，就可以掌握该网络上的所有交互。
另一方面，在当前的以太网中，主流的链接方式为交换型网络拓扑，如图2所示。与图1所示的网络拓扑不同，典型的网络拓扑类型在原则上节点之间都是一对一连接，因此仅通过测量网络上的某一个点，不能完全掌握整个网络。另外，如果你想掌握通信内容，仅仅凭借通信介质上的信号波形来分析，这是很难完成的（其原因将在后面描述）。也就是说，以太网的测量方式和传统网络协议的测量方式也不是不同的。
图2 交换机网络拓扑（此处将具有多个连接的拓扑称为交换机）
以太网物理层的作用是把多个相节点连接起来，在家庭和办公室的LAN局域网中，我们会用到多种设备和协议等连接节点。从车载网络来看，和LAN局域网一样也会使用多种设备和协议等。车载网络大致可分为“车内连接的网络”和“车与外部连接的网络”。那么，车内网络需要用到什么？车外网络又需要使用什么呢？
两者都是为了支持新车通信的新案例而导入的，而前者的导入是为了满足车载网络本身的新需求，我们将关于这点着重讨论。
提到每个物理层，就必然会提到 PHY（以太网 PHY）*1。PHY位于 ECU 中的微控制器和通信介质（物理介质、铜线、光纤等）之间，将微控制器发出的并行数据化为串行流数据，再把数据送出去。收数据时的流程反之。
*1 PHY：取自PHYsical laye的前三个字母
如果是CAN的话，有一个CAN收发器，这个收发器将CAN控制器处理的TXD/RXD转换为 CANH/CANL（两者都是串行数据）。但是，在 PHY 的情况下，为了支持以太网的高速通信，并行数据并不会直接转换为串行流数据传输出去，而是按照物理层的编码规则把数据编码（编码），再变为模拟信号（加扰）*2把数据送出去，因此，在以太网中，仅通过查看通信波形是无法理解通信内容的。
*2 随机替换原始数据，防止相似的模型连续出现，目的是为了减少外界的噪声。
除此之外，由于PHY位于微控制器和通信介质之间，因此，PHY与微控制器之间具有一个接口，称为MII（介质独立接口），PHY与通信介质之间也具有一个接口，称为MDI（介质相关接口）。MII是一种不依赖于通信介质的接口，该接口与微控制器之间每次收发数据，都以25MHz的频率交换4位并行数据，并且可以100Mbps的速度进行通信。此外，GMII作为MII的一种变体，可以以1 Gbps进行通信*3，它可以以125 MHz交换8位信号。另一方面，对不同的通信介质，MDI接口也不同，取决于是使用双绞线（一对、多对）还是光纤。当然，如果MDI发生变化，与MII的转换方法也会发生变化，因此PHY的内部结构也会发生变化。每个通信介质都有单独的标准和PHY。· 100BASE-T（IEEE 802.3bw）
Broadcom开发了BroadR-Reach技术，基于该技术有了OABR协议*4，在IEEE参与之后，被将其标准化，这就是100BASE-T1。其特点是一对双绞线（类似于CAN）可以以全双工的方式通信，通信速度最大可达到100Mbps。CAN是以半双工的方式通信，通信的最大速度为1 Mbps，所以两者对比，前者的速度有了显著的提高。这不仅采用了操作信号（BI_DA +，BI_DA-）、还通过高级的数据编码（4B3B，3B2T，PAM3）对数据进行压缩，降低通信频率和抑制噪声来实现。根据标准，无论带或者不带对线屏蔽，都要求对线最长15米。在实际汽车环境中，因为要在狭窄空间布线，必须要采取额外的噪声抑制措施，以及限制STP的使用和平行线长度等。*4 OPEN Alliance BroadR-Reach、OPEN=One-Pair Ether-Net。此外，编码分为以下三个阶段。在此尤其注意3B2T码转换，3B2T码是用2个代号（读取两次）进行3个位的编码（需要读取三次），此类编码方式使得信码传输周期降低了2/3（100MHz->66.67MHz）。
对来自MII的4位信号进行4B3B替换，变成3位信号
在此之后进行加扰。
将替换出的3位信号再替换为2个带有3个状态的符号
PAM3输出具有三个值（-1,0,1）的矩形波符号
此外，虽然在总线观测到的是两个节点PAM3输出电压的叠加。但是两个节点在接收信号的过程中，会减去各自的输出值（回声取消），从而解析出另一个节点发出的信号内容。· 100BASE-T（IEEE 802.3bp）100BASE-T（IEEE 802.3bp）是在100BASE-T1之后制定的，兼容于1Gbps的车载物理层。与100BASE-T1相似，在一对线上的最大速度可达到1Gbps。在编码方法方面，与100BASE-T1也有很多共同点。100BASE-T（IEEE 802.3bp）执行的是80B81B转换而不是100BASE-T1的4B3B转换，但后续处理都用到了3B2T和PAM3。80B81B转换是把GMII处理的8位数据分成10组后再添加1位。除了上述的两个标准以外，100BASE-RH可以应对用塑料光纤来作为通信介质的情况，正在开发中的10Mbps的10BASE-T1S（IEEE 802.3cg）可以用来替代CAN，还有一些多GB（2.5G, 5G, 10Gbps, IEEE 802.3ch)兼容的标准，可以用来支持不断增长的数据。我们必须要时刻关注未来的趋势。接下来，对用于汽车连接外部的物理层进行说明。首先介绍下用于诊断通信的。与截止目前介绍的东西不同，这些产品不是为车载用途而开发的。而是考虑将汽车与外部相连接的时候，如何充分有效的利用现有的技术。100BASE-TX/1000BASE-T用于诊断通信，它们可以将诊断测试仪和名为诊断GW的ECU相连接。这就是普通的以太网标准，和办公室/家庭使用的标准相同。一般来说，一提到诊断通信，自然而然就会联想到使用CAN。但是随着ECU功能增加，以及网络变革，做为一种可以使用的时间更长的网络技术，以太网受到青睐。实际诊断通信中，会使用DoIP（Diagnostic over IP, ISO 13400）来作为上层协议，在本连载的后期，我们会详细介绍。ISO 13400规定了100BASE-TX的，在实际应用中，一般使用速度更快的1000BASE-T。100BASE-TX相对1000BASE-T比较陈旧，100BASE-TX在2对线中实现100Mbps的全双工通信，而1000BASE-T在1对线中实现250Mbps全双工通信，使用4对线就可以实现1Gbps的速度了。· BASE-TISO 15118（IEEE 1901）BASE-TISO 15118（IEEE 1901）标准用于电动车的快速充电功能，相当有特色。基于CAN的CHAdeMO协议广为人知，在物理层上，采用ISO 15118标准中的物理层采用了IEEE1901的PLC(Power Line Communication)标准。各位还记得PLC吗？在Wi-Fi广泛普及前，PLC技术就成为了热门话题，PLC技术将家庭插座变成了LAN的连接器，是一种将电力传输电线作为通信介质使用的技术。由于电力存在很大的噪声，我们采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)的调制方案进行通信。此外，在ISO 15118标准中，即便是用了PLC技术，但是数据也没有放在实际的电源线上，而是将信号在另外一个单独的Control Pilot控制线上的矩形波上进行数字化后叠加。
本文从以太网带来的网络拓扑变化开始，逐步深入的介绍了车载网络中使用的物理层（例如IEEE 100BASE-T1）。下一期的内容将围绕物理层之上的数据链路层和网络层展开。
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