車載以太網(wǎng)DoIP 協(xié)議測試的研究與分析

李志濤，耿偉峰

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，同時高性能車載娛樂系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、自動駕駛等新技術(shù)使得車載網(wǎng)絡(luò)對帶寬、兼容性的要求越來越高，傳統(tǒng)的車載CAN總線通信受限于帶寬原因，已越來越不能滿足車輛智能化和網(wǎng)聯(lián)化的要求。車載以太網(wǎng)技術(shù)以其高帶寬、兼容性強(qiáng)、可靠性高、擴(kuò)展性良好的特性，逐漸在車輛上普及應(yīng)用，尤其在軟件刷新、遠(yuǎn)程OTA等通信應(yīng)用場景需求中，實(shí)現(xiàn)基于車載以太網(wǎng)的DoIP協(xié)議，已成為車載以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的必然。

1 標(biāo)準(zhǔn)概述

DoIP（Diagnostic communication over Internet Protocol），是基于IP網(wǎng)絡(luò)的汽車診斷協(xié)議，全稱為基于IP網(wǎng)絡(luò)的診斷通信，其具備更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而在復(fù)雜的數(shù)據(jù)診斷和軟件刷新的場景下節(jié)約時間和成本。

DoIP協(xié)議用于UDS診斷的傳輸，該協(xié)議由ISO 13400標(biāo)準(zhǔn)定義，ISO 13400規(guī)定了DoIP的傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，應(yīng)用層和會話層部分由ISO 14229實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用層的UDS診斷服務(wù)，通過傳輸控制（TCP/UDP）協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)（IP）協(xié)議，經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，然后由物理層轉(zhuǎn)換后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，完成車內(nèi)以太網(wǎng)控制器與外部測試設(shè)備之間的診斷通信。DoIP通信過程是基于TCP/UDP進(jìn)行診斷報文的傳輸，診斷報文中的Payload攜帶相應(yīng)診斷服務(wù)數(shù)據(jù)信息，診斷服務(wù)數(shù)據(jù)遵循傳統(tǒng)的診斷協(xié)議。因此，準(zhǔn)確來說DoIP協(xié)議是一個擴(kuò)展的傳輸層協(xié)議，為基于車載以太網(wǎng)的診斷搭建了一個通信橋梁。DoIP協(xié)議在OSI 7層模型中的位置及分布見圖1。

圖1 DoIP標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)分布

ISO 13400-1處于應(yīng)用層（層7）之上，是對一些通用信息、應(yīng)用場景的描述。ISO 13400-2定義了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層（層4和層3），ISO 13400-2中規(guī)定了DoIP通信在傳輸層中使用TCP和UDP協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層中使用IPv4或IPv6協(xié)議、專屬于DoIP通信的內(nèi)容等。ISO 13400-3定義了DoIP診斷通信對Ethernet數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的要求等；ISO 13400-4定義以太網(wǎng)診斷連接器要求。同時在ISO 13400-2中定義了基于DoIP通信的診斷架構(gòu)模型，架構(gòu)模型見圖2。

圖2 車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

其中，DoIP診斷架構(gòu)須實(shí)現(xiàn)以下特性：①車輛與測試設(shè)備具有檢測對方并加入到網(wǎng)絡(luò)的能力；②具備車輛信息聲明的能力；③獲取車輛基本狀態(tài)信息，如車輛診斷模式信息查詢；④建立與通信連接的保持、維護(hù)機(jī)制等；⑤實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備與車輛內(nèi)部ECU節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由；⑥錯誤狀態(tài)處理，如物理網(wǎng)絡(luò)斷開等。

2 通信診斷

2.1 DoIP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

DoIP數(shù)據(jù)是層層向下傳遞的，直至構(gòu)成完整的以太網(wǎng)幀，通過物理層的介質(zhì)發(fā)出。DoIP數(shù)據(jù)封裝在以太網(wǎng)幀中，包含報頭和有效數(shù)據(jù)，其中Protocol Version定義了DoIP的協(xié)議版本號；Protocol Version為版本號取反；Payload Type定義了數(shù)據(jù)類型（標(biāo)識本幀數(shù)據(jù)的用途）；Payload Length定義數(shù)據(jù)長度（標(biāo)識后面的數(shù)據(jù)長度）；DoIP Payload包含了Payload Type對應(yīng)的具體數(shù)據(jù)，Payload數(shù)據(jù)中又分為源地址、目標(biāo)地址、應(yīng)用數(shù)據(jù)。DoIP數(shù)據(jù)報文的格式見圖3。

圖3 DoIP數(shù)據(jù)報文

DoIP報文類型分為3類：節(jié)點(diǎn)管理類、車輛信息類與診斷類。節(jié)點(diǎn)管理類報文主要包括DoIP報頭否定響應(yīng)、車輛信息獲取、通信路由激活、診斷設(shè)備在線檢查，如車輛識別請求/響應(yīng)報文，路由激活請求/響應(yīng)報文等；車輛信息類主要包括獲取DoIP實(shí)體狀態(tài)信息、車輛電源模式信息，如DoIP實(shí)體狀態(tài)請求/響應(yīng)報文，診斷電源模式信息請求/響應(yīng)報文。診斷類主要包括診斷報文處理以及UDS數(shù)據(jù)交互，如診斷報文、診斷請求確認(rèn)響應(yīng)報文。

2.2 診斷流程

ISO 13400中定義了DoIP通信的標(biāo)準(zhǔn)流程，該流程中Tester（測試設(shè)備）和DoIP網(wǎng)關(guān)（邊緣節(jié)點(diǎn)）通過IP網(wǎng)絡(luò)連接，DoIP網(wǎng)關(guān)連接了子網(wǎng)（非以太網(wǎng)車載網(wǎng)絡(luò)），Tester在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲心軌驅(qū)崿F(xiàn)診斷DoIP網(wǎng)關(guān)或者子網(wǎng)絡(luò)上的非DoIP實(shí)體的功能。診斷會話流程見圖4。

圖4 DoIP診斷會話流程

DoIP的整個診斷流程大致可以分為5步：車輛連接、車輛聲明、TCP通信連接及路由激活、診斷數(shù)據(jù)交互、TCP連接關(guān)閉。

1）車輛連接：Tester和DoIP網(wǎng)關(guān)之間要建立正確的物理連接，通過車輛激活線激活DoIP網(wǎng)關(guān)的診斷功能，然后分配Tester及DoIP網(wǎng)關(guān)的IP地址，分配IP地址一般通過DHCP動態(tài)分配或Auto IP分配，主機(jī)廠可依據(jù)需求確定IP地址的分配方式，一般兩種分配方式均要求實(shí)現(xiàn)。

2）車輛聲明：車輛連接并上電后，車輛將自身的識別信息以廣播形式自發(fā)3次于所在網(wǎng)絡(luò)中。Tester若未獲取車輛自動上報的識別信息，Tester需進(jìn)行車輛信息識別請求報文的發(fā)送（identification request），如果網(wǎng)絡(luò)中有車輛的話，車輛對這個車輛識別請求信息進(jìn)行響應(yīng)，發(fā)送車輛識別請求響應(yīng)信息（車輛聲明），測試設(shè)備便發(fā)現(xiàn)了被測車輛。車輛聲明實(shí)現(xiàn)Tester和車內(nèi)特定的DoIP實(shí)體的點(diǎn)對點(diǎn)連接，若網(wǎng)絡(luò)中包含多個Tester、車輛、DoIP實(shí)體，通過車輛識別請求與響應(yīng)報文的信息交互，即車輛發(fā)現(xiàn)過程可以找到特定車輛及DoIP實(shí)體。

3）TCP通信連接及路由激活：Tester端和DoIP實(shí)體通過TCP三次握手機(jī)制建立TCP連接，然后Tester與DoIP實(shí)體節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行路由激活，來激活車載以太網(wǎng)診斷通信套接字（Socket），Tester發(fā)送路由激活請求報文信息至DoIP實(shí)體節(jié)點(diǎn)，確認(rèn)Tester的邏輯地址、激活類型等信息是否合法。通過后，DoIP實(shí)體回復(fù)路由激活響應(yīng)報文，實(shí)現(xiàn)路由功能的激活。

4）診斷通信：Tester發(fā)送診斷請求報文（DoIP Payload Type 0x8001），診斷請求報文中包含目標(biāo)的邏輯地址，用來區(qū)分不同的診斷實(shí)體，邊緣節(jié)點(diǎn)（DoIP網(wǎng)關(guān)）收到請求后回復(fù)診斷請求確認(rèn)ACK（DoIP Payload Type 0x8002），告知Tester收到診斷請求，與此同時會發(fā)送診斷請求給車內(nèi)所需診斷通信的DoIP實(shí)體節(jié)點(diǎn)。車內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到請求后回復(fù)診斷響應(yīng)報文（DoIP Payload Type 0x8001），該響應(yīng)報文經(jīng)由DoIP網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給Tester。若邊緣節(jié)點(diǎn)判定Tester發(fā)送的診斷請求有無效信息時（無效的目標(biāo)地址，信息超長等），此時邊緣節(jié)點(diǎn)會回復(fù)NACK（DoIP Payload Type 0x8003）。

5）TCP連接關(guān)閉，當(dāng)Tester端退出診斷通信連接時，用于DoIP通信的套接字TCP_DATA Socket被關(guān)閉，DoIP診斷通信斷開。

由于基于TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包可能被其他人截取、篡改，這給數(shù)據(jù)傳輸過程中的信息安全帶來了極大的挑戰(zhàn)，因此最新版ISO 13400-2 2019協(xié)議將信息安全因素考慮進(jìn)去，在整個DoIP診斷通信過程中增加了TLS（Transport Layer Security），即在建立TCP連接后，進(jìn)行TLS握手流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，再進(jìn)行后續(xù)的路由激活、診斷數(shù)據(jù)交互。

2.3 應(yīng)用場景

在ISO 13400-1中，描述了DoIP診斷典型的通信場景，主要描述了以下4種診斷連接方案。

1）單個測試設(shè)備與單個車輛之間的物理介質(zhì)連接：此應(yīng)用能夠確保在進(jìn)行IP診斷時，通信連接不會被其他車輛或設(shè)備干擾。

2）單個測試設(shè)備與單個車輛之間的網(wǎng)絡(luò)連接：在多個車輛或多個外部測試設(shè)備都連接到同一個網(wǎng)絡(luò)時，外部測試設(shè)備和車輛都應(yīng)該擁有識別能力，能夠在網(wǎng)絡(luò)下識別出需要建立連接的目標(biāo)，并拒絕接受其他車輛或外部測試設(shè)備的診斷請求。

3）單個設(shè)備與多輛車之間的網(wǎng)絡(luò)連接：多輛車與單個外部測試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接，要求外部測試設(shè)備具備一對多連接的能力。

4）多個測試設(shè)備與單個車輛之間的網(wǎng)絡(luò)連接：該應(yīng)用方案要求車輛具備一對多連接的能力，能夠清楚地區(qū)分診斷請求和對每個邏輯連接負(fù)責(zé)的外部測試設(shè)備的響應(yīng)。外部測試設(shè)備能夠判斷當(dāng)前車輛是否在與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

參照如上應(yīng)用場景，在車輛診斷具體應(yīng)用時可選取對應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，滿足診斷場景需求，如售后模式車輛的故障檢測、產(chǎn)品/工廠模式車輛ECU的軟件更新、在工廠模式總裝工位的檢測、售后車輛遠(yuǎn)程診斷、OTA升級等。

3 協(xié)議測試

遵循目前國際上通用的V模式開發(fā)流程，DoIP協(xié)議測試分為ECU級與系統(tǒng)級測試，主要測試內(nèi)容包括車輛診斷激活使能線測試、以太網(wǎng)UDS測試、DoIP數(shù)據(jù)報文格式、DoIP診斷流程、DoIP時間參數(shù)、刷寫測試等，同時主機(jī)廠會在ISO標(biāo)準(zhǔn)需求的基礎(chǔ)上依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及應(yīng)用場景等，自定義相關(guān)測試內(nèi)容。

3.1 ECU級測試

ECU級別測試，主要進(jìn)行應(yīng)用層診斷協(xié)議測試驗(yàn)證，針對上層協(xié)議ISO 14229協(xié)議，測試內(nèi)容包含診斷服務(wù)和傳輸協(xié)議參數(shù)測試兩部分。診斷服務(wù)測試，根據(jù)相關(guān)協(xié)議發(fā)送正確格式的診斷請求報文，驗(yàn)證ECU是否有相應(yīng)的肯定診斷響應(yīng)并判斷其是否滿足協(xié)議要求；錯誤協(xié)議處理機(jī)制測試，測試發(fā)送錯誤格式的診斷請求報文，驗(yàn)證ECU是否有診斷響應(yīng)并判斷其否定響應(yīng)是否滿足協(xié)議要求。診斷傳輸協(xié)議參數(shù)測試，測試診斷服務(wù)及故障處理機(jī)制中時間參數(shù)正確性。

采用Vector公司的工具鏈，搭建測試環(huán)境，把診斷數(shù)據(jù)庫文件（CDD）導(dǎo)入至CANoe.Diva，添加封裝好的安全算法dll（Dynamic Link Library）文件，設(shè)置數(shù)據(jù)流時間參數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)等，單擊Generate就生成了可供CANoe調(diào)用的自動化測試的工程文件，然后在CANoe中載入生成的Diva工程文件并運(yùn)行測試工程即可進(jìn)行診斷的自動化測試。測試完成后，CANoe自動生成測試報告。該方案執(zhí)行DoIP的UDS測試，技術(shù)成熟可靠，測試充分、高效，本文不再贅述。

3.2 系統(tǒng)級測試

系統(tǒng)級別測試基于Vector測試工具鏈，通過CANoe軟件開發(fā)測試腳本和測試工程，集成Vector硬件設(shè)備，完成系統(tǒng)測試環(huán)境的搭建。本系統(tǒng)VN5640實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互、采集，VT系統(tǒng)用于以太網(wǎng)鏈路的自動化故障注入，如以太網(wǎng)線斷路、短路等。測試環(huán)境示意如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試示意圖

系統(tǒng)級測試，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對各系統(tǒng)基本需求實(shí)現(xiàn)的正確性、準(zhǔn)確性、合理性進(jìn)行測試，并結(jié)合不同的車輛運(yùn)行場景，對系統(tǒng)在不同場景下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，考慮用戶應(yīng)用角度進(jìn)行應(yīng)用場景的測試驗(yàn)證、誤用和濫用方面的測試，同時考慮主機(jī)廠自定義及一些特殊的需求開展相應(yīng)測試。主要涉及的相關(guān)測試內(nèi)容為：控制器軟硬件版本讀取檢測，車輛發(fā)現(xiàn)請求、響應(yīng)、車輛聲明報文；車輛路由激活、診斷報文格式測試，預(yù)編程條件測試（電源模式、電池電量、車速、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、手剎等）；控制器正向刷寫流程、控制器異常刷寫、高負(fù)載及故障注入等應(yīng)用場景測試驗(yàn)證等。

DoIP系統(tǒng)級測試是協(xié)議測試流程中的關(guān)鍵階段，不僅需考慮協(xié)議基本需求的實(shí)現(xiàn)，在此階段，需基于系統(tǒng)維度，結(jié)合功能需求的應(yīng)用、車輛使用場景、非預(yù)期操作等開展相應(yīng)的測試，驗(yàn)證系統(tǒng)正確性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)級測試主要是在集成所有相關(guān)ECU的情況下，對系統(tǒng)或子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，查看是否滿足設(shè)計(jì)時的規(guī)格要求。對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，為保障測試的覆蓋率并節(jié)省測試時間，測試自動化工具選擇和環(huán)境搭建十分重要。

4 測試示例

本示例為車輛識別響應(yīng)報文格式及數(shù)據(jù)正確性的測試驗(yàn)證，測試車輛DoIP節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的車輛識別響應(yīng)報文的Protocol Version、Payload Type、Payload Length、DoIP Payload等是否滿足設(shè)計(jì)需求。測試前，參照圖5搭建測試環(huán)境，連接測試設(shè)備，完成CANoe軟硬件配置。

系統(tǒng)上電，車輛激活線進(jìn)行激活，使能網(wǎng)關(guān)DoIP診斷功能，系統(tǒng)處于正常運(yùn)行模式中。采用CANoe工具，發(fā)送不攜帶DoIP Payload參數(shù)的車輛識別請求報文至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中Protocol Version=0x02，Payload Type=0x0001，Payload Length=0。在CANoe軟件中查看采集到的車輛識別響應(yīng)報文，查看此響應(yīng)報文中的各字段數(shù)值是否符合預(yù)期要求，見圖6。

圖6 車輛識別響應(yīng)報文示例

CANoe采集網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的DoIP響應(yīng)報文，查看并分析所采集的車輛識別響應(yīng)報文，其中Protocol Version=0x02、Payload Type=0x0004、Payload Length=0x00000020、VIN、Logical Address、EID、GID、Further Action Required等字段數(shù)值，經(jīng)分析符合預(yù)期要求。參照以上測試要求及步驟進(jìn)行各DoIP節(jié)點(diǎn)ECU車輛識別響應(yīng)報文數(shù)據(jù)格式及正確性的測試驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

伴隨著車輛電器功能的增加及對車輛個性化、科技化的需求，推動著車載以太網(wǎng)技術(shù)的迅速推廣，隨著技術(shù)的不斷成熟，將成為整車下一代骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的必然趨勢。同時遠(yuǎn)程刷寫、遠(yuǎn)程診斷等新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，基于車載以太網(wǎng)技術(shù)的DoIP協(xié)議必然應(yīng)用到車輛診斷系統(tǒng)中，因此，DoIP通信和測試的必要性就越發(fā)重要。本文對車載以太網(wǎng)的DoIP診斷通信技術(shù)與測試進(jìn)行了研究分析，為進(jìn)一步深入開展相關(guān)測試工作奠定了基礎(chǔ)。