车载以太网诊断协议DoIP介绍

概述

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。

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。

DoIP的网络拓扑

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

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，

1.External test equipment

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

2. DoIP edge node gateway

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。

回过来，这个角色的作用是什么?

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

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。

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。

3. DoIP gateway

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。

4. DoIP node

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。

该角色通常单单的跑Server端程序。

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。

DoIP的接收方式和协议格式

3.1 端口

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。

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，就能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)

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。

3.2 协议格式

DoIP报文由协议头(header)+ 负载(payload)组成

协议头[8 byte]由下面四个字段组成

Protocol version [1 byte]

Inverse protocol version [1 byte]

Payload type [2 byte]

Payload length [4 byte]

负载[N byte] 根据实际的payload type，负载数据会不同

3.3Protocol version与Inverse protocol version

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

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

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。

3.4 Payload type

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)

DoIP SERVER

DoIP Client

如上分开描述，是因为在代码实现上，可以将逻辑拆分。

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。

3.5 Payload length

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。

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。

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

1. 数据粘连

2. 数据截断

3. 异常的超大size

4. 超过协议栈可以处理size

3.6 Payload

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，

还包含了UDS数据，供上层UDS模块进行进一步的解析。

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

DoIP诊断启动与使用

4.1 连接建立

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。

[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。

[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。

[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]” 。

[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] ” 。

[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。

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

4.2 车辆发现

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。

4.3 会话建立

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。

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。

下图是一个DoIP数据完整结构的数据举例：

DoIP数据完整结构举例

byte 0：ISO13400 版本

byte 1：ISO13400 版本逐比特取反

byte 2~3：数据类型，0x8001，表明这是一个诊断信息的数据包

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

byte 8~9：源地址

byte 10~11：目的地址

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

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。

审核编辑：汤梓红