车载以太网测试-14【交换机以及MAC地址表】

1 摘要

车载交换机 工作在 OSI 模型 的 数据链路层（Data Link Layer），具体来说是数据链路层的 MAC 子层。车载交换机在数据交互过程中扮演着很重要的角色，在之前的专题有介绍过以太网的单播、组播、广播；本文重点对车载交换机原理进行详细介绍。
上文专题如下：
车载以太网测试-6【数据链路层】
车载以太网测试-7【数据链路层】补充-单播、组播、广播

2 车载交换机概述

2.1 OSI 模型中的位置

以下是车载交换机在 OSI 模型中的位置及其相关功能：

OSI 模型层	功能描述	车载交换机的角色
物理层（Physical Layer）	负责比特流的传输，定义电气、机械和时序特性（如电缆、光纤、无线信号）。	车载交换机通过物理端口（如 RJ45 或 M12）连接车载设备，实现物理层的数据传输。
数据链路层（Data Link Layer）	负责帧的传输，提供错误检测和流量控制，分为 LLC 子层 和 MAC 子层。	车载交换机主要工作在 MAC 子层，负责 MAC 地址的学习、帧的转发和 VLAN 的管理。
网络层（Network Layer）	负责数据包的路由和转发，实现不同网络之间的通信（如 IP 协议）。	车载交换机不直接处理网络层协议，但可以支持 VLAN 和 TSN 等高级功能。
传输层（Transport Layer）	提供端到端的通信服务（如 TCP 和 UDP）。	车载交换机不处理传输层协议。
会话层（Session Layer）	管理应用程序之间的会话（如建立、维护和终止会话）。	车载交换机不处理会话层协议。
表示层（Presentation Layer）	负责数据格式的转换（如加密、压缩）。	车载交换机不处理表示层协议。
应用层（Application Layer）	提供应用程序之间的通信服务（如 HTTP、FTP）。	车载交换机不处理应用层协议。

2.2 车载交换机在数据链路层的功能

车载交换机在数据链路层的主要功能包括：

（1）MAC 地址学习

• 交换机通过读取数据帧的 源 MAC 地址，动态更新 MAC 地址表，记录每个设备的 MAC 地址与其连接端口的映射关系。

（2）帧的转发

• 交换机根据 目标 MAC 地址 查询 MAC 地址表，将数据帧从输入端口转发到正确的输出端口。
• 如果目标 MAC 地址不在表中，交换机会将数据帧 广播 到所有端口（泛洪）。

（3）VLAN 管理

• 交换机支持 VLAN（虚拟局域网），通过 VLAN ID 将网络划分为多个逻辑段，隔离不同类型的流量（如控制信号、视频流、诊断数据）。

（4）流量控制

• 交换机通过 IEEE 802.3x 流量控制 或 优先级队列 管理网络流量，避免拥塞和数据丢失。

（5）错误检测

• 交换机通过 CRC（循环冗余校验） 检测数据帧是否在传输过程中发生错误，并丢弃错误的数据帧。

车载交换机主要工作在 数据链路层（MAC 子层），负责 MAC 地址的学习、帧的转发、VLAN 管理、流量控制和错误检测。虽然它主要处理数据链路层的任务，但也支持一些高级功能（如 TSN 和网络管理），以满足现代车载网络的需求。

3 车载交换机的工作原理

车载交换机 是车辆电子网络中的核心设备，负责在车载网络中的各个设备（如 ECU、传感器、摄像头等）之间高效、可靠地传输数据。以下是车载交换机的工作原理详解：

3.1 车载交换机的关键工作步骤

车载交换机的工作原理可以分为以下几个关键步骤：
（1）数据接收

• 当数据包从某个端口进入交换机时，交换机会读取数据包的 源 MAC 地址 和 目标 MAC 地址。
• 交换机会将源 MAC 地址与接收端口绑定，并更新其 MAC 地址表（也称为转发表）。
  （2）MAC 地址表查询
• 交换机根据目标 MAC 地址查询 MAC 地址表，确定数据包应该转发到哪个端口。
• 如果目标 MAC 地址不在表中，交换机会将数据包 广播 到所有端口（泛洪）。
  （3）数据转发
• 如果目标 MAC 地址在表中，交换机会将数据包转发到对应的端口。
• 如果目标 MAC 地址与源 MAC 地址位于同一端口，交换机会丢弃数据包（避免环路）。
  （4）流量控制
• 交换机通过 流量控制机制（如 IEEE 802.3x）管理网络流量，避免端口拥塞。
• 如果某个端口负载过高，交换机会通知发送设备暂停发送数据。
  （5）错误检测与处理
• 交换机通过 CRC（循环冗余校验） 检测数据包是否在传输过程中发生错误。
• 如果检测到错误，交换机会丢弃错误的数据包。
  （6）时间同步（TSN 支持）
• 对于支持 时间敏感网络（TSN） 的交换机，交换机会根据 IEEE 802.1AS 等标准实现时间同步。
• 交换机通过 时间戳 和 调度机制 确保实时数据（如传感器数据、控制信号）的低延迟传输。

3.2 车载交换机的关键技术

车载交换机的工作原理依赖于以下关键技术：

（1）MAC 地址表

• MAC 地址表记录了每个设备的 MAC 地址与其连接的交换机端口的映射关系。
• 交换机通过学习和更新 MAC 地址表，实现高效的数据转发。

（2）VLAN（虚拟局域网）

• VLAN 技术将网络划分为多个逻辑段，隔离不同类型的流量（如控制信号、视频流、诊断数据）。
• 交换机通过 VLAN ID 标识不同的网络段，确保数据仅在特定段内传输。

（3）流量控制

• 交换机通过 IEEE 802.3x 流量控制 或 优先级队列 管理网络流量，避免拥塞和数据丢失。
• 高优先级的数据（如实时控制信号）会被优先转发。

（4）时间敏感网络（TSN）

• TSN 技术支持时间同步、流量调度和低延迟通信，适用于实时性要求高的应用（如 ADAS 和自动驾驶）。
• 交换机通过 TSN 机制确保关键数据的实时传输。

（5）冗余与可靠性

• 车载交换机通常支持 冗余网络拓扑（如环形拓扑），确保在某个链路故障时，数据仍能通过其他路径传输。
• 交换机通过 快速生成树协议（RSTP） 或 介质冗余协议（MRP） 实现快速故障恢复。

3.3 车载交换机的工作示例

以下是一个 车载交换机工作原理 的详细示例，包含具体的 报文数据。假设场景如下：

• 网络设备：
  • 车载交换机：支持 VLAN 和 TSN。
  • 摄像头：IP 地址 192.168.1.2，MAC 地址 00:1B:2C:3D:4E:5F，连接交换机端口 1。
  • ECU（电子控制单元）：IP 地址 192.168.1.3，MAC 地址 00:1C:2D:3E:4F:5A，连接交换机端口 2。
  • 雷达：IP 地址 192.168.1.4，MAC 地址 00:1D:2E:3F:4A:5B，连接交换机端口 3。
• VLAN 配置：
  • 摄像头和 ECU 属于 VLAN 10。
  • 雷达属于 VLAN 20。
• TSN 支持：交换机支持时间敏感网络（TSN），确保实时数据的低延迟传输。

1. 数据接收
摄像头通过端口 1 发送一个数据包到交换机，目标 MAC 地址为 ECU 的 MAC 地址。

• 报文数据：

  • 源 MAC 地址：00:1B:2C:3D:4E:5F（摄像头）
  • 目标 MAC 地址：00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU）
  • VLAN ID：10
  • 数据内容：车速：60 km/h，温度：25°C

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A
    Source MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F
    VLAN Tag: 10
  IP Header:
    Destination IP: 192.168.1.3
    Source IP: 192.168.1.2
  Data Payload:
    车速：60 km/h，温度：25°C
  

2. MAC 地址表查询
交换机读取数据包的源 MAC 地址和目标 MAC 地址，并更新 MAC 地址表。

• MAC 地址表更新：

  • 端口 1：00:1B:2C:3D:4E:5F（摄像头）
  • 端口 2：00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU）

• 查询结果：

  • 目标 MAC 地址 00:1C:2D:3E:4F:5A 绑定到端口 2。

3. 数据转发
交换机根据 MAC 地址表将数据包从端口 1 转发到端口 2，发送给 ECU。

• 转发后的报文数据：

  • 源 MAC 地址：00:1B:2C:3D:4E:5F（摄像头）
  • 目标 MAC 地址：00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU）
  • VLAN ID：10
  • 数据内容：车速：60 km/h，温度：25°C

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A
    Source MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F
    VLAN Tag: 10
  IP Header:
    Destination IP: 192.168.1.3
    Source IP: 192.168.1.2
  Data Payload:
    车速：60 km/h，温度：25°C
  

4. 流量控制
如果端口 2 的负载过高，交换机会通过 IEEE 802.3x 流量控制 通知摄像头暂停发送数据。

• 流量控制报文：

  • 类型：0x8808（IEEE 802.3x 流量控制）
  • 操作码：0x0001（暂停）
  • 暂停时间：100 ms

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 01:80:C2:00:00:01 (IEEE 802.3x 组播地址)
    Source MAC: 00:1A:2B:3C:4D:5E (交换机 MAC)
  Control Frame:
    Type: 0x8808
    Opcode: 0x0001
    Pause Time: 100 ms
  

5. 时间同步（TSN 支持）
交换机支持 TSN，为数据包添加时间戳，并根据调度机制确保数据包在指定时间内到达 ECU。

• 时间戳报文：

  • 时间戳：1633035600.123456（Unix 时间戳，精确到微秒）
  • 调度优先级：高

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A
    Source MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F
    VLAN Tag: 10
  TSN Header:
    Timestamp: 1633035600.123456
    Priority: High
  IP Header:
    Destination IP: 192.168.1.3
    Source IP: 192.168.1.2
  Data Payload:
    车速：60 km/h，温度：25°C
  

6. 错误检测与处理
交换机通过 CRC（循环冗余校验） 检测数据包是否在传输过程中发生错误。

• CRC 校验：
  • 计算数据包的 CRC 值，并与报文中的 CRC 字段进行比较。
  • 如果 CRC 校验失败，交换机会丢弃数据包。

7. 冗余与故障恢复
交换机支持 冗余网络拓扑（如环形拓扑），确保在某个链路故障时，数据仍能通过其他路径传输。

• 故障检测：
  • 如果端口 2 发生故障，交换机会通过 快速生成树协议（RSTP） 或 介质冗余协议（MRP） 重新计算路径。
  • 数据包通过备用路径（如端口 3）转发。

以上示例展示了车载交换机的工作原理，包括数据接收、MAC 地址表查询、数据转发、流量控制、时间同步、错误检测和冗余机制。车载交换机通过高效的数据转发和网络管理，确保车载网络的高性能和可靠性，满足 ADAS 和自动驾驶等应用的需求。

3.4 MAC地址表

车载交换机的 MAC 地址表 是其核心功能之一，用于记录网络中设备的 ==MAC 地址与其连接的交换机端口的映射关系。==通过 MAC 地址表，交换机能够高效地转发数据包，避免广播泛洪。以下是 MAC 地址表的工作原理及示例，包含具体的报文数据。

3.4.1 MAC 地址表的工作原理

（1）MAC 地址表的功能

• 记录映射关系：MAC 地址表记录了每个设备的 MAC 地址与其连接的交换机端口的映射关系。
• 数据转发：交换机根据 MAC 地址表将数据包从输入端口转发到正确的输出端口。
• 动态更新：交换机通过 学习机制 动态更新 MAC 地址表。

（2）MAC 地址表的学习机制

• 当交换机从某个端口接收到数据包时，会读取数据包的 源 MAC 地址。
• 交换机会将源 MAC 地址与接收端口绑定，并更新 MAC 地址表。
• 如果 MAC 地址表中已经存在该 MAC 地址，交换机会更新其对应的端口和生存时间。

（3）MAC 地址表的查询机制

• 当交换机需要转发数据包时，会读取数据包的 目标 MAC 地址。
• 交换机会查询 MAC 地址表，找到目标 MAC 地址对应的端口。
• 如果目标 MAC 地址不在表中，交换机会将数据包 广播 到所有端口（泛洪）。

（4）MAC 地址表的超时机制

• 每个 MAC 地址表项都有一个 生存时间（TTL），通常为 300 秒。
• 如果某个 MAC 地址在生存时间内没有再次出现，交换机会将其从表中删除。

3.4.2 MAC 地址表示例

假设车载交换机的 MAC 地址表初始为空，以下是其工作流程及报文数据示例。

（1）初始状态

• MAC 地址表：空

（2）摄像头发送数据包
摄像头通过端口 1 发送一个数据包到交换机，目标 MAC 地址为 ECU 的 MAC 地址。

• 报文数据：

  • 源 MAC 地址：00:1B:2C:3D:4E:5F（摄像头）
  • 目标 MAC 地址：00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU）
  • 数据内容：车速：60 km/h

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A
    Source MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F
  IP Header:
    Destination IP: 192.168.1.3
    Source IP: 192.168.1.2
  Data Payload:
    车速：60 km/h
  

• 交换机操作：

  • 交换机读取源 MAC 地址 00:1B:2C:3D:4E:5F，并将其与端口 1 绑定。
  • 更新 MAC 地址表：

    MAC 地址	端口
    00:1B:2C:3D:4E:5F	1

（3）ECU 发送数据包
ECU 通过端口 2 发送一个数据包到交换机，目标 MAC 地址为摄像头的 MAC 地址。

• 报文数据：

  • 源 MAC 地址：00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU）
  • 目标 MAC 地址：00:1B:2C:3D:4E:5F（摄像头）
  • 数据内容：确认收到车速数据

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 00:1B:2C:3D:4E:5F
    Source MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A
  IP Header:
    Destination IP: 192.168.1.2
    Source IP: 192.168.1.3
  Data Payload:
    确认收到车速数据
  

• 交换机操作：

  • 交换机读取源 MAC 地址 00:1C:2D:3E:4F:5A，并将其与端口 2 绑定。
  • 更新 MAC 地址表：

    MAC 地址	端口
    00:1B:2C:3D:4E:5F	1
    00:1C:2D:3E:4F:5A	2

（4）雷达发送数据包
雷达通过端口 3 发送一个数据包到交换机，目标 MAC 地址为 ECU 的 MAC 地址。

• 报文数据：

  • 源 MAC 地址：00:1D:2E:3F:4A:5B（雷达）
  • 目标 MAC 地址：00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU）
  • 数据内容：前方障碍物距离：10 米

• 报文示例：

  Ethernet Header:
    Destination MAC: 00:1C:2D:3E:4F:5A
    Source MAC: 00:1D:2E:3F:4A:5B
  IP Header:
    Destination IP: 192.168.1.3
    Source IP: 192.168.1.4
  Data Payload:
    前方障碍物距离：10 米
  

• 交换机操作：

  • 交换机读取源 MAC 地址 00:1D:2E:3F:4A:5B，并将其与端口 3 绑定。
  • 更新 MAC 地址表：

    MAC 地址	端口
    00:1B:2C:3D:4E:5F	1
    00:1C:2D:3E:4F:5A	2
    00:1D:2E:3F:4A:5B	3

（5）数据转发
当交换机需要转发数据包时，会查询 MAC 地址表。例如：

• 如果目标 MAC 地址是 00:1C:2D:3E:4F:5A（ECU），交换机会将数据包转发到端口 2。
• 如果目标 MAC 地址不在表中，交换机会将数据包广播到所有端口。

3.4.3 MAC 地址表的超时机制

• 如果某个 MAC 地址在生存时间（例如 300 秒）内没有再次出现，交换机会将其从表中删除。
• 例如，如果摄像头在 300 秒内没有发送数据，交换机会删除其 MAC 地址表项：

  MAC 地址	端口
  00:1C:2D:3E:4F:5A	2
  00:1D:2E:3F:4A:5B	3

车载交换机的 MAC 地址表通过动态学习和更新机制，记录了网络中设备的 MAC 地址与其连接端口的映射关系。通过查询 MAC 地址表，交换机能够高效地转发数据包，避免广播泛洪。MAC 地址表的超时机制确保了表的实时性和准确性。

4 总结

以上详细介绍了车载交换机的功能、工作原理、通信机制示例、MAC地址表机制以及示例；能更好地帮助大家理解车载以太网的通信，希望能对大家有所帮助！