1. 车载以太网全景视图

图1 以太网整体视图

通过上面的全景视图，我们需要解析一下车载以太网到底包括哪些部分，又需要了解哪些知识。我们以一个报文从V-box发出，到CPU的协议栈接收到这条报文为例，看一下中间经历了哪些步骤：

图2 报文传输流程

就按照上图中的报文传输步骤，我们将一步一步探索整个以太网的全景。

2.车载以太网基础知识

2.1什么是100BASE-T1

在车载以太网中，我们经常会在物理层使用到100BASE-T1、1000BASE-T1的技术标准，那么，这些标准代表了什么，和我们经常使用到的快速以太网100BASE-TX又有什么区别了？
简单来说，"100BASE"代表的是这种协议所支持的最高速率，这里就表示其最高的带宽为100Mbps/s。而后缀"T1"代表的是其使用的传输介质为"twisted pair"，也就是一对双绞线。而为了介绍100BASE-T1这样运用在物理层的协议，就不可避免地需要去了解负责物理层功能的PHY(Physical Layer)芯片。

2.2什么是PHY芯片

车载以太网在整个网络层次中覆盖的是物理层和数据链路层，其中负责集成物理层相关功能的就是PHY芯片，那么以100BASE-T1协议中会使用到的PHY的形态为例来进行说明。

图3 PHY的物理架构

PHY芯片分为两层，分别是PCS和PMA层，PCS子层实现与MII和PMA子层之间的数据转发，负责进行4B/3B、3B/2T编码，PMA子层将PCS生成的符号流转换为适合物理介质传输的模拟信号，并处理接收到的模拟信号。其中MII类接口是标准化接口，可以用于PHY和MAC芯片之间的连接，而MDI是PMA与外界物理介质比如双绞线之间连接的标准接口。接下来详细描述一下PCS子层和PMA子层的功能：

图4 PHY芯片中的数据传输

以数据的发送为例，当PCS层接收到来自MII接口传输而来的数据后，将原先数据位宽为4bit/s的数据转换成3bit的数据块，比如将(0000 0011 0010)转换成了(000 000 110 010)，之后再经过3B/2T的转换，将(000 000 110 010)转换成(-1-1)(-1-1)(0-1)(-10)的三级符号向量，对应的转换关系如下：

完成PCS层的编码转换后，再经过PMA层的转换，以模拟信号的形式传输出去。

2.3MII类接口

MII（Medium Independent Interface，介质独立接口）是IEEE 802.3标准定义的以太网接口，用于连接MAC层（媒体访问控制层）和PHY层（物理层）。

图5 MII接口示意图

MII接口共计有16根信号线，各个数据信号线的说明如下：

为什么TX_CLK和RX_CLK都是PHY给到MAC的了？这是因为MII的设计初衷就是为了实现"介质独立"，即MII接口可以不用考虑物理层的介质的种类，将识别传输介质、根据传输介质的特性进行时钟配置等责任交给了PHY芯片，这样MII接口和更上层的MAC芯片就可以不用考虑物理层的情况，形成了标准化的接口。

但是，MII接口的传输速率较低，并且MII接口有多达16根线，这对于硬件布局，硬件设计来言都提出了更高的要求，因此又从MII接口衍生出了我们常见的RGMII，SGMII等接口。

图6 RGMII接口示意图

为什么RGMII接口支持1000Mb/s的速率?RGMII接口虽然也是在每个传输方向上只有4根数据线，但是其时钟频率最高可以支持125Mhz，并且会同时在时钟的上升沿和下降沿进行采样，因此其速率可以达到MII的10倍。

那有没有办法在实现1000Mb/s速率的同时，进一步减少信号线的数量了？SGMII接口就实现了这样的预期：

图7 SGMII接口示意图

SGMII接口的收发分别只有一根数据线，其中TX_CLK由MAC提供，RX_CLK由PHY提供，那之前在MII接口提到过，为了实现介质独立可以让PHY同时提供TX_CLK和RX_CLK，那么为什么SGMII的TX_CLK又由MAC侧提供了？

MAC提供TX_CLK主要是为了满足自身数据发送的控制需求，PHY在接收端可以通过自身的电路设计和时钟恢复机制，从接收到的数据中提取出时钟信息，用于数据的采样和处理。简单而言，TX_CLK更多的是为了MAC发送数据的准确性，而PHY可以不依赖于这个时钟，而是从数据中解析出需要的时钟信号，来完成采样和处理。

2.4什么是VLAN和PVID

好了，已经介绍完了MII类接口，那么我们就可以解释报文是如何从V-BOX发出，通过PHY的PMA层和PCS层，再经过RGMII接口，抵达switc的端口。那么现在我们就需要将这条报文在switch内进行转发，使其到达与CPU连接的端口。那么，switch是怎么知道这条报文是要发往CPU，而不是发往MCU或其他端口的了？

这就要首先解释一下什么是VLAN了。VLAN的全称是 Virtual Local Area Network ，也就是虚拟局域网。顾名思义，VLAN的作用就是建立一个虚拟的局域网，使特定的报文能够在这个虚拟的局域网内进行传播，而不是在整个网络内传播。

我们知道switch的作用就是进行转发，在没有VLAN的情况下，switch的所有端口连接的设备都处于同一个转发域中，那么比如电脑D发出一条报文，其实它只想定向地发往电脑A，switch还是会将这条报文转发到电脑B和电脑C，这样不仅会浪费switch的转发性能，还有可能会导致网络风暴等一系列问题。为了解决类似的问题，我们就需要使用到VLAN。

图8 VLAN原理示意图

那么，我们可switch的转发添加上VLAN规则如下：

图9 VLAN原理示意图

我们需要给switch添加一条VLAN规则，switch的P0端口和P1端口被添加到VLAN ID为1的VLAN域中，也就是说，当P0或P1发出一条VLAN tag为1的报文时，只会定向地传输到P1口或者P0口，这是因为P2口和P3口都不在VLAN ID为1的VLAN域里。

我们已经定好了转发的规则了，VLAN tag为1的报文只会在P0和P1之间进行转发，那么报文是如何被带上VLAN tag的了？我们看一下下面这一条以太网帧的大致内容，可以看到其中VLAN tag中会有其VLAN ID是1，我们继续探究一下怎么去打上这个tag。

// 以太网帧（带VLAN Tag）
DMAC      : 00 11 22 33 44 55
SMAC      : AA BB CC DD EE FF
VLAN Tag  : 81 00 00 01          // TPID=0x8100, VLAN ID=1
Type      : 08 00                // IPv4协议
Payload   : 48 65 6C 6C 6F 20 56 4C 41 4E 31 ("Hello VLAN1")
FCS       : (由网卡自动计算，此处省略)

回到之前的图9，报文是由电脑D发出的，那么如果在电脑上存在一个VLAN网口，那么由这个网口发出的报文就是带有VLAN tag。

我们按照下面的命令在电脑D(假设这是一台linux电脑)上创建一个VLAN网口eth0.1(eth0是实际的物理网口):

sudo ip link add link eth0 name eth0.1 type vlan id 1
sudo ip link set dev eth0.1 up

完成了网口的创建后，我们使用命令查看一下创建后的网口情况，可以看到eth0.1网口已经成功创建，并且其VLAN ID为1，那么之后从这个网口发出的报文的VLAN ID为1。

ip -d link show eth0.1
4: eth0.1@eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DEFAULT group default 
    link/ether 00:11:22:33:44:55 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff promiscuity 0 
    vlan protocol 802.1Q id 1 <REORDER_HDR> 
    # 关键字段：`vlan id 1` 表示VLAN ID配置成功

好了，现在我们了解到在电脑上如何发出VLAN tag为1的报文。但是实际情况下，电脑一般不会配置一个eth0.1的网口，发出来的报文都是不带VLAN tag的，那从实际情况出发，我们的这个VLAN tag该如何打上了，这就必须连接一下PVID了。

PVID的全称是 Port VLAN Identifier ，简单解释来说就是端口的默认VLAN ID，它的处理逻辑是这样的，如果switch的某一个端口设置了PVID为1，那么经过这个端口的所有报文，如果没有VLAN tag，则会被打上VLAN tag，VLAN tag中的VLAN ID与PVID保持一致为1；而报文如果本身就有VLAN tag，该tag不会受到影响。

图10 PVID示意图

那么，现在我们就可以理清VLAN是如何在switch的转发中发挥作用的：不带VLAN tag的报文由电脑D发出后，在经过P0口时，因为P0口的PVID为1，因此被打上了VLAN tag 1，由于switch内VLAN ID为1的VLAN域只包含P0口和P1口，所以报文会被定向地发送到P1口，完成了我们想要的定向传输。

但含有一个问题，图9中的VLAN表格中提到了P0口是untag port，而P1口时tag port，这有什么区别了？untag port和tag port的区别在于，一条VLAN tag为1的报文从一个untag port端口发出时，其VLAN tag会被剥离，而tag port则不会剥离VLAN tag：

图11 untag port & tag port

了解原理后，我们再回看图9，报文如果由电脑D发往电脑A，在P1端口会保留VLAN tag 1，送往CPU的协议栈进行处理，而由电脑A发往电脑D的报文，从P0口出来后，会被剥离VLAN tag 1。

2.5MAC地址表

之前我们已经了解了VLAN的作用，那么还存在一个疑问，我们使用VLAN将P0口和P1口放到了一个转发域中，但是怎么能确定P1口连接的电脑A就是我想要发送的目的地址了？如果我将电脑A和电脑B的位置换了一下，此时电脑B连接到了P1端口，那么switch还会将来自电脑D的报文发送到P1端口吗？

首先，我们需要了解一下MAC地址的概念。我们再看一下下面这条以太网报文，其中有DMAC和SMAC这两项，其代表的就是dest MAC address和source MAC address。MAC地址是每一个硬件设备所拥有的独一无二的6字节地址，如下图中SMAC就是发送这条报文的设备的MAC地址，而DMAC就是它希望发往的设备的MAC地址。那么MAC地址为AA BB CC DD EE FF的设备又是如何知道它想发往的设备的MAC地址是00 11 22 33 44 55的了？

// 以太网帧（带VLAN Tag）
DMAC      : 00 11 22 33 44 55
SMAC      : AA BB CC DD EE FF
VLAN Tag  : 81 00 00 01          // TPID=0x8100, VLAN ID=1
Type      : 08 00                // IPv4协议
Payload   : 48 65 6C 6C 6F 20 56 4C 41 4E 31 ("Hello VLAN1")
FCS       : (由网卡自动计算，此处省略)

这里，我们需要再引入一下IP(IPv4)地址的概念。每一个设备，我们都会为它分配一个32位的地址(一个设备会同时拥有IP地址和MAC地址)，如"192.168.1.1"，当我们想要和这个设备通信时，我们必须要知道这个地址，才能实现通信的目的。参考图12，我们将IP地址写成二进制，对应的看到图中还会有子网掩码这么一个东西。子网掩码是为了用来进一步划分网络的转发域的，比如一个IP地址对应的子网掩码为"255.255.255.0"的话，那么IP地址的前24位就是代表网段划分，后8位代表的就是主机号，只有前24位和"192.168.1"一致的IP地址才能和"192.168.1.1"通信。

图12 IP地址和子网掩码

现在假设电脑A、电脑B和电脑D的地址配置如下图所示。

图13 MAC地址表的使用

现在，我们有如图13所示的网络拓扑，现在我们想要将一个报文从电脑D发送到电脑A，而拓扑中有两个端口P1和P2都被包含在VLAN1的作用域里，因此理论上仅仅从VLAN作用域来看，报文会被发送到电脑A和电脑B，但我们仅仅希望这个报文被传递到电脑A，那么这时候就需要用到IP地址和MAC地址了。

我们首先得知道电脑A的MAC地址为192.168.1.2，但作为电脑D来说，我其实并不知道这个电脑A在哪里，反映在报文中就是我不知道以太网帧中的DMAC(目的MAC地址)是多少。因此，我们会发出一条ARP报文如下：

这条arp报文的作用是为了通过已知的IP地址192.168.1.2来获取设备对应的MAC地址。可以看到其目标MAC设置为了ff:ff:ff:ff:ff:ff，说明这是一条广播报文，它会被发送到所有它能够到达的端口，而在图13的拓扑中，它就会被发送到P1端口和P2端口，那么电脑A和电脑B都会接收到这条arp报文，之后他们分别对比自己的IP地址是否为192.168.1.2，从而决定是否进行回应，因此只有电脑A会对这条报文进行响应，返回一条报文告知其MAC地址:

交换机在这两条报文的交互过程中，已经学到了电脑A和电脑D的MAC地址，并将其MAC地址与对应的端口联系在了一起，生成了如图13中所示的MAC地址表，因此，当电脑D发送了一条报文出来，在经过交换机时，交换机根据这条报文的目的MAC地址，就会将这条报文发送到端口1，最后送到电脑A。