车载网联应用协议栈

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车载网联应用协议栈

1. 概述
   1. 引言

从20世纪90年代开始，汽车和通信走到了一起，汽车里陆续装备了基于2G、3G和4G的移动通信设备。有了这些设备，我们逐渐实现了基于通信能力的导航和信息预告等业务。

在具备了2G蜂窝通信能力之后，智能交通在解决交通安全方面做了一个很有意思的事情，就是“紧急呼叫”(eCall，也常常叫做“紧急救援”)。eCall使用移动电话和卫星定位功能，在发生交通事故后，与最近的救援中心的统一号码建立电话链接，除语音连接之外，车载eCall系统还上报传输有关事故地点、事故类型和车辆的信息。

汽车正在不断向智能驾驶的方向发展，当前正处在过渡过程中的网联阶段，智能网联汽车的定义：“智能网联汽车是指搭载吸纳进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、云等）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现‘安全、节能、高效、舒适’行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车。”

这个阶段核心的特征出现了基于通信的V2V(Vehicle to Vehicle，车到车)和V2I(Vehicle to Infrastructure，车到基础设置)、V2P(Vehicle to Pedestrian，车到人)通信技术，将车和车之间、车和周围的万物之间连接起来。汽车获得了互相连接的能力，也就具备了智能特性，并通过智能衍生出一些网络服务。其中包括远距离通信的2G、3G，4G，5G网络技术和近距离通信的WiFi，蓝牙网络通信技术。各个网络制式的发展演进，进而推动了汽车技术进一步发展，并让汽车具有非常高的智能化，未来还会实现L5级别的自动驾驶。

1. 1. 定义

车载无线网联应用协议栈，简称车载网联协议栈或车载无线网联协议栈，是指汽车所有无线通信应用协议栈的总称。

无线网络主要包括蜂窝移动通信系统（2G/3G/4G以及5G等）、Wi-Fi蓝牙技术和C-V2X技术等。网联协议栈是一个网络通信系统的核心组成部分，它由多个网络协议层组成，每一层负责不同的功能。常见的网络协议栈包括TCP/IP协议栈、OSI模型等。

TCP/IP协议栈是当前互联网上最常用的协议栈。它由四层组成，从低至高分别是物理层、数据链路层、网络层和传输层。物理层负责将数据转换为电信号，并通过物理介质进行传输。数据链路层负责将数据分割成帧（Frame）并进行差错检测和纠错。网络层负责将帧路由到目标地址。传输层负责提供可靠的端对端通信，常用的协议有TCP和UDP。

OSI模型是一个理论模型，由七层组成。从低至高分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。这种模型的好处是可以将网络协议栈的功能和责任进行划分，方便开发和分析网络协议。

网络协议栈的工作原理是每一层负责将上一层的数据进行封装和处理，并传递到下一层。接收端则按相反的顺序进行解封装和处理，最终将数据传递到应用层。通过这种逐层处理的方式，不同的网络协议可以协同工作，实现可靠和高效的网络通信。

网络协议栈主要包括以下几个层次：

物理层：负责将比特流转换为电信号，并在物理介质上进行传输，如网线、光纤等。

数据链路层：负责在直接相连的两个节点之间传输数据，通过将数据分割成帧（Frame）并添加头部和尾部来实现数据帧的传输。同时，也负责对传输中的错误进行检测和纠正。

网络层：负责将数据从一个节点路由到另一个节点，以实现跨网络的通信。在这一层，每个节点被分配一个唯一的IP地址，用于标识该节点。

传输层：负责在两个节点之间提供端到端的数据传输，例如TCP和UDP协议。TCP协议提供可靠的、面向连接的传输，保证数据的完整性和顺序性；UDP协议提供不可靠的、面向无连接的传输，适用于需要快速传输的应用场景。

应用层：面向最终用户的层次，提供各种应用协议，如HTTP、FTP、DNS等。应用层协议定义了数据的具体格式和传输方式，实现了特定的功能，如Web浏览、文件传输、域名解析等。

车联网协议栈的主要功能包括但不限于以下几项：接入层，网联层，消息层和应用层。

接入层：车辆接入网络部分归纳为接入层；

网联层：车辆和服务器云，车辆和车辆，车辆和RSU等通信数据传递部分归纳为网联层；

消息层：车辆消息编解码，数据融合处理部分归纳为消息层；

应用层：车联网安全，多场景联合控制，预警播报以及人机交互等应用归纳为应用层；

车载无线网联协议栈与OSI模型类似，车载无线网联协议栈模型图1如下：

图1：车载无线网联协议栈

车载设备控制器与车载T-Box组成局域网络，而车载T-box可以访问互联网，因此车载设备、车联网平台、用户手机APP可以进行相互之间的数据交互。

分类：

车与内部传感器的有线连接, 如CAN BUS、高速以太网

车机与手机等设备的无线连接,包括蓝牙、WiFi

1. 1. 车载网联协议栈框图

车载网联协议栈软件整体框图如下：

其中4层架构定义如下：

接入层：车辆接入网络部分归纳为接入层；

网联层：车辆和服务器云，车辆和车辆，车辆和RSU，车辆和数字钥匙等通信数据传递部分归纳为网联层；

消息层：车辆消息编解码，加解密，以及数据融合处理部分归纳为消息层；

应用层：车联网安全，多场景联合控制，预警播报以及人机交互等应用归纳为应用层；

1. 1. 子模块系统说明

3.3.1 接入层系统

接入层系统是车载网联协议栈的基础层，主要包括硬件：车辆、手机、云服务器、RSU和数字钥匙等。

其中远程通信的有：车辆、手机、云服务器，RSU；

近距离通信的有：车辆、手机、RSU和数字钥匙

车辆的通信设备是车载T-Box，车载T-box通过5G，4G，3G，2G，wifi蓝牙网络实现了访问各个互联网。因此车载设备、车联网平台、用户手机APP可以进行相互之间的数据交互。

接入层需要有网联的能力，支持5G/4G/3G/2G/WiFi/蓝牙网络，确保设备具有无线通信的能力。

协议栈接入层软件架构如下：

3.3.2 网联层系统

根据接入层系统提供了联网硬件基础，网联层基于硬件的网联能力，通过5G/4G/3G/2G/WiFi/蓝牙等网络制式，让车辆-车辆，车辆-手机，车辆-设备，车-云，车-PSAP之间进行连接和通信；

车载网联主要是车联网的功能，车联网从网的角度来看，分为超视距网联，近距离网联。超视距的网联是指蜂窝移动网络，近距离网联是指WiFI/蓝牙等；

车辆在使用网联的时候，仅仅会出现两个场景，一种是超视距的移动蜂窝网络；一种是车辆附近的WiFi/蓝牙网络；所以车载协议栈的场景也根据这个特性分为超视距场景和近距离场景。

在工业时代2.0的背景下，车联网，工业应用等方面，我们从最初的简简单单打电话的需求，到网上冲浪的阶段，然后发展到今天车联网。车是生活中人们日常生活中使用最多的工具，如何提高车联接到网络进行稳定，高效，延迟短的通信，就成了无线网络人一直追求的目标。随着无人驾驶远程操控的到来，协议栈需要从网络关键的指标的角度，给车辆的各个场景选择最合适的网络，进行稳定，高效，延迟短的通信。

对比蜂窝网的性能指标网络时延

1. 首先要明白时延与延时的区别：

1. 时延，Latency，是指一个报文进入一台设备至这个报文出这台设备所经历时间，实际考验的是这个报文在这台设备所消耗的时间，时间越短，此设备性能越高；可以理解为设备固有的特性，设备就这能耐。

b.延时，Delay，是指一个操作和另一个操作之间停顿的时间；延时除了设备本身时延外，还有人为操作，技术故障等；

2. 对于2G，3G谈时延没意义，原因不就打个电话啥，发个邮件或文件，时间延迟就延迟。但对于工业应用有些就是致命的，如无人驾驶远程操控，0.1秒和0.01秒效果就大有不同，简单计算，汽车每秒30米运行，0.1秒的距离是3米，0.01秒就30厘米了，那就是远程操控的效果就是无人汽车开不开进沟里的区别。 一旦时延大幅降低，通过网络连接进行远程操作，就和本地几乎无差别，即真正的透明化传输。整个社会效率会大幅度提高。

3. 而5G比4G除了速度快很多，更重要的是网络延迟降低了很多。国内外5G研究机构对5G提出了毫秒级的端到端网络延迟要求，理想情况下端到端的网络延迟为1毫秒，典型的端到端网络延迟为5至10毫秒。而我们目前使用的4G网络，端到端的理想网络延迟是10毫秒左右，LTE的端到端典型网络延迟是50至100毫秒。显然，这些数据意味着5G将端到端的网络延迟缩短为4G的十分之一。

车载网联协议栈在5G 落地的推动下， 未来 C-V2X 的发展将结合 5G NR 功能，进一步强化高吞吐量、宽带载波支持、超低延迟和高可靠性等优势，从而丰富了更多的应用，实现自动驾驶和其他高级功能运用，如高吞吐量传感器共享，意向共享和 3D 高清地图更新等。

近距离网络有WiFI蓝牙等通信方式，其中车载蓝牙系统中的蓝牙技术是从手机的蓝牙技术延续下来的，拥有相同的发射系统。车载蓝牙只是以无线蓝牙技术为基础而设计研发的车内无线免提系统。主要功能为在正常行驶中用蓝牙技术与手机连接进行免提通话，已达到解放双手，降低交通肇事隐患的目的。车载蓝牙的功能就是自动辨识移动电话，不需要电缆或电话托架便可与手机联机；车主可以不接触手机，甚至是双手保持在方向盘上，都可以控制手机，用语音指令控制接听或拨打电话。使用者可以通过车上的音响进行通话。

如果车载蓝牙技术和整个汽车的音响都配套，在使用的时候，有蓝牙功能的手机和汽车的音响搭配在一起，方便车主在来电的时候，可以自动切换音响的声音、静音，挂掉电话的时候声音就自动恢复。
安装车载蓝牙系统后，车主在开车接听电话时不需要分散注意力。接听来电时，用户只需轻轻按一个键或通过语音控制就可以接听电话，这样提高了驾车的安全性和便捷性。
目前大部分车载蓝牙系统支持电话会议，MP3播放等功能，操作简单，可同时连接多部电话，大大提高了行车安全性。

车载wifi面向公交、客车、私家车、邮轮等公共交通专用互联网设备，Wi-Fi终端通过无线接入互联网获取信息、娱乐或移动办公商业模式；

上述协议栈的网络类型作为协议栈网络通信的主要通道，给上层应用层提供了多种无线连接的方式，根据不通的消息类型，实现最优的通信，能够提高车辆网络能力的适配性能。同时也给协议栈提供了可靠，稳定，安全，延迟短等优点。

协议栈网联层软件架构如下：

3.3.3 消息层系统

消息层设计是依据应用层的各大场景下的消息进行分类管理以及数据融合；

分为编码，解码，加密，解密，鉴权，融合，管理，但又不限于此。车辆联网后，和应用层之间需要通信，通信的消息经过该层，可以进行编码，解码，加密，解密，鉴权，融合，管理等操作。给通信链路能够带来安全，稳定，可靠的消息来源。消息层对消息的开始到结束进行负责；协议栈通过该层能够让车辆，云端，手机，设备等得到可靠的消息，进而将消息进行转化为具体的电信号，来控制车辆，消息上报，接收，加解密等。

该层还有个重要的能力就是对数据进行融合以及分发管理；给国家平台，私有云平台，PSAP平台处理大数据下的统计，服务，效率，分析，预测等方面的优点。解决企业面临的数据质量管理难点。
数据“各自为政”，没有形成统一规则标准企业数据分散在不同业务系统中，彼此之间没有形成统一的质量规则标准。在应用层，数据经常出现指标口径管理规范不统一，数据一致性、完整性等无法保证，如出现同一语义的数据表达方式不同等问题。数据质量问题处理“一团糟”企业数据质量管理涉及多个部门，需要跨部门协作，但企业往往缺乏有效的数据质量问题处理机制和流程，数据质量问题从发现、指派、处理、总结没有一个统一的流程和制度支撑，无法实现闭环。该协议栈推出消息层可以助力企业构建标准化的数据质量规则体系，为企业数字化转型提供高质量的数据支持。

协议栈消息层软件架构如下：

3.3.4 应用层系统

车载网联协议栈的核心部分就是应用层系统，该层提供给客户进行调用或者二次开发。C-V2X应用以及网联应用都以库的形式提供给客户，方便进行集成和开发；缩短开发周期，积累更多的场景应用，方便客户的调用，丰富车联网的功能。

按照场景分类三种情况，如下：

1. 1. 1. 1. T-Box与车辆通讯

（1）CAN BUS

高速CAN总线：速率可达到500kb/s，传递信息量较大、速度快，用于驱动系统的，主要连接发动机控制单元、ABS控制单元、安全气囊控制单元、组合仪表等行车系统；

低速CAN总线：速率为100kb/s，用于车身系统，主要连接中控锁、电动门窗、后视镜、车内照明灯等对数据传输速率要求不高的车身系统；

目前汽车上的CAN总线连接方式主要包括高速、低速CAN总线两种，此外中高级轿车还有一些如娱乐系统或智能通讯系统的总线，它们的传输速率更高，可以超过1Mb/s。

（2）OBD

OBD能监测发动机、催化转化器、颗粒捕集器、氧传感器、排放控制系统、燃油系统、EGR等系统和部件。

OBD通过各种与排放有关的部件信息，连接到电控单元ECU，ECU能检测和分析与排放相关故障；

当出现排放故障时，ECU记录故障信息和相关代码，并通过故障灯发出警告，告知驾驶员；

ECU通过标准数据接口，保证对故障信息的访问和处理。

（3）I/O硬件

I/O硬件控制车辆是通过继电器的闭合控制车辆的部分系统，主要用于改装车辆。由于车辆主机厂的CAN协议无法获取，只能通过改装车辆，采用T-Box直接与某些系统相连，中间通过继电器的闭合控制。

1. 1. 1. 1. 车辆与车联网平台通讯

车辆与车联网平台通过在T-Box上安装的2G、3G、4G和5G网卡可以将车载T-Box连入互联网，将车辆实时的状态数据以报文的形式上报给车联网平台，车联网平台也主动下发指令给T-Box控制车辆。

（1）车辆上报给车联网平台的上行数据包括车辆状态（车辆状态、运行模式、车速、里程、档位、加速踏板行程值、制动踏板状态）、定位数据（经度、纬度、速度等）、BCM状态（中控锁、后备箱、车窗、车灯、喇叭、车门等车身部件状态）、EAS状态（空调状态、AC状态、PTC、循环、风向、风量档位等）。

上报数据的方式主要有：

周期性上报，每隔一段时间T-Box主动上报车辆的状态数据；

触发式上报，当车辆某些状态数据发生变化时，T-Box上报车辆数据，例如：车辆启动时；

即时召读，车联网平台主动查询数据，下发获取数据指令，T-Box即时反馈车辆状态数据；

反馈上报，通过车联网平台下发控制指令后，反馈指令执行结果。

（2）车联网平台下发指令给车辆的下行指令主要包括车辆控制（车门、车窗、空调、中控、车灯、后备箱、电机等开关控制）、空调控制（开关、风速、冷热、风向、风量等），分为以下三个步骤：

车联网平台下发指令至T-Box；

T-Box下发指令至车辆系统；

执行结果反馈给车联网平台。

车联网平台与用户APP通讯

目前用户可直接通过手机APP与车联网平台交互，或者先与独立的业务平台交互，再由业务平台与车联网平台交互，此种方式多用于分时租赁。用户可下发对车辆的控制指令以及获取的车辆的状态数据。

（1）控制指令

用户通过APP控制车辆主要是车锁、车门、车窗、后备箱、空调的控制。

（2）状态数据

用户需要获取车辆的状态数据主要是车锁、车门、车窗、后备箱、空调的实时状态以及下发控制指令的结果反馈信息。

1. 1. 1. 1. 车辆与手机APP直接通讯

车辆与手机蓝牙通讯主要防止车辆在无信号场景下，无法通过网络实现手机对车辆的控制，因此车辆与手机的蓝牙通讯主要实现车辆的门锁控制、启动授权。

（1）静态绑定

静态绑定适用于私家车的使用场景，手机和车辆一对一长期绑定。

在车联网平台录入车辆信息时录入手机的蓝牙信息以及MAC地址，并将信息下发至车载T-Box，并且将车载蓝牙信息下发至手机，完成车辆与手机蓝牙的绑定。

手机申请绑定车载蓝牙，发送手机蓝牙信息以及Mac地址至车联网平台，再由车联网平台转发至车辆T-box中，并且将提前录入车联网平台的车载蓝牙信息发送至手机，完成手机与车辆的蓝牙的绑定。

（2）动态绑定

车载SIM卡有信号，手机申请绑定车载蓝牙，发送手机蓝牙信息、Mac地址至车联网平台，再由车联网平台转发至车辆T-box中，并将提前录入车联网平台的车载蓝牙信息发送至手机，完成手机与车辆的蓝牙的绑定；

车载SIM卡无信号，手机申请绑定车载蓝牙，发送手机蓝牙信息、Mac地址至车联网平台，由车联网平台转发至车辆T-box中但无法接受，此时可将存储在车联网平台中上次用车完成车辆生成的蓝牙配对信息下发至用户手机，完成手机与车辆的蓝牙的绑定。此种方式下每次使用该蓝牙配对信息完便生成新的配对信息。

1. 1. 1. 1. 应用层的实现方案

协议栈应用层软件架构如下：