基于DoIP協議的診斷刷新系統研究

摘 要：隨著軟件在汽車領域的占比越來越高，車載軟件的通信及刷新速率低的問題逐漸突出。文章介紹了ISO 13400 DoIP協議和ISO 14229診斷協議，分析DoIP幀格式和通信原理，設計刷新過程和診斷通信流程，實現了基于DoIP協議的診斷刷新功能，極大提高了ECU刷新的時間性能和效率。

關鍵詞：以太網 DoIP ECU刷新 診斷協議

隨著車聯網技術的發展和車載軟件日益復雜化，傳統的車載CAN總線通信速率無法滿足新技術對車輛數據傳輸帶寬的需求，而車載以太網以帶寬高、開放性好、兼容性強、可靠性高、同時又滿足車載嚴格法規要求的優勢，成為下一代車載網絡技術中最有前景的應用[1]。基于以太網的DoIP刷新技術充分利用了以太網高帶寬的優點，使設備與ECU之間及ECU內部芯片之間，建立起高通信速率的傳輸通道，實現基于以太網和UDS協議的通信。本文將重點介紹DoIP診斷刷新系統的研究和實現。

1 DoIP診斷通信原理

1.1 DoIP協議介紹

DoIP（Diagnostic communication over Internet Protocol）是一種基于互聯網協議的診斷。基于該診斷協議，主機廠和售后工程可以對車輛進行診斷、刷新等操作[2]。

DoIP協議形成了ISO 13400標準《道路車輛—基于互聯網協議的診斷通信（DoIP）》。該標準分成3個部分：

（1）通用信息和用例定義；

（2）傳輸協議和網絡層服務；

（3）基于IEEE802.3的車用有線接口。

即ISO 13400標準介紹了其物理層、數據鏈路層、傳輸層、網絡層等內容。OSI模型將數據通信分為七層，DoIP是位于OSI模型中的應用層，通過TCP/UDP協議傳輸。應用層和會話層部分采用ISO 14229實現，物理層與數據鏈路層遵循ISO 13400標準。具體參考表1所示[3]。

1.2 DoIP報文格式

DoIP協議支持IPv4與IPv6協議，以及對應的地址解析ARP協議、NDP協議以及控制報文協議ICMP。所有統一網段的DoIP都必須使用相同的IP協議版本。由于DoIP在OSI模型中位于應用層，故DoIP報文前要封裝ETH首部、IP首部及TCP/UDP首部。DoIP報文包括協議版本號、版本號取反、負載類型、負載長度及DoIP數據。以太網報文封裝格式如圖1所示。

版本號占1個字節，標識 DoIP 協議版本編號，取值范圍為0x00 至 0xFF，通常取 0x02（DoIP 2012）。

版本號取反占1個字節，是版本號與 0xFF 邏輯運算異或的值。如版本號為 0x02，則版本號取反則為 0xFD。版本號取反值與版本號值配合起到協議驗證的作用，以確保接收DoIP報文的準確性。

負載類型占2個字節，用于判斷數據用途，常用診斷數據類型有0x8001、0x8002和0x8003分別表示診斷消息、診斷消息正響應、診斷消息負響應。

負載長度占4個字節，標識后面的實際診斷數據長度。

負載，占用最大字節數為4Gbytes，實際診斷數據可以少于最大字節數，診斷數據又包括源地址、目標地址和診斷命令，其中診斷命令是指UDS或OBD中規定的具體的診斷請求或響應。

1.3 DoIP診斷通信流程建立

DoIP通信的兩端即客戶端和服務端，采用套接字（Socket）通信方式，服務器端先初始化Socket，然后與端口綁定（bind），對端口進行監聽（listen），調用accept阻塞，等待客戶端連接[4]。此時如果客戶端初始化一個Socket，然后連接服務器（connect），如果連接成功，這時客戶端與服務端的連接就建立了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求并處理請求，然后把回應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最后關閉連接，一次交互結束。TCP Socket交互狀態如圖2所示。

2 基于DoIP協議的刷新功能設計

2.1 主從刷新流程實現

本文設計的刷新功能，以整車上TBOX為上層主節點，承擔刷新發起的任務控制器中的SOC為主節點，MCU為從節點，刷新過程是通過以太網通道和DoIP協議實現，配備專門的VLAN進行通信，不響應其他MAC和IP的DoIP指令。以升級MCU軟件為例，整個交互流程如圖3所示。

SOC控制MCU升級的流程并監控其升級狀態，SOC可以根據版本判斷是否需要升級MCU，如果不需要升級則直接返回升級成功。SOC根據當前狀態計算升級進度，并將進度反饋給上層主節點。

2.2 DoIP診斷報文設計

如2.2章節所述，DoIP發送的診斷報文有三類，分別為診斷消息（0x8001），診斷肯定應答（0x8002）和診斷否定響應（0x8003）。其中SOC作為客戶端，需要支持0x8001的發送以及0x8002和0x8003的解析處理，MCU作為服務端，需要支持0x8001的解析和發送，以及0x8002和0x8003的發送。

DoIP診斷通信流程和CAN不一樣，CAN是一條診斷請求對應一條診斷響應，但DoIP遵循如下流程：

SOC發送一條診斷請求（0x8001），該請求中搭載了UDS診斷數據，MCU收到后對DoIP報頭、診斷數據長度等做判斷，先返回一個DoIP層的響應，如果各個條件都滿足，則返回肯定響應（0x8002），否則返回否定響應（0x8003）。

當MCU返回肯定響應后，再將診斷請求報文中搭載的UDS診斷信息上報給UDS應用程序進行處理，處理完成后，不論是UDS肯定響應還是UDS否定響應，都用診斷報文（0x8001）將UDS診斷響應數據發送給SOC，至此一次診斷數據交互才完成。

2.3 刷新服務實現

軟件刷新過程，在主節點SOC和從節點MCU之間交互，各自解析報文，再根據診斷服務流程做出響應[5]。圖4為詳細刷新流程。

在只有一個刷新包時，按照圖4的流程圖完成。如果有多個刷新包，將循環執行“刷新及校驗過程”直至完成。如果在刷新準備階段失敗，SOC會重試當前步驟的請求，重試仍然失敗，上報上級保障碼，結束本次刷新。若在刷新及校驗過程出現失敗，MCU將回復否定響應，自身進行回滾，SOC需要在MCU回滾完成后再從本階段最開始進行重試操作。

3 DoIP主從刷新技術應用效果

軟件開發完成后使用Wireshark工具，監控刷新MCU軟件過程，分析每幀報文內容和通信時間，如圖5抓取數據截圖所示。通過測試驗證軟件設計符合需求，整個刷新過程相比CAN總線時間上縮短一半，實現高效刷新的量產目標。

4 結論

本文對ECU內部芯片間的DoIP診斷通信應用進行了研究和實現，詳細闡釋了DoIP技術及其相關通信原理、協議和流程。DoIP技術充分利用了以太網高帶寬和高可靠性的優點，在車載軟件刷新技術中具有重要意義。隨著軟件刷新中DoIP技術在控制器間和控制器之內的應用及普及，將大力推進車載軟件智能化，也很大程度地提高用戶體驗。

參考文獻：

[1]呼布欽，秦貴和，等.下一代汽車網略：車載以太網技術現狀與發展[J].計算機工程與應用，2016（24）.

[2]周洋，姚西峰，王天軍，等.基于DoIP的終檢線模擬測試系統[J].汽車實用技術，2020（3）：130-133.

[3]Road vehicles-Diagnostic communication over Internet Protocol（DoIP）-Part 1： General information and use case definition： ISO 13400-1：2011[S].2011.

[4]Road vehicles-Diagnostic communication over Internet Protocol（DoIP）-Part 2： Transport protocol and network layer services： ISO 13400-2：2012[S].2012.

[5]Road vehicles-Unified diagnostic services（UDS）-Part 1： Specification and requirements： ISO 14229-1：2013[S].2013.