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为什么说车载以太网诊断协议 DoIP是车载网络诊断的必然趋势?

2021-09-06 汽车电子与软件 阅读:
由于DoIP可以传输大量数据,以及响应速度快,且可以通过以太网进行远程诊断,因此DoIP逐步成为代替传统的CAN等总线方式,成为车载网络诊断的必然趋势。

概述d4gednc

所谓的DoIP其实就是基于以太网的通讯协议对UDS协议的数据进行传输,即Diagnostic communication over Internet Protocol。其本身也是一种协议,规范于ISO13400标准。由于DoIP可以传输大量数据,以及响应速度快,且可以通过以太网进行远程诊断,因此DoIP逐步成为代替传统的CAN等总线方式,成为车载网络诊断的必然趋势。d4gednc


DoIP在车载领域的应用首先汽车系统的整体框架要能够支持DoIP,正因为车载以太网的快速发展,相较于传统的车载系统,目前的车载系统的整体框架都会加入一层DoIP协议层,在TCP/IP之上。并且为了更好的配合OBD诊断,远程诊断,FOTA等等技术,对整体的车载架构进行了调整,利用swich将MPU,MCU,其它以太网ECU统统通过以太网进行连接,并对外网与内网进行隔离。

当然,DoIP并不仅仅只是UDS的载体,虽然在ISO13400标准中内容不多,但是它也有自己的一些逻辑,不可能说在TCP/IP之上加了一层封装就完成了自己的任务,这样的话安全性就没有保证了,毕竟车载以太网通过网络能够将车内与车外进行网络的连接,而DoIP又是诊断的入口,这个门口如果不好好看住,会存在安全性的问题的。

简单的说,DoIP能够进行车辆发现,状态查询,路由激活(含安全认证),诊断数据收发,这些内容将在后续进行详细的展开。

有了DoIP,那么UDS的数据传输就可以搭载在DoIP之上,并在DoIP前序逻辑都OK的情况下,进行UDS的传输。当然DoIP之上也可以不搭载UDS数据,这属于客户定制,能够满足以太网传输的一些其它特殊需求。
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DoIP的网络拓扑d4gednc

在ISO13400-2中有如下一张图,比较具有代表性,我们本文主要就根据此网络拓扑图来介绍DoIP的网络拓扑d4gednc

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从图中不难看出,整车的网络拓扑被分为了两个部分,即内部网络和外部网络,图中的network node可以默认为支持以太网连接的某个节点,如,雷达,摄像头等,但是不支持DoIP协议,不过大家可以对名称中含有DoIP前缀的节点进行网络分析。从图中我们很容易看出DoIP的网络拓扑有以下几个角色组成,d4gednc

1.External test equipmentd4gednc

此部分为外部测试设备,通常为OBD诊断仪或者其他诊断客户端d4gednc


2. DoIP edge node gatewayd4gednc

此部分和DoIP gateway有什么区别?其实没什么区别,唯一的区别就是多了个使能线的判断,从图中可以看出External test equipment和DoIP edge node gateway之间有一条线叫做Activation line。那么这条线的功能就是对协议栈进行使能作用的,当然External test equipment和DoIP edge node gateway之间不只是Activation line相连的,这个图只是功能示意图,少了很多细节,其实是通过标准的OBD-II接头相连的,其中一个针脚就是Activation line。具体可以看ISO 13400-4的介绍。d4gednc

回过来,这个角色的作用是什么?d4gednc

首先它是个gateway,作为一个网关它的子网内挂载着若干ECU,与DoIP gateway一样d4gednc

其次它是车内网与车外网交互的一个入口,具有控制着DoIP协议栈是否工作的一个开关功能。d4gednc

该角色可以同时支持Server端和Client端,Server好理解,测试设备可以诊断该网关下的某个ECU节点。那么Client端是怎么回事呢?想象一下,如果DoIP edge node gateway作为入口,那么怎样和内部其它子网的DoIP ECU进行交互呢?当然是由DoIP edge node gateway进行转发。这只是其中一个应用场景,当进行转发的时候会进行身份切换,即由Server端切换到Client端。另外一个场景是OTA升级,DoIP edge node gateway的应用层可以跑一个OTA客户端程序,进行对内网ECU的诊断及刷写,此时就是一个Client身份。d4gednc

3. DoIP gatewayd4gednc

DoIP gateway与角色二 DoIP edge node gateway区别不是很大。实际的应用场景通常会让MCU充当这个角色,而MPU充当DoIP edge node gateway的角色,也有反过来的情况,那么该角色通常单单的跑Server端程序。d4gednc


4. DoIP noded4gednc

该角色很好理解,对支持以太网连接的同时支持DoIP协议的ECU认为是DoIP node。d4gednc

该角色通常单单的跑Server端程序。d4gednc

整个车辆网络由四个角色组成,外部测试设备作为客户端,对车内网的各个支持DoIP协议栈的ECU进行诊断。(部分CAN ECU通常挂载在MCU上,由MCU进行DoIP转DoCAN的路由)车外网的外部测试设备通过OBD-II与车内网的edge gateway进行通信,edge gateway用来使能车内网的DoIP功能。在路由打通后,发送的诊断数据根据目的地址的不同分别流向车内网的不同ECU。d4gednc

DoIP的接收方式和协议格式d4gednc

3.1 端口d4gednc

从DoIP名字可以看出,该协议是在TCP/IP之上的,那么要想接收DoIP协议的报文,协议书规定需要监听一个专门分配给DoIP协议栈使用的端口号即13400,UDP,TCP都要监听此接受端口,而发送端口是在一个范围内的随机值[49152~65535],当然代码中协议栈要对对端的发送端口进行缓存,用于回送数据。d4gednc

指定了端口号,客户端和服务端可以在此端口上进行收发数据。那么对该端口收到的数据是否真的是DoIP报文,就对该网络报文进行解析。(有可能是网络攻击,有可能是其它应用恰好使用了该端口号)d4gednc

对收到的报文进行解析,就涉及到DoIP协议的构成,只有符合该写一点规范才认为是合法有效的DoIP报文。d4gednc

3.2 协议格式d4gednc

DoIP报文由协议头(header)+ 负载(payload)组成d4gednc

协议头[8 byte]由下面四个字段组成d4gednc

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Protocol version [1 byte]d4gednc

Inverse protocol version [1 byte]d4gednc

Payload type [2 byte]d4gednc

Payload length [4 byte]d4gednc

负载[N byte] 根据实际的payload type,负载数据会不同d4gednc

3.3Protocol version与Inverse protocol versiond4gednc

通常Protocol version为0x02,目前0x02以上的值目前是reserved状态d4gednc

Inverse protocol version是Protocol version的取反的值,此例0x02去反后为0xFDd4gednc

协议书上特别说明了Protocol version可以为0xFF,设这个值的作用是,当客户端和服务端的协议版本不匹配,可以设置此值绕过协议头版本不匹配而拒绝请求的case。d4gednc

3.4 Payload typed4gednc


payload type可以代表DoIP协议栈所能支持的功能,列举如下(特意分开了Server支持的type及Client支持的type)d4gednc

DoIP SERVERd4gednc

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DoIP Clientd4gednc

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如上分开描述,是因为在代码实现上,可以将逻辑拆分。d4gednc


即Server端只关心自己支持的payload type,客户端只关心自己支持的payload type,不支持的可以忽视掉。有利于模块拆分及组合,有利于实现上一节所讲个各个角色,将来通过配置文件的配置,来表示不同的角色。d4gednc

3.5 Payload lengthd4gednc

payload length这里分配了4字节,也就是所DoIP报文最大传输4 GB /4294967295 bytes,即0xFFFFFFFF。它只是个允许的范围,通常来说通过DoIP进行诊断也就几字节到几十字节,而升级通常ECU的升级包也就几MB。所以4 GB只是个理论上限。d4gednc

该值可以做长度的有效性验证,因为除了诊断数据,其它payload type都是有固定长度的。d4gednc

还可以做什么?其实做开发时还要考虑遇到如下情况该怎么处理d4gednc

1. 数据粘连d4gednc

2. 数据截断d4gednc

3. 异常的超大sized4gednc

4. 超过协议栈可以处理sized4gednc

3.6 Payloadd4gednc

这里的负载是指的是DoIP协议的负载,当然当Payload type为诊断类型时,其负载除了DoIP自身的内容,d4gednc

还包含了UDS数据,供上层UDS模块进行进一步的解析。d4gednc

因为每个Payload type负载都不同,这里不做解释,在后续功能章节,进行详细的介绍d4gednc

DoIP诊断启动与使用d4gednc

4.1 连接建立d4gednc

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DoIP实体内管理着一个DoIP connection table ,用来记录和维护诊断通信的逻辑连接。上图就是这个表中的一个元素,即一个逻辑连接的状态机。上图中的方框就是连接所处的状态,[Step]是状态之间跳转时发生的事情。d4gednc

[Step1] 当一个新的套接字建立,逻辑连接的状态就从“listen”跳转到“socket initialized”,同时启动一个定时器, initial inactivity timer。d4gednc

[Step2] 当DoIP实体接收到tester发来的一个routing activation信息后,逻辑连接的状态就从“socket initialized”跳转到“Registered [Pending for Authentication]” ,此时 initial inactivity timer被停止,启动一个名为general inactivity timer的定时器。d4gednc

[Step3] 在完成Authentication之后,逻辑连接的状态就从“Registered [Pending for Authentication]”跳转到“Registered [Pending for Confrmation]” 。d4gednc

[Step4] 在完成Confrmation之后,逻辑连接的状态就从“Registered [Pending for Confrmation]”跳转到“Registered [Routing Active] ” 。d4gednc

[Step5] 如果initial timer 或general inactivity timer 过期后仍没收到后续请求,或者authentication 和 confrmation 被拒绝了,又或者外部测试设备对alive check 消息没有响应,则逻辑连接进入“Finalize”状态。d4gednc

[Step6]进入Finalize后,此时TCP套接字将被关闭,并重新回到“listen”状态。d4gednc

4.2 车辆发现d4gednc

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当DoIP实体和外部测试设备都连接到一个网络中时,它们会利用DHCP协议获得一个属于自己的IP地址。在网络中,路由器作为DHCP server,为新加入到该网络中的设备分配IP地址。在获取IP地址之后,有两种车辆发现的方法,如上图所示。一种方法是车辆主动上报自己的信息3次。如果测试设备没有收到车辆主动上报的信息,则会发送一个identification request,如果网络中有车辆的话,车辆对这个请求进行响应,测试设备便发现了被测车辆。d4gednc

4.3 会话建立d4gednc

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在诊断仪发现车辆之后,会把车辆添加到自己的车辆列表中。当用户选择这个列表中的某辆车,如果连接建立成功,用户就可以对车辆进行诊断了。d4gednc

接下来用户给汽车发出诊断信息,网关会根据信息接收对象把诊断信息转发给网络中相关的ECU,当得到ECU 的响应之后,网关再把最终的响应发送给诊断仪。当用户选择退出时,用于DoIP通信的这个套接字就被关闭了。d4gednc

下图是一个DoIP数据完整结构的数据举例:d4gednc

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DoIP数据完整结构举例d4gednc

byte 0:ISO13400 版本d4gednc

byte 1:ISO13400 版本逐比特取反d4gednc

byte 2~3:数据类型,0x8001,表明这是一个诊断信息的数据包d4gednc

byte 4~7:数据长度,在这个例子中的值是7,表示后面有7个字节的数据d4gednc

byte 8~9:源地址d4gednc

byte 10~11:目的地址d4gednc

byte 12~13:具体的诊断命令,SID是22,表示读取,DID是0xF8 10d4gednc

这个数据段作为SDU传递给下层协议,逐层封装成为完整的以太网帧发送出去。d4gednc

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