基于DoIP協(xié)議的車(chē)輛診斷技術(shù)研究

石聰 劉洋

關(guān)鍵詞：車(chē)載以太網(wǎng);DoIP診斷協(xié)議;傳輸速率;通信場(chǎng)景;物理連接

0引言

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)如今人們對(duì)車(chē)輛需求已不止于代步，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、科技化成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。車(chē)輛智能化就意味著如駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、環(huán)視監(jiān)控系統(tǒng)和車(chē)載影像系統(tǒng)（FCS）等高科技電子控制單元在車(chē)輛上應(yīng)用越來(lái)越普及，對(duì)于車(chē)內(nèi)電子控制單元之間的網(wǎng)絡(luò)通信速率要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的CAN總線已不能滿足信息高速傳輸要求，故引入了車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)[1]。

車(chē)載以太網(wǎng)是指車(chē)內(nèi)電子控制單元通過(guò)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互通信并形成局域網(wǎng)。和傳統(tǒng)以太網(wǎng)不同的是，傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要4對(duì)非屏蔽雙絞線才能實(shí)現(xiàn)通信，而車(chē)載以太網(wǎng)使用單對(duì)雙絞線即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙全工通信，且傳輸速率最高可達(dá)到1000Mb/s[2]。

1DoIP技術(shù)應(yīng)用

1.1DoIP概述

DoIP（DiagnosticCommunicationoverInternetProtocol，基于IP的診斷協(xié)議）的主要作用是建立外部測(cè)試設(shè)備與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)之間的診斷連接。在診斷服務(wù)中，DoIP相對(duì)于傳統(tǒng)的CAN診斷具有以下顯著優(yōu)勢(shì)。

（1）高速率。通常DoIP診斷傳輸速率采用100Mb/s，在復(fù)雜的診斷任務(wù)（如軟件刷寫(xiě)、在線檢測(cè)或軟件升級(jí)等）中能夠?qū)崿F(xiàn)高速率傳輸，可節(jié)約時(shí)間，提高效率。

（2）低成本。可使用成熟的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件組件（如以太網(wǎng)控制器、Cat5線纜和RJ-45連接器），無(wú)需經(jīng)過(guò)硬件VCI，通過(guò)以太網(wǎng)接口連接電子控制單元即可實(shí)現(xiàn)通信，且能兼容CAN/CANFD通信。

（3）應(yīng)用范圍廣。DoIP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)本地診斷、遠(yuǎn)程診斷和空中下載技術(shù)（OTA）等功能。

DoIP是位于OSI模型中的應(yīng)用層，通過(guò)TCP/UDP協(xié)議傳輸，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層遵循ISO13400標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層遵循ISO14229-5標(biāo)準(zhǔn)。如DoIP的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持Internet連接，則該節(jié)點(diǎn)應(yīng)支持基于IEEE802接口連接的遠(yuǎn)程診斷[3-4]。

1.2DoIP通信場(chǎng)景

車(chē)載以太網(wǎng)的DoIP協(xié)議主要應(yīng)用于售后診斷、ECU刷寫(xiě)等場(chǎng)景，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，連接方式也有一定差異。

（1）直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接：用于車(chē)輛開(kāi)發(fā)、測(cè)試和售后場(chǎng)景。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接進(jìn)行診斷通信時(shí)，車(chē)內(nèi)系統(tǒng)不會(huì)受到來(lái)自其他車(chē)輛或設(shè)備的干擾，外部測(cè)試設(shè)備也很明確對(duì)應(yīng)需要物理連接的車(chē)輛。

（2）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接：適用于多臺(tái)車(chē)輛同時(shí)在維修店進(jìn)行檢測(cè)、維修。車(chē)輛與外部測(cè)試設(shè)備都應(yīng)具備識(shí)別能力與自動(dòng)接入到已存在的IP網(wǎng)絡(luò)的能力，在局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)識(shí)別出所需要連接的對(duì)象，并拒絕來(lái)自其他車(chē)輛或者設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)。

（3）單個(gè)外部測(cè)試設(shè)備與多個(gè)車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)連接：適用于整批量汽車(chē)在制造工廠或售后維修店進(jìn)行程序刷寫(xiě)。此種連接方式只需外部測(cè)試設(shè)備有點(diǎn)對(duì)多連接的能力，車(chē)內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)外部測(cè)試設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)。

（4）多個(gè)外部測(cè)試設(shè)備與單個(gè)車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)連接：車(chē)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同時(shí)有刷寫(xiě)和診斷需求時(shí)，需要一臺(tái)外部設(shè)備對(duì)車(chē)內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刷寫(xiě)，另一臺(tái)外部設(shè)備對(duì)另一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行診斷。此時(shí)車(chē)輛需要具備區(qū)分診斷請(qǐng)求以及反饋的能力。外部設(shè)備則需要有判斷當(dāng)前車(chē)輛是否在與其他設(shè)備進(jìn)行通訊的能力，根據(jù)實(shí)際情況判斷是進(jìn)入等待或進(jìn)入socket連接。

2DoIP系統(tǒng)機(jī)制研究

2.1DoIP診斷架構(gòu)

車(chē)輛診斷構(gòu)架分為車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與車(chē)外網(wǎng)絡(luò)兩部分，其中車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)包含以下幾部分。

（1）DoIP節(jié)點(diǎn)：基于DoIP協(xié)議通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但只能作為通信節(jié)點(diǎn)，不能支持路由DoIP報(bào)文。

（2）DoIP網(wǎng)關(guān)：車(chē)輛內(nèi)部網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)DoIP協(xié)議的主機(jī)節(jié)點(diǎn);可路由其連接的子網(wǎng)與外部設(shè)備之間的報(bào)文。

（3）DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)：負(fù)責(zé)路由外部設(shè)備和車(chē)內(nèi)子網(wǎng)之間信息，通過(guò)激活線與外部測(cè)試設(shè)備連接，需要以太網(wǎng)激活線先對(duì)及進(jìn)行激活，才能實(shí)現(xiàn)通信。

車(chē)外網(wǎng)絡(luò)包括以下兩部分。

（1）外部測(cè)試設(shè)備：指支持DoIP協(xié)議且具有強(qiáng)大存儲(chǔ)能力與處理能力的終端（如PC、筆記本電腦或手機(jī)）。外部測(cè)試設(shè)備通過(guò)DoIP協(xié)議訪問(wèn)車(chē)輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的DoIP實(shí)體。

（2）車(chē)外網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：此類(lèi)節(jié)點(diǎn)作為與DoIP系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并不是必須存在的，是作為一些車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的其他功能節(jié)點(diǎn)。

DoIP診斷的車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)與車(chē)外網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示?？梢钥吹?，外部測(cè)試設(shè)備與DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)之間除了通過(guò)物理介質(zhì)鏈接以外，還可以通過(guò)WLAN技術(shù)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2物理連接要求

測(cè)試設(shè)備（Tester）與DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)連接線由4根支持100BASE-T或10BASE-T的數(shù)據(jù)傳輸線與激活線K線組成，Tester端通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)口連接，車(chē)輛通過(guò)OBDII端口連接。外部測(cè)試設(shè)備是通過(guò)改變硬線激活線電壓來(lái)控制車(chē)內(nèi)DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)控制器的激活與停用。硬線激活線的電壓要求范圍如圖2所示。

激活線的作用是降低功耗和抗電磁干擾，為避免由地面移位或電磁干擾引起的隨機(jī)誤激活，ISO13400標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，激活線的禁用電壓閾值（Vinactive）為2V。如以太網(wǎng)在已停用狀態(tài)，DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)在低于2V的電壓時(shí)不會(huì)被激活。當(dāng)激活電壓在5～32V（Vactive～Vmax）并保持200ms后，邊緣節(jié)點(diǎn)硬件被激活。

因此可在接收電路中設(shè)計(jì)一個(gè)小于200ms的濾波器時(shí)間常數(shù)，能夠保持200ms。當(dāng)Vact介于Vactive和Vmax之間時(shí)，以太網(wǎng)硬件應(yīng)保持激活狀態(tài)。激活線電壓低于Vinactive的200ms后，邊緣節(jié)點(diǎn)失活，表明可以停用以太網(wǎng)硬件。當(dāng)激活線處于“保持有效”狀態(tài)時(shí)，應(yīng)允許通信，但只有在檢測(cè)到鏈路后才能進(jìn)行通信。

車(chē)輛DoIP診斷接口采用標(biāo)準(zhǔn)的OBDII接口，要求其不僅可支持傳統(tǒng)CAN診斷，也可支持以太網(wǎng)DoIP診斷。故而布置時(shí)也應(yīng)同時(shí)滿足以太網(wǎng)IEEE802標(biāo)準(zhǔn)與ISO15031-3標(biāo)準(zhǔn)（或SAEJ1962協(xié)議）。當(dāng)前通用的端子布局有以下2種模式。

第一種模式是1號(hào)和9號(hào)端子用于CAN診斷協(xié)議，3號(hào)、11號(hào)、12號(hào)和13號(hào)端子用于以太網(wǎng)DoIP診斷協(xié)議，8號(hào)端子用于布置DoIP網(wǎng)絡(luò)激活線。

第二種模式是3號(hào)和11號(hào)端子用于CAN診斷協(xié)議，1號(hào)、9號(hào)、12號(hào)和13號(hào)端子用于DoIP診斷協(xié)議。與第一種相同的是，8號(hào)端子同樣用于布置DoIP網(wǎng)絡(luò)激活線。

由于目前主機(jī)廠多采用3號(hào)和11號(hào)端子作為CAN網(wǎng)絡(luò)診斷，故此處推薦第二種布置方式。

2.3DoIP報(bào)文格式

DoIP協(xié)議支持IPv4與IPv6協(xié)議，以及對(duì)應(yīng)的地址解析ARP協(xié)議、NDP協(xié)議以及控制報(bào)文協(xié)議ICMP。目前車(chē)載以太網(wǎng)仍以IPv4協(xié)議為主，基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的考慮，隨著地址的增加，會(huì)逐漸過(guò)渡到IPv6協(xié)議。所有統(tǒng)一網(wǎng)段的DoIP都必須使用相同的IP協(xié)議版本。由于DoIP在OSI模型中位于應(yīng)用層，故DoIP報(bào)文前要封裝ETH首部、IP首部及TCP/UDP首部。DoIP報(bào)文包括協(xié)議版本號(hào)、版本號(hào)取反、負(fù)載類(lèi)型、負(fù)載長(zhǎng)度及DoIP數(shù)據(jù)[5]。以太網(wǎng)報(bào)文封裝格式如圖3所示。

版本號(hào)占1個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)DoIP協(xié)議版本編號(hào)，取值范圍為0x00至0xFF，通常取0x02（ISO13400-2-2012《道路車(chē)輛——互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的診斷通信（DoIP）.第2部分：傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)》）。

版本號(hào)取反占1個(gè)字節(jié)，是版本號(hào)與0xFF邏輯運(yùn)算異或的值。如版本號(hào)為0x02，則版本號(hào)取反則為0xFD。版本號(hào)取反值與版本號(hào)值配合起到協(xié)議驗(yàn)證的作用，以確保接DoIP報(bào)文的準(zhǔn)確性。

負(fù)載類(lèi)型占2個(gè)字節(jié)，用于判斷數(shù)據(jù)用途，其用途主要分成3組：節(jié)點(diǎn)管理類(lèi)報(bào)文、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)類(lèi)報(bào)文和診斷類(lèi)報(bào)文。節(jié)點(diǎn)管理類(lèi)報(bào)文0x0001至0x0004用于識(shí)別車(chē)輛請(qǐng)求，在外部測(cè)試設(shè)備與DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)建立診斷連接前的交互。0x0005和0x0006用于激活請(qǐng)求與響應(yīng)，激活后socket使能并建立socket鏈接，才可以進(jìn)行診斷通信;0x0007和0x0008用于檢查當(dāng)前建立的診斷連接socket是否仍然在使用，如果不再使用，則關(guān)閉socket釋放資源。

節(jié)點(diǎn)狀態(tài)類(lèi)報(bào)文0x4001至0x4004，指示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。診斷類(lèi)報(bào)文0x8001至0x8003，標(biāo)識(shí)外部測(cè)試設(shè)備與DoIP實(shí)體之間的診斷報(bào)文類(lèi)型，分別代表診斷報(bào)文、診斷肯定響應(yīng)報(bào)文和診斷否定響應(yīng)報(bào)文。在DoIP協(xié)議中，通過(guò)不同的負(fù)載類(lèi)型來(lái)區(qū)分報(bào)文類(lèi)型以實(shí)現(xiàn)不同具體的功能，其發(fā)送方式都是通過(guò)TCP/UDP協(xié)議。

負(fù)載長(zhǎng)度占4個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)DoIPPayload長(zhǎng)度，不包括DoIP首部長(zhǎng)度。

DoIPPayload可占0-4294967295個(gè)字節(jié)，包括源地址、目標(biāo)地址及UserData（如診斷報(bào)文）。該部分字節(jié)長(zhǎng)度不是固定不變的，而是根據(jù)不同負(fù)載類(lèi)型調(diào)整，要求根據(jù)數(shù)據(jù)負(fù)載類(lèi)型的不同對(duì)Payload長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

2.4DoIP通信流程

當(dāng)外部測(cè)試設(shè)備與車(chē)內(nèi)DoIP實(shí)體建立網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，首先進(jìn)行物理連接，DHPC自動(dòng)配置IP地址。其次由DoIP實(shí)體主動(dòng)發(fā)出3次聲明報(bào)文，廣播其VIN、EID、GID和邏輯地址，根據(jù)ISO13400標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，3次報(bào)文間隔時(shí)間在0～500ms。此時(shí)外部測(cè)試設(shè)備如果沒(méi)有收到或漏收了3次聲明報(bào)文，則需要外部測(cè)試設(shè)備主動(dòng)向車(chē)內(nèi)DoIP實(shí)體發(fā)送請(qǐng)求，等待500ms的時(shí)間間隔后，收到DoIP實(shí)體響應(yīng)。

外部測(cè)試設(shè)備選擇對(duì)應(yīng)的車(chē)輛，請(qǐng)求DoIP實(shí)體打開(kāi)TCP_DATAsocket。DoIP實(shí)體需確認(rèn)當(dāng)前申請(qǐng)socket是否未被占用，接收?qǐng)?bào)文的源地址是否被其他TCP_DATAsocket占用。如當(dāng)前申請(qǐng)的TCPsocket已被占用或SA已被其他TCP_DATAsocket占用，則發(fā)送激活否定響應(yīng)報(bào)文，關(guān)閉當(dāng)前報(bào)文的socket;如均未被占用，則繼續(xù)進(jìn)行初始化TCP_DATAsocket。之后外部測(cè)試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送路由激活請(qǐng)求，DoIP實(shí)體進(jìn)行通用DoIP首部處理和路由激活處理，注冊(cè)TCP_DATAsocket，并對(duì)外部測(cè)試設(shè)備的激活請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，從而完成路由激活連接。

外部測(cè)試設(shè)備發(fā)送診斷報(bào)文到DoIP實(shí)體，DoIP實(shí)體經(jīng)過(guò)通用DoIP首部處理及DoIP診斷處理后，向外部測(cè)試設(shè)備發(fā)送確認(rèn)接收的診斷響應(yīng)。再由DoIP實(shí)體向車(chē)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送診斷請(qǐng)求，等待車(chē)內(nèi)節(jié)點(diǎn)反饋診斷響應(yīng)后，由DoIP實(shí)體向外部測(cè)試設(shè)備發(fā)送診斷響應(yīng)。此處，DoIP實(shí)體可以支持與車(chē)內(nèi)非DoIP實(shí)體的電子控制單元ECU（ElectronicControlUnit）通信。

如當(dāng)前無(wú)診斷需求時(shí)，由外部測(cè)試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送關(guān)閉TCP_DATAsocket命令，DoIP實(shí)體執(zhí)行釋放TCP_DATAsocket，以備下一次診斷服務(wù)中使用。

3結(jié)束語(yǔ)

目前，車(chē)載以太網(wǎng)已在多數(shù)車(chē)輛中應(yīng)用，本文主要針對(duì)車(chē)載以太網(wǎng)的DoIP技術(shù)進(jìn)行了研究。相比于CAN診斷，DoIP診斷技術(shù)通信帶寬大、傳輸速率高，可以提高軟件刷寫(xiě)與故障診斷的效率，也是未來(lái)車(chē)輛診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。