車載以太網(wǎng)DoIP技術研究

張政

摘 要：隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的不斷發(fā)展，車輛對數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求越來越高，因此車載以太網(wǎng)應運而生。本文介紹了車載以太網(wǎng)的特點及其應用過程，著重研究了車載以太網(wǎng)的DoIP診斷通信技術，剖析了DoIP技術對傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這四個網(wǎng)絡層級的需求以及DoIP數(shù)據(jù)的結構。

關鍵詞：車載以太網(wǎng) DoIP技術 網(wǎng)絡層級

Research on DoIP Technology of Vehicle Ethernet

Zhang Zheng

Abstract：With the continuous development of automobile intelligence and networking， the demand for data transmission bandwidth of vehicles is getting higher and higher， so in-vehicle Ethernet came into being. This article introduces the characteristics of automotive Ethernet and its application process， focuses on the DoIP diagnostic communication technology of automotive Ethernet， and analyzes the requirements of DoIP technology for the four network levels of transmission layer， network layer， data link layer and physical layer， and the structure of DoIP data.

Key words：car ethernet， DoIP technology， network level

1 引言

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的不斷發(fā)展，汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、高性能車載娛樂系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及云服務等新技術已在車輛上應用，使得車輛上的軟件變得越來越復雜，傳統(tǒng)的車載CAN總線通信速率最大僅1Mbit/s，顯然無法滿足新技術對車輛數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求。從而急需一種高帶寬、開放性好、兼容性強、可靠性高、同時又滿足車載嚴格法規(guī)要求的車載網(wǎng)絡，因此，一種新型網(wǎng)絡車載以太網(wǎng)應運而生。車載以太網(wǎng)是一種通過有線網(wǎng)絡去連接車內(nèi)的各電子控制單元 （ECU）的局域網(wǎng)技術，與普通民用以太網(wǎng)的四對非屏蔽雙絞線不同，車載以太網(wǎng)可以用一對非屏蔽雙絞線實現(xiàn)100Mbit/s甚至1000Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時能夠滿足其他性能方面的要求。

2 車載以太網(wǎng)技術應用

目前常用車載網(wǎng)絡技術有：控制器局域網(wǎng)絡（CAN）、本地互連網(wǎng)絡（LIN）、汽車內(nèi)部網(wǎng)絡通訊協(xié)議（FlexRay）、面向媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）等。其中LIN總線是一種低成本串行總線，最大通信速率為20kb/s。CAN總線主要用于車輛控制數(shù)據(jù)傳輸，目前應用最廣泛，最大通信速率為1Mb/s，但LIN和CAN 的帶寬都太低，并不適用于ADAS 等技術的應用。FlexRay具有通信速率較高、實時性好、容錯性強等優(yōu)點，其通信速率最大為10Mbit/s，主要用于線控系統(tǒng)。MOST是專門為汽車多媒體系統(tǒng)而開發(fā)的網(wǎng)絡，其最大通信速率為150Mbit/s，但只用一種環(huán)形拓撲結構，應用范圍受限。

車載以太網(wǎng)具有高帶寬、低延遲、高可靠性等優(yōu)點，因此，被行業(yè)公認為是下一代車載網(wǎng)絡技術，但短期內(nèi)還無法全部取代現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡。車載以太網(wǎng)在汽車上的應用會有一個循序漸進的過程，大致可分為三個過程：局部網(wǎng)絡應用、子網(wǎng)絡應用、架構級別應用。局部網(wǎng)絡應用，是指在車輛的某個子系統(tǒng)上局部應用車載以太網(wǎng)技術，如基于DoIP協(xié)議的診斷通信技術、基于IP協(xié)議的攝像頭等;子網(wǎng)絡應用，是指構建車載以太網(wǎng)子系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)技術實現(xiàn)子系統(tǒng)的功能，如基于AVB協(xié)議的信息娛樂系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)等;架構級別應用，將多個子網(wǎng)絡進行整合，以車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡，連接車輛動力域、底盤域、車身域及娛樂域等功能域，形成整車級車載以太網(wǎng)架構。本文將著重研究車載以太網(wǎng)局部網(wǎng)絡應用中的DoIP診斷通信技術。

3 DoIP診斷通信技術研究

長期以來，車載診斷通信技術是以CAN網(wǎng)絡技術為主的，但是CAN 網(wǎng)絡的帶寬限制了診斷設備與ECU之間的通信速率，尤其在刷新軟件/標定等數(shù)據(jù)傳輸量較大的時候，通信時間亟待提高?；谝蕴W(wǎng)的DoIP診斷通信技術充分利用了以太網(wǎng)高帶寬的優(yōu)點，使診斷設備與ECU之間建立起高通信速率的傳輸通道，實現(xiàn)基于以太網(wǎng)和UDS協(xié)議的診斷通信。DoIP技術具有以下優(yōu)點：（1）通信速率高，可達到了100 Mbit/s;（2）成本低，使用成熟的以太網(wǎng)相關的標準硬件組件，如CAT5線纜和RJ-45接口等;（3）不再需要車輛通信接口（VCI），只需要一根能將車輛OBD接口連接到一個普通的以太網(wǎng)RJ-45接口的特殊電纜;（4）DoIP技術可以完美匹配IT基礎設施，使遠程診斷成為可能。目前DoIP技術的應用已成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，研究DoIP技術勢在必行。

3.1 DoIP技術概況和應用場景

DoIP是Diagnostic communication over Internet Protocol的簡稱，即通過以太網(wǎng)協(xié)議進行診斷通信。OSI模型將數(shù)據(jù)通信分為七層，DoIP技術由ISO13400系列標準定義，作為實現(xiàn)以太網(wǎng)診斷通信的方案，ISO13400標準定義了傳輸層，網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這四個層級。

整個DoIP診斷網(wǎng)絡架構由車輛上所有的DoIP實體與外部的測試設備組成。DoIP的主要應用場景有三個：

①售后車輛檢修：在維修廠里，外部的診斷設備不需要使用傳統(tǒng)ALDL診斷口硬線連接，直接通過TCP/IP協(xié)議與車輛建立聯(lián)系，并按照順序?qū)⒄埱蟀l(fā)送給車輛DoIP實體，車輛ECU則可靠地反饋出實時的錯誤追溯信息。②工程、制造或售后軟件刷新：外部刷新設備通過TCP/IP協(xié)議進行安全訪問與車輛建立通訊，并根據(jù)規(guī)定的刷新流程向車內(nèi)各ECU傳輸并寫入軟件或標定數(shù)據(jù)。一般工程的開發(fā)工具實現(xiàn)的是設備與DoIP實體的點對點刷新，而制造產(chǎn)線采取的則是設備對整車所有ECU同時進行并行刷新。③制造裝配線檢修：在制造裝配線環(huán)節(jié)，外部檢測設備會按照指定順序，對接入IP網(wǎng)絡的車輛進行終檢工位的完整性測試。與售后檢修不同，制造裝配線的外部檢測設備通常會與整車多個ECU的DoIP實體進行連接和并行通訊。

3.2 傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡層服務

在網(wǎng)絡層方面，DoIP技術僅使用IPv6協(xié)議，但為了向后兼容，也支持IPv4協(xié)議。同時，IPv6需支持鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（NDP），IPv4需支持地址解析協(xié)議（ARP），NDP和ARP是在只知道主機的IP地址時確定主機的硬件（MAC）地址的方法，它們還用于驗證另一臺主機是否正在使用一個IP地址。

在傳輸層方面，DoIP技術必須同時支持傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。TCP是一種面向連接的協(xié)議，網(wǎng)絡主機上的應用程序可以彼此建立連接，通過這些連接可以交換數(shù)據(jù)，該協(xié)議保證了發(fā)送方到接收方數(shù)據(jù)的可靠有序傳遞。TCP還提供了流控制和擁塞控制，并提供了各種算法來處理擁塞和影響流控制。UDP是一種無連接的用戶協(xié)議，UDP沒有提供TCP那樣的可靠性和排序保證，數(shù)據(jù)包可能會無序到達，或者可能在沒有通知發(fā)送方或接收方的情況下丟失，但UDP的速度更快、更高效。

DoIP數(shù)據(jù)是層層向下傳遞的，直至構成完整的以太網(wǎng)幀，通過物理層的介質(zhì)傳輸出去。DoIP數(shù)據(jù)結構如圖1所示，主要包括5個部分：

①ISO13400版本信息，占1個字節(jié);

②ISO13400版本信息的位取反值，占1個字節(jié);

③數(shù)據(jù)類型，占2個字節(jié)，用于標識該幀數(shù)據(jù)的用途，常用數(shù)據(jù)類型有0x8001， 0x8002， 0x8003指診斷消息、診斷消息正響應和診斷消息負響應;

④數(shù)據(jù)長度，占4個字節(jié)，標識后面的實際診斷數(shù)據(jù)長度;

⑤診斷數(shù)據(jù)，占用最大字節(jié)數(shù)為4294967296，實際診斷數(shù)據(jù)可以少于最大字節(jié)數(shù)，診斷數(shù)據(jù)又包括源地址、目標地址和診斷命令，其中診斷命令是指UDS或OBD中規(guī)定的具體的診斷請求或響應。

3.3 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層需求

在物理層方面，DoIP技術需支持IEEE 802.3 定義的100BASE-TX （100 Mbit/s Ethernet） 和10BASE-T （10 Mbit/s Ethernet）兩種標準，當兩個以太網(wǎng)接口之間100Mbit/s網(wǎng)絡無法建立時，10Mbit/s的低速網(wǎng)絡會作為備用方案啟動，DoIP邊緣節(jié)點應設置變壓器線圈以滿足對1500V電壓1min以上的隔離。

在數(shù)據(jù)鏈路層方面，DoIP邊緣節(jié)點需支持10 Mbit/s和100 Mbit/s以太網(wǎng)，DoIP邊緣節(jié)點在建立連接時，應支持自動握手及自動協(xié)商以保證端口使用相同的傳輸速率及單雙工模式等。測試設備需支持100Mbit/s標準和線序自適應功能，設備可以自動檢測連接到自己接口上的網(wǎng)線類型，并自動進行調(diào)節(jié)。

為了實現(xiàn)激活和停用以太網(wǎng)控制器的功能，物理層上需增加一根以太網(wǎng)激活線，這樣有助于減少電磁干擾和減少DoIP邊緣節(jié)點的功耗。以太網(wǎng)激活和停用電壓閾值和和時間如圖2所示，以太網(wǎng)的激活電壓閾值是5V，停用電壓閾值是2V，達到閾值并且持續(xù)時間在200ms以上，則可實現(xiàn)激活或停用功能。

DoIP技術診斷口有兩種針腳布局定義，第一種是3&11&12&13四個針腳用于以太網(wǎng)診斷，而1&9兩個針腳用于CAN診斷，可解決主機廠已占用1&9針腳的沖突。第二種是1&9&12&13四個針腳用于以太網(wǎng)診斷，而3&11兩個針腳用于CAN診斷，可解決主機廠已占用3&11針腳的沖突，兩種針腳布局方式的針腳8都定義為以太網(wǎng)激活線的針腳。

4 結語

本文對車載以太網(wǎng)的DoIP診斷通信技術進行了研究，詳細闡述了DoIP技術對其所涉及的四個網(wǎng)絡層級的需求。DoIP技術充分利用了以太網(wǎng)高帶寬和高可靠性的優(yōu)點，使外部診斷設備與ECU之間能夠進行可靠的高速率的數(shù)據(jù)傳輸，在車載診斷技術中具有巨大的意義。

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