車載以太網(wǎng)DoIP測試解讀

隨著汽車電子化和智能化程度不斷提高，車載網(wǎng)絡已成為現(xiàn)代汽車的重要組成部分。一方面，汽車內部各電子元件之間的聯(lián)系日益密切，相互協(xié)作通信的需求越來越大；另一方面，汽車網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，能兼容互聯(lián)網(wǎng)的技術也可以增益車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。車載以太網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)基于同一種局域網(wǎng)技術，具有相似的底層通信邏輯。BroadR-Reach的廣泛應用證明車載以太網(wǎng)完全可以實現(xiàn)100Mb/s的傳輸速率，802.3bw和802.3bp的落地也意味著車載以太網(wǎng)可以像工業(yè)以太網(wǎng)一樣，在不斷優(yōu)化改進技術、提升速率的同時，仍然保持對原有系統(tǒng)的兼容性。

汽車診斷本質上是一種車輛與外部通信的方式。最早的診斷主要應用于排放系統(tǒng)，以滿足相關法規(guī)的檢測要求。早期車輛與外部通信的需求主要出現(xiàn)在車輛出現(xiàn)故障時，用于故障上報。但是隨著汽車智能化的提高，在車載系統(tǒng)的開發(fā)和使用過程中，車外通信還涉及應用數(shù)據(jù)的上傳和下載等非故障場景。以太網(wǎng)雖然能給汽車網(wǎng)絡帶來傳輸速率的提升，也需要對其運行方式和接口進行標準化定義，這樣才能促進以太網(wǎng)技術在汽車行業(yè)的發(fā)展。

一、 診斷概述

整車上的診斷分為OBD和UDS。OBD主要應用于與汽車排放系統(tǒng)相關的ECU，是一種在線診斷方式。它通過實時監(jiān)測排放相關的ECU的工作信號，判斷汽車排放是否符合法規(guī)標準。如果檢測到排放超標的信號，OBD會通過故障指示燈提醒駕駛員，并將相應的故障信息保存下來，檢修時可使用診斷儀讀取故障信息，以便準確地判別故障。UDS的全稱為統(tǒng)一診斷服務，又稱為增強型診斷，是一種面向整車所有ECU的離線診斷方式。UDS提供了一種標準化的方式實現(xiàn)診斷相關的各種功能，包括控制診斷會話、讀取診斷碼、清除診斷碼、讀取數(shù)據(jù)和清除數(shù)據(jù)等。除了用于診斷，UDS定義的服務和接口可以用于實現(xiàn)ECU的刷寫和功能配置等。UDS是上層協(xié)議，定義的是服務，并不對服務數(shù)據(jù)的傳輸方式進行定義。

參考ISO七層模型可以更好地理解UDS和OBD，如表 1，右邊兩列分別為增強診斷服務和OBD從上到下七個通信子層采用的協(xié)議?？梢钥闯?，由ISO 27145定義的OBD是一個整個系統(tǒng)，包含了服務的定義和服務數(shù)據(jù)的傳輸，可以獨立運行。ISO 14229定義的UDS主要集中在應用層，負責服務的定義，服務數(shù)據(jù)必須依賴其他底層通信技術才能運行。ISO 14229-1規(guī)范了增強型診斷的服務數(shù)據(jù)單元格式和各種通信技術通用的診斷服務。ISO 14229-3~7則分別定義了診斷CAN、診斷以太網(wǎng)等特有的服務。UDS的服務數(shù)據(jù)傳輸則采用不同底層技術通用的方式，如CAN、LIN和以太網(wǎng)等。表 1中各種增強型診斷對應的通信技術如下：

- ISO 15765和ISO 11898為CAN通信

- ISO 10681和ISO 17458為FlexRay通信

- ISO 13400和IEEE 802.3為以太網(wǎng)通信

- ISO 14230為K-Line通信

- ISO 17987為LIN通信

表 1 UDS與OBD

由于篇幅有限，本文主要介紹DoIP涉及的協(xié)議規(guī)范和接口定義等。診斷服務的定義以及交互流程等內容將在后續(xù)文章中進行詳細介紹。

二、 DoIP的協(xié)議構成

DoIP全稱為基于IP協(xié)議的診斷通信，即只要是支持IP數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐ㄐ殴?jié)點都可以實現(xiàn)DoIP。在當前車輛網(wǎng)絡中，車載以太網(wǎng)為應用最為廣泛的基于IP協(xié)議的通信方式，因此本文默認DoIP的底層通信方式為車載以太網(wǎng)。DoIP將UDS數(shù)據(jù)打包為DoIP報文以便于控制診斷通信，車載以太網(wǎng)將DoIP報文層層封裝后傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)物理鏈路上。診斷服務由UDSonIP（14229-1、14229-2和14229-5）規(guī)范，DoIP報文封裝由ISO 13400規(guī)范，底層采用車載以太網(wǎng)通信技術，各子層采用的協(xié)議規(guī)范如表 2。

表 2 DoIP協(xié)議層

三、 如何建立DoIP連接

DoIP的實現(xiàn)需要在車輛網(wǎng)絡中部署DoIP網(wǎng)關節(jié)點和普通DoIP節(jié)點。如圖 1所示，只有DoIP邊緣網(wǎng)關節(jié)點具備直接與外部測試設備通信的能力，如果外部測試設備要訪問其他節(jié)點，則必須經(jīng)過邊緣網(wǎng)關節(jié)點轉發(fā)。

圖 1 車輛DoIP網(wǎng)絡架構

診斷儀與邊緣節(jié)點建立診斷通信的流程如圖 2，依次完成網(wǎng)絡連接、車輛發(fā)現(xiàn)、TCP連接、TLS握手（可選）和路由激活后，就進入了診斷通信會話。會話關閉則需要先關閉TCP連接，再終止會話。

圖 2 DoIP通信的建立過程

網(wǎng)絡連接過程包括硬件線路鏈接和IP地址分配。測試儀通過100base-Tx以太網(wǎng)線中的兩對雙絞線連接邊緣節(jié)點，按照圖 3連接車輛和診斷儀的Tx+、Tx-、Rx+和Rx-。除了將邊緣節(jié)點的正負極接電之外，還需將激活線連接到電源正極，通過激活線的電壓喚醒整車診斷功能。激活線工作電壓在5V到32V，要喚醒診斷功能，電壓需要大于2V并持續(xù)超過200ms。

圖 3 DoIP硬件連接

診斷儀在車輛發(fā)現(xiàn)過程獲取網(wǎng)絡上節(jié)點的在線情況，并獲取待診斷節(jié)點的基本信息。確定待診斷節(jié)點在線后，測試儀（客戶端）將請求與診斷節(jié)點（服務端）建立TCP連接、完成路由激活，實現(xiàn)IP地址的分配和綁定。如果診斷節(jié)點支持傳輸層安全，則在TCP連接過程應使用TLS套接字，路由激活之前還需要完成TLS握手，確保后續(xù)的通信在握手建立的安全的信道上進行。

診斷通信過程，外部診斷儀發(fā)起診斷請求，DoIP網(wǎng)關根據(jù)診斷請求中的地址將診斷報文轉發(fā)給指定診斷節(jié)點，待診斷節(jié)點回復診斷響應后轉發(fā)給診斷儀。當診斷結束后，外部診斷儀會主動關閉TCP連接、結束診斷會話。

四、 DoIP報文

診斷通信的用戶數(shù)據(jù)加上診斷雙方的邏輯地址（SA、TA）后構成DoIP報文的載荷部分，載荷經(jīng)過DoIP協(xié)議封裝后交付到傳輸層，再經(jīng)過層層封裝，最終以以太網(wǎng)幀的形式發(fā)送到通信鏈路。

圖 4 DoIP報文結構

圖4從上到下依次為以太網(wǎng)幀、DoIP報文和DoIP載荷。DoIP報文的報頭由以下幾部分組成：

- 協(xié)議版本：報文遵循的ISO 13400協(xié)議版本。

- 協(xié)議版本取反：協(xié)議版本的二進制按位取反。用于驗證協(xié)議版本。

- 載荷類型：規(guī)定報文尾部載荷的類型，即DoIP報文類型。ISO 13400中定義了16種DoIP報文類型（如表 3），并將載荷類型值0xF000~0xFFFF預留給制造商自行定義。

- 載荷長度：載荷的長度，單位為字節(jié)。

表 3 DoIP載荷類型

五、 DoIP測試

DoIP測試圍繞DoIP報頭開展。測試工程師通過診斷儀發(fā)送請求，然后根據(jù)響應的信息是否符合規(guī)范。以路由激活為例，路由激活由診斷儀向診斷節(jié)點發(fā)送路由激活請求，然后診斷節(jié)點根據(jù)請求內容回復路由激活響應。ISO 13400規(guī)定，如果路由激活成功，診斷節(jié)點回復路由激活應答碼為0x10的響應報文；如果失敗，則根據(jù)失敗的原因回復帶有對應應答碼的響應報文，并且診斷節(jié)點會主動斷開TCP連接。ISO 13400對路由激活應答碼的規(guī)定如表 4。

表 4 路由激活應答碼

表 5所示用例測試診斷節(jié)點能否根據(jù)規(guī)范使用激活應答碼0x01。兩個診斷儀依次與診斷節(jié)點（以下簡稱為待測設備，DUT）發(fā)起路由激活請求，DUT激活與第二個診斷儀的路由之前，先確認與診斷儀1的路由是否仍處于激活狀態(tài)，根據(jù)診斷儀1的響應決定是否激活與診斷儀2的路由。

表 5 用例示例

六、 結束語

當前DoIP相關協(xié)議還專注于如何在基于IP的網(wǎng)絡上傳輸傳統(tǒng)的診斷服務，基本沒有對診斷功能進行擴展，以太網(wǎng)上運行的統(tǒng)一診斷服務仍是傳統(tǒng)的六類26種服務。目前看來，以太網(wǎng)的加入只是提高了診斷數(shù)據(jù)的傳輸速率，將來還會如何改變汽車與外部設備的通信仍未可知。