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1、l第一节第一节 计算机网络技术计算机网络技术 l第二节第二节 车载网络系统车载网络系统 第三章第三章 车载网络技术基础车载网络技术基础第第1 1页页/共共5252页页l学习要求学习要求l熟悉计算机网络的组成，了解计算机网络的分类。熟悉计算机网络协议、网络体系结构和网络常用传输介质。了解车载网络技术的发展，掌握车载网络的组成，熟悉车载网络的分类。第第2 2页页/共共5252页页第一节第一节 计算机网络技术计算机网络技术1.1.计算机网络组成计算机网络组成2.2.计算机网络分类计算机网络分类3.3.网络协议与体系结构网络协议与体系结构4.4.常用传输介质常用传输介质第第3 3页页/共共5252页页
2、l计算机网络技术是通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络是按照网络协议，将某一空间内分散的、独立的计算机相互连接的集合。这一空间可以是很大，也可以很小。大的计算机网络空间，可以从地球表面到周围的人造卫星，如全球互联网；小的计算机网络空间可以容纳在一个汽车内，如车载网络。l我们平时所接触的办公网络、校园网络，都属于计算机网络。l计算机网络连接介质可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能。第第4 4页页/共共5252页页l一、计算机网络的组成一、计算机网络的组成l1、计算机网络的组成l计算机网络由网络硬件和网络软件组成。网络硬件由网络节点和
3、连接节点的传输介质组成。网络软件由节点软件和网络软件组成。l（1）网络节点l网络节点 简称节点，也是网络中的单元。计算机网络中的所有节点都具有计算机最基本功能。节点可以分为终端节点、服务节点和混合节点（车载网络的电控单元）。第第5 5页页/共共5252页页l（2）网络传输介质l网络上数据的传输需要有“传输媒体”或“传输介质”传输，常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的；一类是无线的。l（3）节点软件l不同的节点，需要安装不同的节点软件支持才能运行。l（4）协议软件l不同的网络，需要不同的协议软件支持才能运行。所谓协议软件就是支持网络“交通规则”的软件。第第6 6页页/共共5252页页l网络
4、内的节点软件和协议软件之间具有“兼容性”，或者说是“相通”的，数据才能产生、发送、传输和接收。例如在车载网络中，发电机电控单元要将它所采集的发电机转速信号传送到自动变速器电控单元，它就要将发电机转速信号数字化，并按网络协议格式化，然后向网络申请发送，在给定的发送时机将信号发送到网上，经过服务节点（或不经过服务节点）传送到自动变速器电控单元，自动变速器电控单元要验收确定是发电机转速信号后才能接收。这个过程都要依靠协议软件的运行才能完成。第第7 7页页/共共5252页页l二、计算机网络的分类二、计算机网络的分类l计算机网络可以按不同角度进行分类，如可以按网络所覆盖的地理范围分类、按网络的拓扑结构分
5、类、按网络中计算机所处的地位分类等。l1、按网络所覆盖的地理范围分类l由于网络覆盖范围和计算机之间互联距离不同，所采用的网络结构和传输技术也不同，因而形成不同的计算机网络。一般可以分为三种类型。l局域网（Locate Area Network，LAN）：局域网组网方便、灵活，传输速率较高。第第8 8页页/共共5252页页l广域网(Wide Area Network，WAN)：也称远程网，因特网就是典型的广域网。l城域网(Metropolitan Area Network，MAN)：网络作用范围介于局域网和广域网之间，城域网的设计目标常常要满足一个城市范围内大量的企业、公司、机关、学校、住宅区等
6、多个局域网互联的需求。第第9 9页页/共共5252页页l2、按网络的拓扑结构分类l拓扑结构就是网络节点在物理分布和互联关系上的几何构型。按计算机网络的拓扑结构可将网络分为：总线型网、星型网、环型网、树型网。如图3-1所示。第第1010页页/共共5252页页l（1）总线型l如图3-1（a）所示。总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。l（2）星型l如图3-1（b）所示。星型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中
7、心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。第第1111页页/共共5252页页l从以上网络拓扑结构可知，总线型网络是网络的一种拓扑结构，具有结构简单、扩展容易，可靠性高等许多优点，是工业计算机控制网络和汽车车载网络的常用网络，因此，在工业和汽车行业里，习惯将总线型计算机网络简称为“总线”，例如“汽车总线技术”、“工业现场总线技术”等。有时将“总线”等同“网络”，例如“汽车总线技术”和“汽车网络技术”的意义基本是相同的。l在汽车行业里，一般习惯将单纯的总线型网络称为“总线”，将多个不同的“总线”联网系统称为“网络”。第第1212页页/共共5252页页l三、计算机网络协议与网络体系结构三、计算机网
8、络协议与网络体系结构l1.网络协议l定义：计算机网络的节点之间需要不断地交换数据信息和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每个节点都必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定和标准称为网络协议。l组成：语法、语义、时序第第1313页页/共共5252页页l网络协议从语法和语义上定义了数据信息交换的规则和过程，从时序上定义了通信双方通信速度的匹配。总之，网络协议是通信双方共同遵守的通信语义、语法和时序的集合。l2、网络体系结构l在现实生活中人们处理一些复杂问题时，通常采用层次化的解决方法。例如文字通信，它是为社会成员之间传递信息服
9、务的。社会是一个很大的网络，每一位社会成员都是网络中的节点，都可以与他人通过邮局通信。第第1414页页/共共5252页页图3-2 邮政服务的层次模型图第第1515页页/共共5252页页l 我们将计算机网络的这种层次结构模型和各层协议的集合称为计算机网络体系结构。l不同系统中的相同层实体叫对等实体，对等实体间通信须遵守同层协议。l计算机网络有不同的层次结构模型，国际标准化组织（ISO）为网络通信定义了一个参考模型，称为开放式系统互连参考模型（OSI），简称OSI模型。l如图3-3所示，OSI的体系结构定义了一个7层模型，从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。第
10、第1616页页/共共5252页页图3-3 OSI的体系结构模型 第第1717页页/共共5252页页l第1层：物理层l物理层确定传输电子邮件（其他数据也相同）二进制脉冲信号的传输方式、脉冲信号的电压参数；确定物理连接（接口）的结构方式；在物理层中，数据传输的单位是比特(bit)。lOSI模型是一个参考模型，供组建网络时参考，除此之外，还有其他模型。我们在因特网（Internet）上发电子邮件用的是传输控制协议/网际协议，简称TCP/IP模型。OSI模型与TCP/IP模型有许多相同的地方。第第1818页页/共共5252页页l在车载网络中，由于要传输的信息大多是传感器、执行器和开关信息，数据较短，同
11、时由于网络多采用总线型，所以车载网络的体系结构相对简单一些，主要包括两大部分，一是通信部分，二是网络管理部分，采用的体系结构对应OSI模型中的应用层、数据链层和物理层。这种体系结构简单、层次较少的网络结构，数据传输快，适合发动机和底盘等系统的实时过程控制。第第1919页页/共共5252页页l四、计算机网络常用传输介质四、计算机网络常用传输介质l网络上数据的传输需要有“传输媒体”，即传输介质。常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的；一类是无线的。有线传输介质主要有同轴电缆、双胶线和光纤；无线传输介质主要有无线电波和红外线。第第2020页页/共共5252页页l1.同轴电缆l同轴电缆曾经是局域网
12、中使用最普遍的一种线缆，它的典型特点是传输距离长、抗干扰性强。同轴电缆主要用于总线型网络中。闭路电视的传输电缆就是同轴电缆。同轴电缆如图3-5所示，同轴电缆的中心是铜线。由于同轴电缆一般用来传输高频电信号，因此，铜线和屏蔽铜丝网之间要有一定的间距，其中充填的绝缘层对高频电磁场的损耗要求很低。屏蔽铜丝网起屏蔽作用，减小电磁波外泄。最外层是保护绝缘层。第第2121页页/共共5252页页图3-5 同轴电缆第第2222页页/共共5252页页l2、双胶线l双胶线由相互绞合在一起的线对组成，如图所示。为制作网线时便于区分，每条线都标有不同的颜色。双胶线是目前组建局域网时最常用的一种线缆。图3-6（a）所示
13、的网线是由四对双胶线组成；图3-6（b）为普通双绞线；图3-6（c）为带屏蔽铜丝网的双绞线。车载网络总线常用普通双胶线或带屏蔽铜丝网的双绞线。第第2323页页/共共5252页页图3-6 双胶线（a）四对双绞线的网线 （b）普通双绞线 （c）带屏蔽铜丝网的双绞线第第2424页页/共共5252页页l3、光纤l光纤是光导纤维的简称，光纤是一种细小、柔韧并能传输信号的传输介质，相对于其他传输介质来说，光纤具有传输距离长、传输速率高、安全性好等特点。主要适用于长距离、大容量、高速度的场合，如大型网络的主干线和大容量的信息传输等。l光纤的结构如图3-7所示，光纤的光学纤芯是很细的单根圆形光学材料，光学材料
14、分光学玻璃和光学塑料等，车载网络的光纤纤芯是用塑料光纤芯（POF）。纤心外是反射涂层，光线在纤芯和反射涂层的接触界面形成全反射。反射涂层外是黑色包层，起保护反射涂层和光隔离的作用。黑色包层外是彩色包层，起保护和标记作用。第第2525页页/共共5252页页图3-7 光纤的结构 第第2626页页/共共5252页页l图3-8是光纤传导信号的示意图，使用光纤传输信号的车载总线，其电控单元具有光纤接口，即电光转换发射器和光电转换接收器。l发送数据的电控单元产生数据信号，由收发器经内部电路传到电光转换发射器。电光转换发射器将二进制脉冲电信号转换为二进制脉冲光信号。光信号的光线以合适的角度射入光纤，在光纤内
15、形成全反射向前传导。接受电控单元的光电转换接收器将二进制脉冲光信号转换为二进制脉冲电信号，由内部电路传到接受电控单元的收发器，接受电控单元就收到传导来的数据信号了。l双绞线、同轴电缆和光纤的主要特性见表3-1。第第2727页页/共共5252页页 图3-8 光纤传导信号的示意图 第第2828页页/共共5252页页表3-1 双绞线、同轴电缆和光纤的主要特性传输介质信号类型最大数据传输速度最大传输距离网络节点数抗干扰双绞线数字110 Mbit/s0.1 km几十低 同轴电缆(50)数字3050 Mbit/skm几百中等 同轴电缆(75)模拟150180 Mbit/s1 km几千较高光纤数字5 Gbi
16、t/s1 km几百极高第第2929页页/共共5252页页l4、无线传输介质l除了上述三种传输媒体之外，还可以通过无线的方式进行通信。无线传输主要有无线电波和红外线等。其中红外线传输数据信号的基本速率为1Mb/s,仅适用于近距离的无线传输，而且有很强的方向性；而无线电波的覆盖范围较广，应用较广泛，是常用的无线传输媒体。我国一般使用2.4 2.4835MHz频段的无线电波进行局域网的无线通信。第第3030页页/共共5252页页第二节第二节 车载网络系统车载网络系统 第第3131页页/共共5252页页l车载网络系统具有以下的优点：l1.减轻整车重量：减少线束，并使线束变细，节省空间。单个线束所承担的
17、功能增加。l2.节约成本：线束减少，传感器共享，可以实现控制器和执行器的就近连接原则，减少装配时间。l3.质量可靠：插头减少，故障率减少，质量更可靠。l4.增大开发余地：各控制器可以把整车功能相对随意地分担，新的功能和新技术可以通过软件进行更新。第第3232页页/共共5252页页l 一、车载网络技术的发展一、车载网络技术的发展l 第第3333页页/共共5252页页l随着汽车技术的发展，各种新的、不同的车载网络协议不断产生，以满足汽车市场的需求。如对未来汽车将引入智能交通系统(ITS)，汽车在停放、行驶中要与车外的停车场、道路进行数据交换，停车场的无线网络服务点将对汽车进行安全监控，道路上的无线
18、网络服务点将汽车的行驶速度进行监控，可以智能强制限速，保证行驶安全。所以，未来的车载网络的信息传输需要更大容量的网络。l主要车载网络的名称、概要、通信速度、开发公司见表3-2。第第3434页页/共共5252页页表3-2 主要车载网络的基本情况 车载网络名称 概 要通信速度开发公司或组织CAN (Controller Area Network)车身动力传动系统控制用局域网协仪，最有可能成为世界标准的车用局域网协议1 Mbits Robert Bosch公司，ISOVAN(Vehicle Area Network)车身系统控制用LAN协议，以法国为中心1 Mbit/s ISO J1850 车身系统
19、控制用LAN协议，以美国为中心10.441.6 kbit/s Ford Motor公司LIN (Local Interconnect Network)车身系统控制用局域网协议，液压组件专用20kbit/sLIN协议会IDB-C(ITS Data Bus on CAN)以CAN为基础的控制用局域网协义250kbit/sIDM论坛第第3535页页/共共5252页页TTP/C(Time Triggered Protocol by CAN)重视安全、按用途分类的控制用局域网协议，时分多路复用(TDMA)2 Mbit/s25 Mbit/sTTT计算机技术公司ITCAN(Time Triggered CA
20、N)重视安全、按用途分类的控制用局域网协议，时间同步的CAN 1 Mbits Robert Bosch公司，CAN Byteflight 重视安全、按用途分类的控制用局域网协议，通用时分多路复用（FTDMA)10 Mhit/s BMW公司 Flex Ray 重视安全、按用途分类的控制用局域网协议 5 Mbit/s BMW公司Daimler-Chrysler公司D2B/Optical(Domestic Digital Bus/Optical)音频系统通信协议 将D2B作为音频系统总线采用光通信5.6 Mbit/s CC公司MOST(Media Oriented System Transport)
21、信息系统通信协议 以欧洲为中心，由克莱斯勒与BMW公司推动2 2.5 Mbit/s MOST合作组织 IEEE1394 信息系统通信协议 1OO Mbit/s 1394工业协会第第3636页页/共共5252页页l 二、车载网络的组成二、车载网络的组成l车载网络采取基于串行数据通信的体系结构，车载网络主要由电控单元、数据总线、网络、网络协议、网关等组成。l 1电控单元l 现代汽车除了有发电机电控单元，还有自动变速器电控单元、ABS电控单元、空调电控单元等许多电控单元，高档轿车有几十个电控单元，因此，必须用网络把它们连接起来，才能资源共享。l 2数据总线l数据总线(BUS)是电控单元间运行数据传递
22、的通道，简称总线，即所谓的信息高速公路。如果一个控制单元可以通过总线发送数据，又可以从总线接收数据，则这样的数据总线就称之为双向数据总线。汽车上的数据总线的传输介质常用单线、双绞线或光纤。第第3737页页/共共5252页页l3.网络l在汽车行业里，习惯将几条总线连接一起的车载局域网称为车载网络。为了满足汽车上不同的电控单元对总线系统性能要求的不同，同时考虑经济成本，一辆汽车上往往采用不同的总线组成车载网络。l4.网络协议l车载网络协议包括各总线独立通信协议和各总线相互通信协议。l5.网关l由于车载网络是由不同的总线组成，因此，就需要一个连接不同总线的特殊网络节点，这个节点称为网关(Gatewa
23、y)。第第3838页页/共共5252页页l图3-9是汽车车载网络系统组成的拓扑图，它由动力CAN总线、舒适CAN总线和信息MOST总线联网组成，网关是它们的连接点。在舒适CAN总线下还有一个辅助的LIN总线。第第3939页页/共共5252页页第第4040页页/共共5252页页l 三、车载网络的分类三、车载网络的分类l目前，绝大多数车用总线被美国汽车工程师协会（SAE）下属的汽车网络委员会按照协议特性分为A、B、C三类。也有其他的分类方法。第第4141页页/共共5252页页l1.A类总线和协议lA类总线是面向传感器和执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于10 Kbit/s，主要用于后视镜调
24、整及电动窗、灯光照明等控制。也可以用于面向智能传感器或执行器的数字化通讯场合。lA类常用的总线是LIN总线，LIN总线是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通信系统，它是一种基于串行异步通信（UART）的数据格式、主从结构的单线12 V的总线通信系统。由于目前尚未建立低端多路通信的汽车协议标准，因此LIN总线正试图发展成为低成本的行业协议标准。第第4242页页/共共5252页页l2.B类总线和协议l B类是面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率在10125 Kbit/s，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统。lB类常用的总线是CAN总线。CAN总线是一种串行数据通信协议，它是一
25、种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1 Mbit/s。l B类总线采用的协议是国际标准协议ISO11898，传输速率在100 Kbits左右。欧洲的各大汽车公司从1992年起，一直采用ISO11898，所使用的传输速率范围从47.6500 Kbit/s不等。CAN总线的另一个国际标准协议是ISO11519，由于容错性较好，近年来在欧洲的各种车型中也开始得到广泛的使用。第第4343页页/共共5252页页l 3.C类总线和协议lC类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网，位速率在125 Kbit/sl Mbit/s之间，支持实时的周期性的参数传输。主要用于发动机、自动变
26、速器、ABS等电控单元。目前，随着汽车网络技术的发展，未来将会使用到具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议。常用的C类总线如下。l （1）高速CAN总线和协议l在C类标准中，欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速通信的CAN总线。高速通信的CAN总线和协议制定在国际标准协议ISO11898中。第第4444页页/共共5252页页l（2）安全总线和协议l安全总线主要是用于安全气囊系统，连接加速度计、安全传感器等装置，为被动安全提供保障。目前已有一些公司研制出了相关的总线和协议，包括美国德尔福（Delphi）公司的安全总线（Safety-Bus）和德国宝马（BMW）公司的Byte-Flight总线等
27、。l“Byte-Flight”直译为“字节飞行”，表示传输数据字节非常快。Byte-Flight总线的数据传输速率为10 Mbit/s，光纤可长达43 m。Byte-Flight主要以BMW公司为中心制订的。Byte-Flight不仅可以用于安全气囊系统的网络通信，还可用于汽车线控（X-by-Wire）技术的通信和控制。第第4545页页/共共5252页页l（3）X-by-Wire总线和协议。lX-by-Wire代表汽车线控技术。X-by-Wire中的“X”代表汽车中由机械或液压控制的各个功能部件，如制动、转向、悬架、节气门、离合器、门锁等。X-by-Wire最初是用在飞机控制系统中，也称为电传
28、控制，现在已经在飞机控制中得到广泛应用。由于目前对汽车容错能力和通信系统的高可靠性的需求日益增长，X-by-Wire开始应用于汽车电子控制领域。诸如转向线控Steer-by-Wire、制动线控Brake-by-Wire等。l为了给X-by-Wire总线提供安全的通信，就需要一个高速、容错和时间触发的网络协议。目前，这一类网络协议主要有TTP协议、Byte-Flight协议和Flex-Ray协议。第第4646页页/共共5252页页l(4)诊断系统总线标准和协议l故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能。由于各国或洲区对环境保护的认识和要求不同，生产不同的车载自动诊断系统。美国制定的车载自动诊断系统（
29、On-Board Diagnostics），简称OBD。从开始到现在经历了第一代（OBD-）、第二代（OBD-）和第三代（OBD-）。l（5）多媒体系统总线和协议l汽车多媒体网络和协议分为三种类型，分别是低速、高速和无线，对应美国汽车工程师学会SAE的分类，相应为智能CAN数据总线IDB-C(Intelligent Data BUS-CAN)、智能多媒体数据总线IDB-M(Multimedia)和智能无线总线IDB-W（IDB-Wireless），其传输速率250 Kbitsl00 Mbit/s。第第4747页页/共共5252页页l本章小结本章小结l1、计算机网络由网络硬件和网络软件组成。网络
30、硬件由网络节点和连接节点的传输介质组成。网络软件由节点软件和网络软件组成。l2、计算机网络可以按不同角度进行分类，如可以按网络所覆盖的地理范围分类、按网络的拓扑结构分类、按网络中计算机所处的地位分类等。l3、计算机网络的节点之间需要不断地交换数据信息和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每个节点都必须遵循一些事先约定好的规则。这些规则明确地规定了所交换数据的格式和时序。这些为网络数据交换而制定的规则、约定和标准称为网络协议。网络协议主要由语法、语义和定义三个要素组成。第第4848页页/共共5252页页l4、计算机网络采用了层次化设计方法，即把通信过程划分为多个层次，并为每个层次设计一个单独的协
31、议，这些协议通过分层结构进行组织。每层通过特定的协议完成一种功能，多层叠加完成整个信息的发送和接收过程。同时，层与层之间通过层间接口联系起来，每一层可以从下层获得服务，并为上层提供服务。各层又具有相对独立性，各层只是简单地使用其他层的服务，但不需要知道其他层是如何实现相应功能的。第第4949页页/共共5252页页l5、国际标准化组织（ISO）为网络通信定义了一个参考模型，称为开放式系统互连参考模型（OSI），简称OSI模型。OSI的体系结构定义了一个7层模型，从下到上分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。l汽车局域网要传输的信息大多是传感器、执行器和开关信息，数据较
32、短，同时由于网络多采用总线型，所以车载网络的体系结构相对简单一些，主要有应用层、数据链层和物理层。l6、网络上常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的；一类是无线的。有线传输介质主要有同轴电缆、双胶线和光纤；无线传输介质主要有无线电波和红外线。l7、车载网络系统具有减轻整车重量、节约成本、质量可靠和增大开发余地等优点。第第5050页页/共共5252页页l8、车载网络采取基于串行数据通信的体系结构，车载网络主要由电控单元、数据总线、网络、网络协议、网关等组成。l9、车载总线按特性分为A（低速）、B（中速）、C（高速）三类。A类常用的总线是LIN总线；B类常用的总线是CAN总线；C类总线有高速CAN总线、安全总线、X-by-Wire总线、诊断系统总线标准和多媒体系统总线。第第5151页页/共共5252页页感谢您的观看。感谢您的观看。第第5252页页/共共5252页页