入门车载以太网(4) -- 传输层(TCP\UDP)
目录
1.ECU通信方式的变化
2.传输层概述
2.1 UDP
2.2 TCP
3. TCP和ISO 15765-2
1.ECU通信方式的变化
我们先回顾下两种通信方式：Signal-Based Messaging、Service-Based Messaging。
- Signal-Based Messaging
基于信号的通信方式，例如CAN通信，这是目前车内ECU应用最广泛的通信方式。这种方式关键的就是通信矩阵(DBC、LDF)，需要定义好信号的发送、接收节点，封装到哪条报文，报文的发送周期，这样我们就可以完成车内所有节点的通信开发。
面向信号的通信架构(图片来源：联合电子)
仔细看通信矩阵，我们会发现很多信号都是传递传感器数据，但在如今智能网联汽车中，大量的功能需要ECU间的协调工作来实现，任何微小的功能改动都会引起整车通讯矩阵的改动，这是噩梦，以前做敏捷开发的时候，我晚上睡觉都梦到在更新DBC。所以，传统IT中基于服务的通信方式被引入进来。
- Service-Based Messaging
基于服务的通信，听起来很抽象，但回想下汽车诊断领域14229的通信方式，Client只需要发送SID来调取各种功能服务，获取结果即可，根本不关心服务内部是如何实现。这种情况下，服务都有一个唯一且互不影响的ID号，通过服务中间件完成自身发布、订阅其他服务和通讯工作。
面向服务的架构(图片来源：联合电子)
很明显，在传统电子电气面向信号架构（以CAN通信为主）是越来越难满足未来网联汽车的需求；因此在这种背景下，车载以太网被引入，它提供了许多不同级别控制和可靠性的协议。这些协议可以在同一网络上使用不同的软件逻辑连接共存；也有协议如AVB，为音频/视频流等应用程序的数据提供极端延迟保证。
2.传输层概述
车载以太网前3层（物理层、数据链路层、网络层）实现了主机间的通信，物理层通过cables传输比特流，数据链路层传输以太网帧，网络层传输数据报给到目的主机，但是由于ECU可能存在多个进程，具体应该给到哪个进程？这就由传输层来完成。
传输层位于OSI的第4层，主要作用是提供端到端的数据传输，负责两个通信端的会话建立、维护和终止，由于主机IP地址固定，因此在主机进程上新增了本地唯一的端口号，利用Port号在软件层级进行寻址，以保证数据能够正确送到目的进程。
网络层和传输层作用域如下所示：
这一层有两个非常重要的协议：TCP、UDP。
- UDP：简单、快速，无连接，想象一下广播，及时丢一两帧数据也还是可以接受；
- TCP：复杂，较慢，包括可靠性，流量控制和其他服务保证。
在前面我们聊到，车载以太网中，IP地址可以表示一个ECU，而端口(Port)则用于表示一个软件进程，如vECU等，TCP、UDP有两个16bit端口地址（source、destination）；IP地址+Port = socket（套接字），源、目的地socket可用于表征一个网络连接，那么接下来我们继续研究TCP和UDP。
2.1 UDP
UDP，全称User Datagram Protocol，它提供无连接数据报传输，增进了进程通信能力。其数据报格式如下图：
可以看到，UDP Header定长为8字节，其中，Length指UDP长度，最长64K bytes，但是考虑到IP数据报总长度最大为65535，因此实际一帧UDP最大长度为65535 - 20（IP Header）- 8(UDP Header) = 65507字节。此外，Checksum在UDP/IP协议栈中保证数据完整性的唯一手段。
因此，我们可以总结，UDP主要有以下特点：
无连接服务：UDP不建立连接，发送数据之前不需要建立连接，发送端和接收端之间可以直接发送和接收数据。
不可靠性：UDP不保证数据包的顺序、完整性或可靠性。如果数据包在传输过程中丢失或损坏，UDP不会进行重传或重新排序。
速度快：由于UDP不提供可靠性保证，因此它的速度比TCP快，适合那些对实时性要求高的应用。
支持多播和广播：UDP支持多播和广播，这使得它适用于需要向多个接收者发送相同数据的应用。
2.2 TCP
TCP，全称Transmission Control Protocol，提供了面向连接、可靠的数据传输服务，保证了端到端的数据传输可靠性，在我看来，它和ISO 15765-2（UDS网络层/TP层）很类似，且听慢慢道来。
TCP不同于其他协议，它天生就带有连接的概念，意味着两个节点要通信，一方必须发起连接请求给到另一方，且该请求还要被接收方接收，从这个角度出发，就可以用client/server 模型来描述。服务请求方叫Client（客户端），服务提供方叫Server（服务器），客户端负责发起请求和接收服务，而服务器负责处理请求和提供服务。
TCP在IP层协议号为0x06，下图是TCP段格式：
- Sequence Number：Segment的序列号，用于保证数据的按序传输；
- Acknowledgment Number：指明下一个希望得到的、来自发送方的序列号，所有先前的序列号被确认为收到；
- Data Offset：TCP Header长度；
- URG：Signals important information，置1表示有高优先级信息需要传输；
- ACK：置1表示确认号(Acknowledgment Number)合法；
- PSH：置1表示当前信息需要紧急处理，接收方不需要缓存，直接传给应用协议；
- RST：置1表示重置连接；
- SYN：置1表示建立新的连接，连接请求时SYN置1，ACK置0；连接响应时，SYN=1，ACK=1；
- FIN：Finish，置1表示释放连接，发送方没有数据发送了。
- Window Size：该字段16bits，指明TCP接收方缓冲区的长度（以字节为单位）；
- Urgent Pointer：仅URG置1，该字段才有效，用于表示偏移量，索引报文数据部分中最后一个紧急字节。
- NS、CWR、ECE是最新的TCP标志，分别来源RFC 3540\3168。
由于TCP是面向连接的协议，但这个连接是软件层面虚拟连接，那就意味着TCP需要来控制这个连接的动作，让源节点和目标节点之间的这条虚拟通道畅通无阻，同时还要确保丢失、损坏的报文可以容易重发。因此，面试八股文：“三次握手建立连接，四次握手关闭连接”就来了。
三次握手建立连接如下图所示：
建立完成后，双方都将ACK置位，交换并确认了对方的初始序列号，就可以通过连接互相传输数据。
那为什么要三次握手才能建立连接？本来只需要一问一答即可建立，但实际网络通信可能出现丢帧或者响应丢失，这时候Client再次发起连接请求，通过重传连接，但这又导致了重复连接，三次握手要求对所有报文进行编号，每次建立连接时都产生一个新的序列号，这样可以避免上述问题。
四次握手关闭连接与握手类似，只是标志位不一样;
（1）客户端发送ACK+FIN给服务器;（2）服务器回复ACK;（3）服务器回复ACK+FIN给客户端；（4）客户端回复ACK
3. TCP和ISO 15765-2
既然前面讲过了TCP和ISO 15765-2类似，我们来看看它们之间的差异。
建立连接阶段：ISO 15762-2 是一次握手建立连接，客户端发送带有长消息标志、总字节数和前几个字节的初始帧，服务器发送流控帧用于控制数据传输速率、告诉在发送方必须等待接收方的另一个流量控制帧之前发送多少帧；TCP则需要三次握手，通过SYN\ACK来建立连接；
流控制：TCP内置了流控制机制（如滑动窗口协议），而ISO15765-2通过N_PCI中的流控制帧（FC）来实现流控制
断开连接阶段：ISO15765-2是在所有数据传完后断开，TCP则需要四次握手，需要FIN\ACK来确认断开连接。
此外，TCO还提供了多种标志位，用于处理各种突发情况，总体来说比较完善。总结来说，TCP是一种通用的、面向连接的传输层协议，而ISO15765-2是一种专门针对CAN总线的网络层协议，虽然很类似，但在寻址方式、通信机制还是有一定的区别。