车载以太网网络测试-18【传输层-DOIP协议-1】

1 摘要

在汽车网络通信中，诊断扮演了非常重要的角色，无论是故障诊断、整车下线配置，还是ECU的软件更新、远程OTA等，都离不开诊断技术。传统基于CAN的诊断已经非常普遍了，那么如果应用了车载以太网，诊断该如何实现呢？答案是DoIP。汽车诊断使用的是UDS（ISO 14229统一诊断服务），那么使用了DoIP，是不是就不需要UDS了？DoIP只是一个传输协议，用于传输诊断服务，在车载以太网中，UDS和在其他汽车总线技术中使用的是一致的，不同的是传输是通过DoIP实现的。
DoIP (Diagnostic communication over Internet Protocol)， 是基于以太网的通讯协议对UDS协议的数据进行传输，参考标准ISO13400。本文主要对ISO 13400-2进行解析。

2 DOIP协议的概述

2.1 DOIP协议背景

车载以太网DOIP（Diagnostics over Internet Protocol）协议的引入背景主要源于以下几个方面的需求和发展趋势：

1. 车辆电子系统复杂性的增加
   随着汽车电子技术的快速发展，现代车辆中的电子控制单元（ECU）数量大幅增加，车辆的功能也变得越来越复杂。传统的诊断协议（如K线、CAN总线）在带宽和效率上逐渐无法满足日益增长的数据传输需求，尤其是在诊断、软件更新和远程控制等场景中。

2. 高带宽需求
   车载以太网作为一种高带宽的通信技术，能够支持更快速的数据传输，满足现代车辆对大数据量处理的需求。DOIP协议基于以太网，能够利用以太网的高带宽特性，实现更高效的诊断数据传输。

3. 标准化和兼容性
   随着汽车行业对标准化和兼容性的要求越来越高，DOIP协议应运而生。DOIP是ISO 13400标准的一部分，旨在为车辆诊断提供一个统一的、基于以太网的通信协议，确保不同厂商和车型之间的诊断系统能够兼容。

4. 远程诊断和OTA更新的需求
   随着车联网技术的发展，远程诊断和OTA（Over-The-Air）软件更新成为汽车行业的重要趋势。DOIP协议支持基于IP网络的通信，能够更好地支持远程诊断和OTA更新功能，提高车辆的维护效率和用户体验。

5. 未来技术发展的前瞻性
   DOIP协议的引入也是为了适应未来汽车技术的发展，如自动驾驶、智能网联汽车等。这些技术对通信带宽、实时性和可靠性提出了更高的要求，车载以太网和DOIP协议能够为这些技术提供更好的支持。

6. 降低成本和复杂性
   通过使用以太网作为统一的通信网络，可以减少车辆中不同通信协议的数量，从而降低系统的复杂性和成本。DOIP协议的引入有助于简化车辆的网络架构，提高系统的可维护性和可扩展性。

2.2 ISO 13400概述

ISO 13400 是关于 DoIP（Diagnostics over Internet Protocol，基于互联网协议的诊断） 的标准，完整的 ISO 13400 标准包括以下部分：

1. ISO 13400-1: 概述和用例

• 这一部分提供了 DoIP 协议的概述，包括其应用场景、用例和基本概念。
• 它定义了 DoIP 在车辆诊断中的角色和目标。

2. ISO 13400-2: 传输协议和网络层服务

   • 这一部分详细描述了 DoIP 的传输协议和网络层服务。
   • 它涵盖了基于 TCP/IP 的通信机制，包括数据格式、消息结构和网络层功能。

3. ISO 13400-3: 基于以太网的物理层和数据链路层

   • 这一部分规定了 DoIP 在以太网上的物理层和数据链路层要求。
   • 它定义了以太网硬件（如电缆、连接器）和通信协议的具体实现。

4. ISO 13400-4: 一致性测试

• 这一部分提供了对 DoIP 实现的一致性测试要求和方法。
• 它确保不同厂商的 DoIP 实现能够互操作并符合标准。

5. ISO 13400-5: 扩展诊断会话

   • 这一部分（如果存在）可能涉及 DoIP 的扩展功能或高级诊断会话管理。
   • 具体内容可能因版本或发布状态而有所不同。

6. ISO 13400-6: 安全机制

• 这一部分（如果存在）可能涉及 DoIP 的安全机制，例如加密、认证和防止未经授权的访问。
• 具体内容可能因版本或发布状态而有所不同。

7. ISO 13400-7: 基于 IP 的远程诊断
   • 这一部分（如果存在）可能涉及通过互联网进行远程诊断的具体实现和要求。

• DOIP协议在OSI的架构：

• DoIP汽车网络传输架构：
  

图中分为车内网（Vehicle network）和车外网（External network），车内网和车外网之间，有两组重要的线束，其中

• 一组是用于数据传输的以太网线：就是我们常见的四线制TX标准网线

• 一组是用于诊断功能激活的DOIP激活线：是用于车内诊断功能的激活。出于能耗和电磁干扰的考虑，要求非诊断通信期间，与诊断相关的功能处于关闭状态，这样一方面可以降低能耗，另一方面减少对网络带宽的消耗，从而降低电磁干扰。

• 车内网（Vehicle network）

  • T1标准网线；车内DOIP节点数据传输；
  • 边缘节点（DoIP edge node gateway）

1. 边缘节点（DoIP edge node）
   直接与外部诊断仪进行物理连接的节点，叫做边缘节点（DoIP edge node）。
   ①边缘节点可作为一个网络交换机，将车内网与车外网组成同一子网；
   ②也可以作为一个网关，将车内网与车外网进行安全隔离，屏蔽非法的网络访问和网络攻击。

2. DoIP网关节点（DoIP gateway）
   除了边缘节点之外，还有另一类网关，即车内的DoIP网关节点。
   车内DoIP网关节点的作用，是实现以太网到其他网络总线（如CAN、LIN）的报文路由，这样便实现了DoIP诊断与传统网络总线的兼容。多种网络总线汇聚到DoIP网关，这大大的降低了布线的复杂性，并且提高了各总线网络中ECU的诊断效率。

3. DoIP节点
   车内网络中，还存在一般的DoIP节点，这些节点只支持对自身的诊断，而不具备路由功能。

4. 网络节点（Network node）
   网络节点（Network node），不具备DoIP诊断功能，与DoIP节点共享网络资源。

5. DoIP逻辑地址
   在车载以太网通信中，因为数据是逐层进行封装和处理的，所以在OSI网络模型中，从数据链路层开始，每一层都会有用于标识发送端或接收端的特定地址，如数据链路层的MAC地址、VLAN ID，网络层的IP地址和传输层的端口号。在DoIP层级中，用来标识DoIP实体的地址为DoIP逻辑地址（Logical address）：
   

ISO 13400中将逻辑地址分为物理逻辑地址（Physical logical address）和功能逻辑地址（Functional logical address），类似CAN中的物理寻址和功能寻址。
在车辆发现的过程中，收发两端会将对方的逻辑地址与IP地址进行映射，保证之后可正确进行诊断会话。逻辑地址长度为2个字节，在车辆声明报文、路由激活报文和诊断报文中都会携带

6. DoIP端口
   不管是TCP还是UDP，都包含源端口号和目的端口号，在DoIP报文中用到了以下三种端口：

• UDP_DISCOVERY：端口类型-UDP，端口号-13400
  该端口有以下两个应用场景：

  1. 被用于诊断设备发送给DoIP节点的车辆信息请求报文和DoIP节点控制报文，此时该端口在报文中被设置为目的端口。
  2. 被用于DoIP节点在没有收到请求的时候发送的UDP报文，如车辆声明报文。此时该端口同样被设置为目的端口，源端口可以为该端口，也可以由发送方动态定义。

• UDP_TEST_EQUIPMENT_REQUEST：端口类型-UDP，端口号-动态定义（49152-65535）
  该端口由外部诊断设备在49152-65535范围内动态定义，用于诊断设备向DoIP节点发送的UDP报文，在报文中作为源端口，报文的目的端口应设置为UDP_DISCOVERY。
  当DoIP节点向诊断设备发送响应的时候，报文中的目的端口应设置为UDP_TEST_EQUIPMENT_REQUEST，源端口可以为UDP_DISCOVERY，也可以有DoIP节点动态定义。

• TCP_DATA：端口类型-TCP，端口号-13400
  该端口用于外部诊断设备和DoIP节点之间的TCP通信，如路由报文和诊断报文。当诊断设备向DoIP节点发送报文时，使用TCP_DATA作为目的端口号；当DoIP节点向诊断设备发送报文时，使用TCP_DATA作为源端口号。

3 DOIP报文的帧结构以及实例

DoIP报文也是基于TCP或UDP，但在其报文的Payload起始段添加了DoIP报头（首部），用来区分不同的DoIP报文类型，实现不同的功能。DoIP报文的结构如下图所示：

车载以太网中的**DOIP（Diagnostics over Internet Protocol）**是一种用于车辆诊断的通信协议，它基于以太网传输诊断数据。DOIP报文帧结构主要包括以下几个部分：

3.1 DOIP报文帧结构

DOIP报文由以太网帧头和DOIP协议数据组成。以太网帧头遵循标准以太网协议，而DOIP协议数据部分则是DOIP特有的结构。
DOIP协议报头包括以下几个字段：

1. Protocol Version (协议版本)

   • 1字节，表示DOIP协议的版本号。例如，0x02表示DOIP协议版本2。
     常见值为0x02，表示ISO 13400-2：2012（虽然现在已经更新了2019版本，但当前大多数主机厂还是遵循2012版本来使用DoIP的）；
     长度一字节，代表遵照ISO 13400 的那个版本，定义如下：
     0x00：Reserved
     0x01: DoIP ISO 13400-2:2010
     0x02: DoIP ISO 13400-2:2012
     0x03…0xFE: ISO 13400 reserved
     0xFF: default value for vehicle identification request messages

2. Inverse Protocol Version (协议版本的反码)

   • 1字节，表示协议版本的反码。例如：协议版本 = 0x02，该字节 = 0x02 ^ 0xFF = 0xFD。

3. Payload Type (负载类型)

   • 2字节，表示DOIP报文的类型。常见的负载类型包括：
     • 0x0001：车辆识别请求（Vehicle Identification Request）
     • 0x0002：车辆识别响应（Vehicle Identification Response）
     • 0x0005：诊断消息（Diagnostic Message）
     • 0x0006：诊断消息确认（Diagnostic Message ACK）
     • 0x0007：诊断消息否定确认（Diagnostic Message NACK）

4. Payload Length (负载长度)

   • 4字节，表示负载数据的长度（以字节为单位）。指DoIP报文中DoIP层数据的长度，不包括DoIP报头，只是数据长度，4字节，可以为0，最大为0xFFFFFFFF（4GB）。

5. Payload Data (负载数据)

   • 可变长度，具体内容取决于负载类型。例如：
     • 对于诊断消息（Payload Type 0x0005），负载数据包括诊断请求或响应数据。
     • 对于车辆识别响应（Payload Type 0x0002），负载数据包括车辆识别信息（如VIN码）。
     • 对于诊断报文（Payload Type 0x8001），负载数据包括逻辑地址和数据场。
       • 逻辑地址
         逻辑地址在DoIP报文中用于标识源或目标ECU（电子控制单元）。逻辑地址通常是一个16位的值，用于在车辆网络中唯一标识一个ECU。逻辑地址的具体值由车辆制造商定义，通常在诊断通信中用于路由诊断请求和响应。
         ①源逻辑地址 (Source Address): 标识发送诊断请求或响应的ECU。
         ②目标逻辑地址 (Target Address): 标识接收诊断请求或响应的ECU。
         在Payload Data中，逻辑地址通常出现在诊断消息的头部，用于指示消息的发送方和接收方。
       • 数据场
         数据场是Payload Data中的实际数据内容，通常包含诊断请求或响应的具体信息。数据场的结构和内容取决于具体的诊断服务（如UDS服务）。

3.2 实例示例

1. 物理层（Physical Layer）
   物理层涉及以太网帧的传输，使用RJ45接口和双绞线进行通信。物理层的帧格式如下：

[前导码 (7 bytes)] [帧起始定界符 (1 byte)] [以太网帧数据]

2. 数据链路层（Data Link Layer）
   数据链路层使用以太网帧格式，包含源MAC地址、目的MAC地址和以太网类型字段。

[目的MAC地址 (6 bytes)] [源MAC地址 (6 bytes)] [以太网类型 (2 bytes)] [以太网帧数据]

示例：

目的MAC地址：00:50:56:C0:00:08
源MAC地址：00:0C:29:AB:CD:EF
以太网类型：0x0800 (IPv4)

3. 网络层（Network Layer）
   网络层使用IPv4协议，包含源IP地址、目的IP地址和协议类型字段。

[版本 (4 bits)] [头部长度 (4 bits)] [服务类型 (1 byte)] [总长度 (2 bytes)]
[标识 (2 bytes)] [标志 (3 bits)] [片偏移 (13 bits)]
[生存时间 (1 byte)] [协议 (1 byte)] [头部校验和 (2 bytes)]
[源IP地址 (4 bytes)] [目的IP地址 (4 bytes)] [IP数据]

示例：

版本：4
头部长度：5
服务类型：0x00
总长度：0x0046
标识：0x1234
标志：0x02
片偏移：0x0000
生存时间：0x40
协议：0x06 (TCP)
头部校验和：0xABCD
源IP地址：192.168.1.100
目的IP地址：192.168.1.200

4. 传输层（Transport Layer）
   传输层使用TCP协议，端口号为13400（DoIP标准端口）。

[源端口 (2 bytes)] [目的端口 (2 bytes)] [序列号 (4 bytes)]
[确认号 (4 bytes)] [数据偏移 (4 bits)] [保留 (3 bits)] [标志 (9 bits)]
[窗口大小 (2 bytes)] [校验和 (2 bytes)] [紧急指针 (2 bytes)] [TCP数据]

示例：

源端口：50000
目的端口：13400
序列号：0x12345678
确认号：0x87654321
数据偏移：5
标志：0x018 (ACK, PSH)
窗口大小：0xFFFF
校验和：0x1234
紧急指针：0x0000

5. DoIP层（DoIP Layer）
   DoIP层包含协议版本、负载类型、负载长度和负载数据。

[协议版本 (1 byte)] [反向协议版本 (1 byte)] [负载类型 (2 bytes)] [负载长度 (4 bytes)] [负载数据]

示例：

协议版本：0x02
反向协议版本：0x02
负载类型：0x8001 (Diagnostic Message)
负载长度：0x00000006
负载数据：[应用层数据]

6. 应用层数据（Application Layer）
   应用层数据包含逻辑地址和诊断请求/响应。

[源地址 (2 bytes)] [目的地址 (2 bytes)] [诊断数据]

示例：

源地址：0x0E80 (ECU逻辑地址)
目的地址：0x0E81 (Tester逻辑地址)
诊断数据：0x10 0x03 (诊断请求：进入扩展会话)

6.完整报文示例

物理层：
前导码：0xAA 0xAA 0xAA 0xAA 0xAA 0xAA 0xAA
帧起始定界符：0xAB

数据链路层：
目的MAC地址：00:50:56:C0:00:08
源MAC地址：00:0C:29:AB:CD:EF
以太网类型：0x0800

网络层：
版本：4
头部长度：5
服务类型：0x00
总长度：0x0046
标识：0x1234
标志：0x02
片偏移：0x0000
生存时间：0x40
协议：0x06
头部校验和：0xABCD
源IP地址：192.168.1.100
目的IP地址：192.168.1.200

传输层：
源端口：50000
目的端口：13400
序列号：0x12345678
确认号：0x87654321
数据偏移：5
标志：0x018
窗口大小：0xFFFF
校验和：0x1234
紧急指针：0x0000

DoIP层：
协议版本：0x02
反向协议版本：0x02
负载类型：0x8001
负载长度：0x00000006
负载数据：[应用层数据]

应用层数据：
源地址：0x0E80
目的地址：0x0E81
诊断数据：0x10 0x03

上述示例展示了从物理层到应用层的完整DoIP报文结构。每一层都有其特定的字段和功能，确保数据在车载以太网中的正确传输和处理。

总结

本文主要对DOIP协议的背景、功能、ISO 13400-2定义的报文帧头以及实例示例进行了介绍。希望以上内容对您理解车载以太网DOIP报文帧结构有所帮助！