基于IP网络的诊断通信流程分析

1 概述

DoIP全称为基于IP网络的诊断通信Diagnostic communication over Internet Protocol，由ISO 13400标准定义，是基于IP的汽车诊断协议。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诊断经由通用的统一诊断服务UDS协议引入诊断服务，通过传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP和以太网协议IP，完成外部测试设备与ECU间的诊断通信。在OSI 7层模型中，ISO 13400规定了DoIP的传输层、网络层、数据链路层和物理层。应用层和会话层部分和基于CAN总线诊断一样采用ISO 14229实现。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。

2 网络拓扑

下图为未来整车架构的网络拓扑图，根据该拓扑结构，5个域控制器：车身、动力总成、底盘、信息娱乐、高级驾驶员辅助系统ADAS，通过以太网作为主干网连接，每个域内部均可使用不同网络，当域与域之间需要信息交流时，报文可经由域控制器路由转发到目标网络。

注意图中的一些关键信息可参考DoIP中的以下几个关键概念来理解：

DoIP entity（DoIP实体）：实现DoIP协议的节点，即DoIP gateway或者DoIP node；

DoIP gateway（ DoIP网关）：实现DoIP协议，并能进行协议转发的节点；

DoIP node（DoIP节点）：实现DoIP协议，但不能进行协议转发的节点；

DoIP edge node（DoIP边缘节点）：连接以太网激活线的DoIP节点，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。

Network Node（网络节点）：连在IP网络上，但不能实现DoIP的节点。

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

端口：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。我们知道不管是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。

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。

DoIP架构模型必须实现以下特征：

①车辆与测试设备能够加入到网络中并识别对方；②汽车具有声明存在且被检测到的能力；③获取车辆基本状态信息（如Power Mode状态）；④通信建立，如双方通信请求建立，保持，以及对网关的控制等；⑤汽车网关实现诊断设备与车辆子网组件之间的数据路由；⑥错误状态处理。

3 DoIP帧格式

DoIP报文由DoIP报头和Payload（有效载荷）组成，具体如下图所示。

1）DoIP报头包含：DoIP协议版本号，目前为0x02（DoIP

2012）。

2）协议版本号取反，目前为0xFD。注意：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）Payload类型，分为3大类：

①节点管理类，包含DoIP报头否定应答、车辆声明及标识、路由激活、在线检查；

②车辆信息类，包含DoIP实体状态、诊断电源模式信息；

③诊断数据类，包含诊断报文。

关于每个类型的含义如下表所示，具体含义参考标准即可。

4 DoIP状态机和通信流程

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。

5 DoIP通信流程

通信的建立

当一辆车和外部测试设备都连接到DoIP网络中，并且IP地址配置完成，DoIP实体将通过车辆公告信息广播其VIN、EID、GID和逻辑地址3次，外部测试设备通过广播发送车辆识别请求来触发车辆识别响应，从而完成车辆声明及标识步骤。打开Socket（套接字）是外部测试设备向车辆内部DoIP实体发起连接的第一步，必须在交换任何报文前完成，一旦建立了连接，必须执行一些初始化操作。为了激活初始化连接中的路由，外部测试设备将发送一个路由激活请求消息到DoIP实体。如果外部测试设备符合条件，DoIP实体将发送一个路由激活成功的响应，此时就可以对有效的DoIP报文（如DoIP诊断报文）进行转发或处理。DoIP会话示例如下图所示。

报文头的处理

每个DoIP实体（实现了DoIP协议的节点）将按下图中指定的顺序处理所有DoIP报文的通用DoIP报头结构

如果接收到来自DoIP实体不正确的DoIP报文，外部测试设备不得发送通用DoIP报头的否定应答报文。通用DoIP报头否定应答报文只能用于确定先前发送的DoIP报文的错误条件。

审核编辑：郭婷