车载以太网交换机的功能及测试方法

随着汽车电子化和智能化程度不断提高，车载网络已成为现代汽车一个重要的组成部分。相较于传统总线通信方式，车载以太网具有更高的数据传输能力和更强的扩展性，能提供高带宽、低延迟和稳定可靠的通信，满足现代汽车对数据交换和系统集成需求。

车载以太网采用点对点的星型拓扑结构，每一根通信线缆之链接两个节点，节点间通过交换机通信。本文将介绍车载以太网交换机的主要功能及其测试方法。

 

什么是车载以太网交换机

车载以太网的通信架构和关键技术参考传统以太网，采用点对点的通信方式，网络中节点超过两个时需要使用交换机转发数据。当网络规模较小时，所有节点可以接到同一个交换机，网络拓扑呈星型结构。当网络规模超过了单个交换机可处理的规模时，多个交换机相连，网络拓扑呈树形结构。车载以太网参考五层协议体系结构（基于OSI七层参考模型），从底层往上层依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。   以太网交换机工作在五层协议体系的第二层——数据链路层，主要负责控制网络节点对物理媒介的访问。此外，作为网络层和物理层的中间层，数据链路层还负责数据封装和解封装（在发送时将网络层传递下来的IP数据报封装成帧后发送到物理层，在接收时将接收到的帧中的IP数据报取出来交付给网络层）和差错校验等。  星型网络  

树型网络   车载以太网交换机与传统以太网交换机类似，在网络节点超过两个的场景下，实现数据在多个节点之间的转发功能。转发规则的正确性以及数据处理的及时性决定了交换机所在网络的性能。   关于交换机的测试也一般围绕转发相关功能开展，车载以太网交换机的测试一般分为功能测试和性能测试。功能测试参考OPEN联盟发布的TC 8规范之一《OPEN Alliance Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer 2》（以下简称TC 8）和厂家自定义规范，测试交换机的VLAN、镜像、地址学习、帧过滤等功能是否符合相应的规范要求。性能测试参考IETF发布的网络互联设备和局域网交换设备的基准测试方法--RFC 2544和RFC 2889，通过测量交换机的吞吐量、时延、丢帧率、连续帧和地址学习速率等，以评估其是否满足基准。  

车载以太网交换机的功能测试

转发功能是以太网交换机最主要的功能，交换机可以根据以太网帧的目的MAC地址将以太网帧从一个接口转发到另一个接口，从而实现网络设备的互联。 除了转发功能，以太网交换机还具备MAC地址学习、VLAN、端口镜像、访问控制列表、拥塞控制、网络流量管理和广播抑制等功能。TC 8中提供了VLAN、地址学习、接收帧过滤、时钟同步和QoS等常见的车载以太网交换机的基础功能的测试用例。  

VLAN即虚拟局域网，通过VLAN技术可以在数据链路层实现将物理上连接在一起的局域网划分为多个不能直接通信的虚拟局域网。VLAN的划分限制了广播报文的传输范围，只在需要该报文的VLAN中传输，降低网络中冗余的广播报文，提高网络的安全性和健壮性。VLAN的划分通过在以太网帧的源地址（SA，Source Address）后增加VLAN Tag实现。VLAN Tag由标签协议标识符（TPID，Tag Protocol Identifier）和标签控制信息（TCI，Tag Control Information）构成。IEEE 802.1Q中规定TPID为0x8100表示该以太网帧为VLAN帧，TPID为0x88a8表示该帧为服务VLAN帧。TCI由PCP（Priority Code Point）、DEI（Drop Eligible Indicator）和VID（VLAN ID）构成。PCP表示VLAN的优先级，取值从0到7，数值越高，传输的优先级越高。DEI与PCP共同决定VLAN的优先级。VID为VLAN的编号，不同VLAN使用VID进行区分。TC8中VLAN相关的测试用例一共有21条，分别使用无VLAN标签、单VLAN标签和双VLAN标签的普通数据帧、ICMP请求帧和ARP请求帧测试交换机能否在多种场景下，根据需求规范正常转发或者丢弃帧。  

以太网VLAN帧   地址学习即MAC地址学习。交换机内部会维护一张MAC地址列表，列表由MAC地址和交换机的端口号组成。每收到一个帧，如果该帧的源MAC地址不在交换机的MAC地址列表中，则交换机将会MAC地址及接收该帧的端口号更新到列表中。除了主动学习，用户也可以手动更新MAC地址列表。TC8中地址学习相关的测试用例一共有21条，在多种场景下测试交换机是否可以正常学习、使用、导出、删除MAC地址。  

接收帧过滤指交换机根据特定的规则转发或丢弃具有某种特点的帧。在输入交换机的数据速率超过交换机的最大处理速率时，能主动限制接收数据速率并上报。   TC 8中对于时间同步的测试比较少，仅仅对主时钟信号是否会被数据帧干扰导致失真进行测试。  

QoS即服务质量，将不同数据根据重要程度划分优先级，并优先传输高优先级数据，保证重要数据能优先获取网络传输资源。TC 8中对严格优先级（Strict Priority，SP）、加权轮询（Weighted Round Robin，WRR）和基于速率的流量整形进行测试。可根据交换机各端口对不同调度算法的支持情况选择测试用例。  

车载以太网交换机的性能测试

RFC 2544中定义了网络互联设备基准的测试方法和测试要求，与车载以太网交换机相关的测试有吞吐量、时延、帧丢失率和连续帧。RFC2889中定义了局域网交换机的测试方法和测试要求，与车载以太网交换机相关的测试有拥塞控制、前向压力与最大转发速率、地址缓存容量、地址学习速率、错误帧过滤、广播帧转发与广播帧处理时延。  

吞吐量测试测量在没有帧丢失的前提下，交换机的最大转发速率，即每秒传输的帧数。测试过程以一定的速率向交换机发送一定数量的帧，如果交换机转发的帧数小于接收的帧数，说明丢失了部分帧，则降低速率重新测试。依次测试帧长度（单位：字节）分别为64、128、256、512、1024、1208和1518时的吞吐量。  

时延测试测量交换机转发单播帧所需要的处理时长。测试仪向交换机发送的单播帧上的时间戳与交换机转发后的帧的时间戳的差值即为交换机处理该单播帧的时延。依次测试帧长度（单位：字节）分别为64、128、256、512、1024、1208和1518时的时延，每个帧长度下至少测试20次然后取平均值。  

帧丢失率测试测量丢失的帧占发送的总帧数的百分比。在帧长度（单位：字节）分别为64、128、256、512、1024、1208和1518的场景下，分别以最大速率的100%、90%、80%、...、10%、0%向交换机发送数据，然后测量交换机的帧丢失率。  

连续帧测试测量交换机能连续处理的最大帧数量，用于衡量交换机的数据缓存能力。以最小帧间隔持续向交换机发送数据，直到转发数据出现帧丢失为止。然后测量持续时间略小于帧丢失持续的时间且无帧丢失的场景下的最大帧数量，即连续帧数量。依次测试帧长度（单位：字节）分别为64、128、256、512、1024、1208和1518时的连续帧数量。  

拥塞控制测试交换机如何应对端口数据拥塞现象，包括是否具备拥塞管理机制（抗压力机制）以及一个端口的拥塞是否会影响其他端口（首位阻塞）。具备拥塞管理机制的交换机检测到端口接收速率即将超过最大负载时，会主动要求数据的发送节点降低发送速率。  

前向压力在交换机过载的情况下测量转发端口的帧间隔。如果交换机转发的帧间隔小于IEEE 802.3规定的最小帧间隔（96比特），则前向压力测试通过。  

地址缓存容量与地址学习速率是描述交换机MAC地址学习性能的两个主要参数。地址缓存容量为交换机端口能缓存的最大MAC地址数量，当交换机缓存的地址数量超过地址缓存容量时，会引发交换机内部的泛洪。地址学习速率为交换机在不出现泛洪和丢帧的条件下，学习MAC地址的最大速度。  

错误帧过滤测试交换机是否能正确处理经其转发的错误或异常帧，丢弃错误帧并对异常帧予以纠正。常见的错误类型有帧长过长（无VLAN标记的帧大于1518字节、有VLAN标记的帧大于1522字节）、帧长过短（长度小于64字节）、CRC错误和对齐错误等。  

广播帧吞吐量与广播帧处理时延测试交换机处理广播帧的性能。广播帧吞吐量指在没有帧丢失的情况下，交换机正确地接收并转发广播帧的最大处理速率。广播帧处理时延指从交换机接收广播帧到成功转发需要的时长。

审核编辑：黄飞