车载以太网网络测试-16【传输层-UDP】

1 摘要

车载以太网的第五层是传输层，它在车载网络架构中扮演着至关重要的角色。主要分为TCP协议和UDP协议，这俩协议在汽车网络通信应用十分广泛。因此，熟练掌握这俩协议是车载网络测试工程师的必备技能，本文主要先对DUP协议进行详细介绍。

2 车载以太网传输层概述

背景：
随着汽车智能化、网联化和电动化的快速发展，传统的车载网络（如CAN、LIN、FlexRay等）在带宽、延迟和扩展性方面逐渐无法满足需求。车载以太网作为一种高带宽、低延迟、高可靠性的通信技术，逐渐成为车载网络的主流选择。
车载以太网基于OSI（开放系统互联）模型，其中传输层（第五层）负责在通信的源端和目标端之间提供可靠的数据传输服务。

作用：
传输层的主要作用是为车载网络中的应用程序提供端到端的数据传输服务，具体包括以下几个方面：

可靠数据传输
确保数据在源端和目标端之间可靠传输，避免数据丢失或损坏。
流量控制
根据接收端的处理能力，动态调整数据传输速率，防止网络拥塞。
错误检测与恢复
通过校验和、重传机制等技术，检测并纠正数据传输中的错误。
多路复用与分用
支持多个应用程序同时使用网络资源，并通过端口号区分不同的应用服务。
连接管理
在通信双方之间建立、维护和终止连接。

协议：
在车载以太网中，传输层主要使用以下两种协议：

TCP（传输控制协议）
- 特点：面向连接、可靠传输、支持流量控制和错误恢复。
- 适用场景：适用于对数据可靠性要求高的应用，如OTA（空中升级）、车载诊断、高精度地图更新等。
- 优点：保证数据的完整性和顺序性。
- 缺点：由于复杂的控制机制，延迟较高，不适合实时性要求极高的场景。
UDP（用户数据报协议）
- 特点：无连接、不可靠传输、低延迟。
- 适用场景：适用于对实时性要求高但允许少量数据丢失的应用，如车载音视频传输、传感器数据采集等。
- 优点：传输效率高，延迟低。
- 缺点：不保证数据的可靠性和顺序性。

以下是车载以太网传输层的TCP协议和UDP协议的比对表格：

特性	TCP协议	UDP协议
全称	传输控制协议 (Transmission Control Protocol)	用户数据报协议 (User Datagram Protocol)
连接方式	面向连接 (Connection-oriented)	无连接 (Connectionless)
可靠性	高可靠性，提供数据确认、重传机制	不可靠，不保证数据到达或顺序
数据顺序	保证数据顺序	不保证数据顺序
速度	较慢，由于确认和重传机制	较快，无确认和重传机制
开销	较高，包含头部信息和确认机制	较低，头部信息简单
适用场景	需要高可靠性的应用，如文件传输、电子邮件	实时性要求高的应用，如视频流、在线游戏
拥塞控制	有拥塞控制机制	无拥塞控制机制
错误检测	提供错误检测和纠正	仅提供错误检测
数据流控制	提供数据流控制	不提供数据流控制
报文结构	复杂，包含序列号、确认号等	简单，仅包含源端口、目的端口等
应用层协议示例	HTTP, FTP, SMTP	DNS, DHCP, SNMP

TCP协议 适用于需要高可靠性和数据完整性的场景，如车载系统中的关键数据传输。
UDP协议 适用于对实时性要求较高的场景，如车载娱乐系统中的音视频流传输。

选择使用哪种协议应根据具体的应用需求和网络环境来决定。

3 车载以太网UDP协议

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是TCP/IP协议族中的一种无连接传输层协议。与TCP相比，UDP具有传输效率高、延迟低的特点，因此在实时性要求较高的场景中得到了广泛应用。在车载以太网中，UDP协议被用于满足某些特定应用的需求。

3.1 车载以太网UDP协议的作用

高实时性传输
- UDP协议不需要建立连接，也没有复杂的确认和重传机制，因此数据传输的延迟较低。在车载环境中，某些应用（如传感器数据传输、视频流传输等）对实时性要求较高，UDP协议能够满足这些需求。
低开销
- UDP协议的头部开销较小（仅8字节），适合传输小数据包或需要高效传输的场景。在车载网络中，资源有限，UDP的低开销特性有助于提高网络效率。
支持广播和多播
- UDP支持广播和多播传输，适用于车载环境中需要将数据同时发送给多个节点的场景，例如车载娱乐系统的音频/视频流分发。
适用于非关键性数据传输
- 对于不需要高可靠性的应用（如某些传感器数据或诊断信息），UDP协议可以提供高效的传输方式，而不需要像TCP那样保证数据的完整性和顺序。
与车载以太网协议栈的兼容性
- 车载以太网通常采用基于IP的通信架构，UDP作为IP协议栈的一部分，能够与其他协议（如SOME/IP、DoIP等）无缝集成，满足车载系统的多样化需求。
支持新兴应用
- 在智能驾驶和车联网中，UDP协议可以用于传输高带宽数据（如摄像头、雷达、激光雷达等传感器的原始数据），同时满足低延迟的要求。

3.2 UDP报文帧结构

车载以太网UDP报文帧通常由以下几个部分组成：

以太网帧头（Ethernet Header）：
- 目的MAC地址（Destination MAC Address）：6字节，表示数据帧的目的地。
- 源MAC地址（Source MAC Address）：6字节，表示数据帧的发送方。
- 以太网类型（EtherType）：2字节，表示上层协议类型，例如IPv4（0x0800）。
IP头（IP Header）：
- 版本（Version）：4位，表示IP版本，IPv4为4。
- 头长度（IHL）：4位，表示IP头的长度（以32位字为单位）。
- 服务类型（Type of Service, ToS）：1字节，表示服务质量（QoS）。
- 总长度（Total Length）：2字节，表示整个IP数据报的长度。
- 标识（Identification）：2字节，用于分片和重组。
- 标志（Flags）：3位，用于分片控制。
- 片偏移（Fragment Offset）：13位，表示分片的位置。
- 生存时间（Time to Live, TTL）：1字节，表示数据报的最大生存时间。
- 协议（Protocol）：1字节，表示上层协议类型，UDP为17。
- 头校验和（Header Checksum）：2字节，用于校验IP头的完整性。
- 源IP地址（Source IP Address）：4字节，表示发送方的IP地址。
- 目的IP地址（Destination IP Address）：4字节，表示接收方的IP地址。
UDP头（UDP Header）：
- 源端口（Source Port）：2字节，表示发送方的端口号。
- 目的端口（Destination Port）：2字节，表示接收方的端口号。
- 长度（Length）：2字节，表示UDP数据报的总长度（包括UDP头和UDP数据）。
- 校验和（Checksum）：2字节，用于校验UDP数据的完整性。
UDP数据（UDP Data）：
- 数据（Data）：可变长度，表示UDP数据报的有效载荷。
以太网帧尾（Ethernet Trailer）：
- 帧校验序列（Frame Check Sequence, FCS）：4字节，用于校验整个以太网帧的完整性。

UDP头（UDP Header）：
车载以太网中的UDP（用户数据报协议）头部与标准以太网中的UDP头部结构相同，通常由4个字段组成，每个字段占2个字节（16位）。以下是UDP头部的字段及其作用的表格展示：

字段名称	大小（字节）	描述
源端口号	2	发送方的端口号，用于标识发送数据的应用程序。
目的端口号	2	接收方的端口号，用于标识接收数据的应用程序。
长度	2	UDP数据报的总长度（包括头部和数据部分），以字节为单位。
校验和	2	用于检测UDP数据报在传输过程中是否发生错误。如果为0，则表示不校验。

详细说明：

源端口号（Source Port）：
- 标识发送UDP数据报的应用程序的端口号。
- 在接收方回复时，可以用来确定回复的目的地。
目的端口号（Destination Port）：
- 标识接收UDP数据报的应用程序的端口号。
- 接收方根据此字段将数据传递给相应的应用程序。
长度（Length）：
- 表示整个UDP数据报的长度，包括头部和数据部分。
- 最小值为8字节（仅头部），最大值为65535字节。
校验和（Checksum）：
- 用于验证UDP数据报在传输过程中是否发生了错误。
- 校验和的计算包括UDP头部、数据部分以及伪头部（伪头部包含IP地址等信息）。
- 如果校验和为0，表示发送方未计算校验和（在某些情况下允许）。

实例示例：

假设我们有一个车载以太网UDP报文，其内容如下：

目的MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5E
源MAC地址：00:1A:2B:3C:4D:5F
以太网类型：IPv4（0x0800）
源IP地址：192.168.1.100
目的IP地址：192.168.1.200
源端口：5000
目的端口：6000
UDP数据：Hello, Car Ethernet!

以太网帧头：

目的MAC地址：00 1A 2B 3C 4D 5E
源MAC地址：00 1A 2B 3C 4D 5F
以太网类型：08 00

IP头：

版本和头长度：45
服务类型：00
总长度：00 29
标识：00 00
标志和片偏移：00 00
生存时间：40
协议：11（UDP）
头校验和：00 00
源IP地址：C0 A8 01 64
目的IP地址：C0 A8 01 C8

UDP头：

源端口：13 88
目的端口：17 70
长度：00 15
校验和：00 00

4.UDP数据：

数据：48 65 6C 6C 6F 2C 20 43 61 72 20 45 74 68 65 72 6E 65 74 21

以太网帧尾：

帧校验序列：00 00 00 00（假设为0）

完整UDP报文帧示例：

00 1A 2B 3C 4D 5E 00 1A 2B 3C 4D 5F 08 00 45 00
00 29 00 00 00 00 40 11 00 00 C0 A8 01 64 C0 A8
01 C8 13 88 17 70 00 15 00 00 48 65 6C 6C 6F 2C
20 43 61 72 20 45 74 68 65 72 6E 65 74 21 00 00
00 00

3.3 UDP协议的通信过程

3.3.1 通信过程

数据封装：

应用层数据生成：
- 应用层（如ADAS、信息娱乐系统等）生成需要传输的数据。
UDP封装：
- 数据被传递到传输层，UDP协议将数据封装为UDP数据报。
- UDP数据报包括以下字段：
  - 源端口号（2字节）：发送方的端口号。
  - 目的端口号（2字节）：接收方的端口号。
  - 长度（2字节）：UDP数据报的总长度（包括头部和数据）。
  - 校验和（2字节）：用于检测数据传输中的错误（可选）。
IP封装：
- UDP数据报被传递到网络层，封装为IP数据包。
- IP数据包包括源IP地址和目的IP地址。

数据传输：

发送方：
- 发送方将封装好的IP数据包通过物理层（如以太网）发送到网络中。
- 由于UDP是无连接的，发送方不需要与接收方建立连接。
网络传输：
- 数据包通过车载以太网交换机或路由器进行转发。
- 网络设备根据IP地址和路由表将数据包传递到目标设备。
接收方：
- 接收方的网络层接收IP数据包，解封装后提取UDP数据报。
- 接收方的传输层根据目的端口号将数据传递到相应的应用程序。

数据接收：

应用层处理：
- 接收方的应用层处理接收到的数据。
- 由于UDP不保证可靠性，接收方可能需要检测数据是否完整或有序。
错误处理：
- 如果数据包丢失或损坏，UDP不会自动重传，需要由应用层处理。

3.3.2 实例示例

假设我们有一个车载系统，其中包含一个音频播放器和一个音频接收器。音频播放器通过UDP协议将音频数据发送到音频接收器。

音频播放器（发送端）

应用层：音频播放器生成音频数据。
传输层：音频数据被封装成UDP数据报，源端口号为5000，目的端口号为6000。
网络层：UDP数据报被封装成IP数据包，源IP地址为192.168.1.100，目的IP地址为192.168.1.200。
数据链路层：IP数据包被封装成以太网帧，源MAC地址为00:11:22:33:44:55，目的MAC地址为00:11:22:33:44:66。
物理层：以太网帧通过车载以太网传输到音频接收器。

音频接收器（接收端）

物理层：音频接收器接收到以太网帧。
数据链路层：以太网帧被解封装，提取出IP数据包。
网络层：IP数据包被解封装，提取出UDP数据报。
传输层：UDP数据报被解封装，提取出音频数据。
应用层：音频数据被传递给音频接收器的应用层进行播放。

3.3.3 代码示例

以下是一个简单的Python代码示例，模拟UDP协议的通信过程。

发送端（音频播放器）

import socket# 创建UDP套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)# 目标地址和端口
target_ip = '192.168.1.200'
target_port = 6000# 音频数据
audio_data = b'This is a sample audio data'# 发送数据
sock.sendto(audio_data, (target_ip, target_port))# 关闭套接字
sock.close()

接收端（音频接收器）

import socket# 创建UDP套接字
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)# 绑定地址和端口
sock.bind(('192.168.1.200', 6000))# 接收数据
data, addr = sock.recvfrom(1024)  # 1024是缓冲区大小
print(f"Received audio data: {data} from {addr}")# 关闭套接字
sock.close()