基于DoIP协议的诊断刷新系统研究

摘 要：随着软件在汽车领域的占比越来越高，车载软件的通信及刷新速率低的问题逐渐突出。文章介绍了ISO 13400 DoIP协议和ISO 14229诊断协议，分析DoIP帧格式和通信原理，设计刷新过程和诊断通信流程，实现了基于DoIP协议的诊断刷新功能，极大提高了ECU刷新的时间性能和效率。

关键词：以太网 DoIP ECU刷新 诊断协议

随着车联网技术的发展和车载软件日益复杂化，传统的车载CAN总线通信速率无法满足新技术对车辆数据传输带宽的需求，而车载以太网以带宽高、开放性好、兼容性强、可靠性高、同时又满足车载严格法规要求的优势，成为下一代车载网络技术中最有前景的应用[1]。基于以太网的DoIP刷新技术充分利用了以太网高带宽的优点，使设备与ECU之间及ECU内部芯片之间，建立起高通信速率的传输通道，实现基于以太网和UDS协议的通信。本文将重点介绍DoIP诊断刷新系统的研究和实现。

1 DoIP诊断通信原理

1.1 DoIP协议介绍

DoIP（Diagnostic communication over Internet Protocol）是一种基于互联网协议的诊断。基于该诊断协议，主机厂和售后工程可以对车辆进行诊断、刷新等操作[2]。

DoIP协议形成了ISO 13400标准《道路车辆—基于互联网协议的诊断通信（DoIP）》。该标准分成3个部分：

（1）通用信息和用例定义；

（2）传输协议和网络层服务；

（3）基于IEEE802.3的车用有线接口。

即ISO 13400标准介绍了其物理层、数据链路层、传输层、网络层等内容。OSI模型将数据通信分为七层，DoIP是位于OSI模型中的应用层，通过TCP/UDP协议传输。应用层和会话层部分采用ISO 14229实现，物理层与数据链路层遵循ISO 13400标准。具体参考表1所示[3]。

1.2 DoIP报文格式

DoIP协议支持IPv4与IPv6协议，以及对应的地址解析ARP协议、NDP协议以及控制报文协议ICMP。所有统一网段的DoIP都必须使用相同的IP协议版本。由于DoIP在OSI模型中位于应用层，故DoIP报文前要封装ETH首部、IP首部及TCP/UDP首部。DoIP报文包括协议版本号、版本号取反、负载类型、负载长度及DoIP数据。以太网报文封装格式如图1所示。

版本号占1个字节，标识 DoIP 协议版本编号，取值范围为0x00 至 0xFF，通常取 0x02（DoIP 2012）。

版本号取反占1个字节，是版本号与 0xFF 逻辑运算异或的值。如版本号为 0x02，则版本号取反则为 0xFD。版本号取反值与版本号值配合起到协议验证的作用，以确保接收DoIP报文的准确性。

负载类型占2个字节，用于判断数据用途，常用诊断数据类型有0x8001、0x8002和0x8003分别表示诊断消息、诊断消息正响应、诊断消息负响应。

负载长度占4个字节，标识后面的实际诊断数据长度。

负载，占用最大字节数为4Gbytes，实际诊断数据可以少于最大字节数，诊断数据又包括源地址、目标地址和诊断命令，其中诊断命令是指UDS或OBD中规定的具体的诊断请求或响应。

1.3 DoIP诊断通信流程建立

DoIP通信的两端即客户端和服务端，采用套接字（Socket）通信方式，服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定（bind），对端口进行监听（listen），调用accept阻塞，等待客户端连接[4]。此时如果客户端初始化一个Socket，然后连接服务器（connect），如果连接成功，这时客户端与服务端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。TCP Socket交互状态如图2所示。

2 基于DoIP协议的刷新功能设计

2.1 主从刷新流程实现

本文设计的刷新功能，以整车上TBOX为上层主节点，承担刷新发起的任务控制器中的SOC为主节点，MCU为从节点，刷新过程是通过以太网通道和DoIP协议实现，配备专门的VLAN进行通信，不响应其他MAC和IP的DoIP指令。以升级MCU软件为例，整个交互流程如图3所示。

SOC控制MCU升级的流程并监控其升级状态，SOC可以根据版本判断是否需要升级MCU，如果不需要升级则直接返回升级成功。SOC根据当前状态计算升级进度，并将进度反馈给上层主节点。

2.2 DoIP诊断报文设计

如2.2章节所述，DoIP发送的诊断报文有三类，分别为诊断消息（0x8001），诊断肯定应答（0x8002）和诊断否定响应（0x8003）。其中SOC作为客户端，需要支持0x8001的发送以及0x8002和0x8003的解析处理，MCU作为服务端，需要支持0x8001的解析和发送，以及0x8002和0x8003的发送。

DoIP诊断通信流程和CAN不一样，CAN是一条诊断请求对应一条诊断响应，但DoIP遵循如下流程：

SOC发送一条诊断请求（0x8001），该请求中搭载了UDS诊断数据，MCU收到后对DoIP报头、诊断数据长度等做判断，先返回一个DoIP层的响应，如果各个条件都满足，则返回肯定响应（0x8002），否则返回否定响应（0x8003）。

当MCU返回肯定响应后，再将诊断请求报文中搭载的UDS诊断信息上报给UDS应用程序进行处理，处理完成后，不论是UDS肯定响应还是UDS否定响应，都用诊断报文（0x8001）将UDS诊断响应数据发送给SOC，至此一次诊断数据交互才完成。

2.3 刷新服务实现

软件刷新过程，在主节点SOC和从节点MCU之间交互，各自解析报文，再根据诊断服务流程做出响应[5]。图4为详细刷新流程。

在只有一个刷新包时，按照图4的流程图完成。如果有多个刷新包，将循环执行“刷新及校验过程”直至完成。如果在刷新准备阶段失败，SOC会重试当前步骤的请求，重试仍然失败，上报上级保障码，结束本次刷新。若在刷新及校验过程出现失败，MCU将回复否定响应，自身进行回滚，SOC需要在MCU回滚完成后再从本阶段最开始进行重试操作。

3 DoIP主从刷新技术应用效果

软件开发完成后使用Wireshark工具，监控刷新MCU软件过程，分析每帧报文内容和通信时间，如图5抓取数据截图所示。通过测试验证软件设计符合需求，整个刷新过程相比CAN总线时间上缩短一半，实现高效刷新的量产目标。

4 结论

本文对ECU内部芯片间的DoIP诊断通信应用进行了研究和实现，详细阐释了DoIP技术及其相关通信原理、协议和流程。DoIP技术充分利用了以太网高带宽和高可靠性的优点，在车载软件刷新技术中具有重要意义。随着软件刷新中DoIP技术在控制器间和控制器之内的应用及普及，将大力推进车载软件智能化，也很大程度地提高用户体验。

参考文献：

[1]呼布钦，秦贵和，等.下一代汽车网略：车载以太网技术现状与发展[J].计算机工程与应用，2016（24）.

[2]周洋，姚西峰，王天军，等.基于DoIP的终检线模拟测试系统[J].汽车实用技术，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.