基于以太網(wǎng)的商用車診斷功能實(shí)現(xiàn)方法

李 娜，杜 彬，田 彬

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在商用車電子領(lǐng)域的快速崛起，商用車電子技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。傳統(tǒng)的商用車電子網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用較多的總線是CAN總線和LIN總線，其中CAN最大的傳輸速率可達(dá)1Mb/s，LIN最大的傳輸速度是20kb/s。

由于車載網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不斷的增長，傳統(tǒng)的汽車通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的汽車電子控制功能需求，因此引入了車載以太網(wǎng)。車載以太網(wǎng)具有高帶寬、低延遲以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的商用車診斷軟件系統(tǒng)是以CAN總線技術(shù)為主，CAN網(wǎng)絡(luò)的帶寬很大程度上限制了診斷設(shè)備和車載控制器之間的通信速率。基于以太網(wǎng)的診斷系統(tǒng)開發(fā)主要采用DoIP診斷通信技術(shù)，DoIP具有通信速率高、成本低和易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，DoIP技術(shù)在商用車診斷功能開發(fā)上的應(yīng)用已經(jīng)成為必然的趨勢。

1 基礎(chǔ)知識介紹

DoIP（Diagnostic communication over Internet Protocol）是基于IP的診斷通信協(xié)議，是由ISO 13400系列標(biāo)準(zhǔn)定義的，作為實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的診斷通信方案。基于以太網(wǎng)的診斷服務(wù)相關(guān)的協(xié)議棧如圖1所示。

圖1 診斷協(xié)議棧

診斷協(xié)議棧由以下7層組成。

第1層，物理層：DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)能夠支持IEEE802.3中規(guī)定的100BASE-TX（100Mb/s以太網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)；DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)能夠通過以太網(wǎng)設(shè)備檢測物理連接和斷開（鏈路檢測），并且能夠通知上層通信應(yīng)用。

第2層，數(shù)據(jù)鏈路層：DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)能夠支持100Mb/s以太網(wǎng)（100BASE-TX）；診斷設(shè)備能夠支持IEEE802.3中規(guī)定的100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)；為了提高對不正確連接的以太網(wǎng)電纜的容錯能力，診斷設(shè)備需要能夠支持Auto-MDI（X）功能。

第3層，網(wǎng)絡(luò)層：DoIP實(shí)體都采用Ipv4，符合IETF RFC 792；ARP（地址解析協(xié)議）是僅當(dāng)主機(jī)的IP地址已知時，確定主機(jī)MAC地址的方法，也用于驗(yàn)證IP地址是否被其他主機(jī)使用；ICMP（互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議）是IP的一部分，用于發(fā)送錯誤消息。

第4層，傳輸層：DoIP實(shí)體都需要按照IETF RFC 793標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行TCP協(xié)議；DoIP實(shí)體都需要實(shí)現(xiàn)IETF RFC 768中規(guī)定的UDP。

第5層，會話層：目的是為上層提供統(tǒng)一的接口，使上層應(yīng)用不需要隨著底層通信技術(shù)的變化而改變。

第6層，表示層：在應(yīng)用過程之間傳送的信息提供表示方法的服務(wù)，只關(guān)心信息發(fā)出的語法和語義。

第7層，應(yīng)用層：應(yīng)用層是開放系統(tǒng)的最高層，是直接為應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)的。

DoIP經(jīng)UDS（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)）引入診斷服務(wù)，然后通過TCP傳輸控制協(xié)議、UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議和IP以太網(wǎng)協(xié)議，完成外部的診斷設(shè)備和車載ECU之間的診斷通信。DoIP數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

圖2 DoIP數(shù)據(jù)幀格式

其中，版本協(xié)議是標(biāo)識DoIP數(shù)據(jù)報協(xié)議版本。反向協(xié)議版本是協(xié)議版本的異或，與DoIP協(xié)議版本一起用作協(xié)議驗(yàn)證模式，以確保收到正確的DoIP消息。負(fù)載類型是指通用DoIP報頭后的數(shù)據(jù)（如網(wǎng)關(guān)命令、診斷消息等），主要分為3類：①節(jié)點(diǎn)管理類，主要包括DoIP報頭應(yīng)答、車輛聲明和標(biāo)識、路由激活以及在線檢查；②車輛信息類，主要包括了DoIP的實(shí)體狀態(tài)以及診斷電源模式信息；③診斷數(shù)據(jù)類，主要包括診斷報文。有效負(fù)載長度是指DoIP消息排除通用DoIP報頭以外的有效負(fù)載長度；DoIP負(fù)載包括源地址、目的地址和用戶數(shù)據(jù)。

2 方案實(shí)現(xiàn)

本文中的診斷系統(tǒng)采用DoIP通信協(xié)議，通信流程如圖3所示。診斷儀將DoIP命令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)回復(fù)診斷響應(yīng)確認(rèn)，并且網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會根據(jù)DoIP命令中所提供的目的地址經(jīng)診斷命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的DoIP節(jié)點(diǎn)。DoIP節(jié)點(diǎn)接收診斷請求報文，需要對診斷請求報文進(jìn)行接收確認(rèn)，并且要發(fā)出確認(rèn)響應(yīng)消息。DoIP節(jié)點(diǎn)將回復(fù)信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將來自DoIP實(shí)體的回復(fù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給診斷儀。

圖3 通信流程

2.1 通信流程主要分為7個階段

1）車輛識別：車輛與診斷儀連接包含物理連接以及網(wǎng)絡(luò)連接，連接之后需要通過DHCP尋址或者通過Auto IP尋址，診斷儀和OBD接口獲取分配的IP地址。IP地址配置完成之后，可以建立診斷儀與車輛的以太網(wǎng)通信。使用DoIP_GenericHeaderCheckSyncPattern（）函數(shù)，進(jìn)行協(xié)議模式和版本。

2）車輛選擇：車輛在發(fā)送了包含VIN或者EID的信息之后，診斷儀會根據(jù)VIN或者EID對車輛進(jìn)行識別，并且會根據(jù)診斷儀的上位機(jī)界面來進(jìn)行選擇需要通信的目標(biāo)車輛。

3）建立套接字：為了確保兩個不同的DoIP實(shí)體之間能夠建立正常的診斷通信連接，需要兩個實(shí)體建立套接字，其中套接字主要包括了主機(jī)的端口號和主機(jī)的地址，可以通過識別實(shí)體的IP地址和端口號進(jìn)行診斷連接和通信，套接字支持兩種通信協(xié)議，分別是TCP和UDP。其中，UDP是非連接的協(xié)議，支持單播和廣播；TCP是面向連接的協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)之前，必須建立可靠的連接，所以TCP保證了可靠的1對1通信，僅支持單播，在診斷報文的通信中必須使用TCP協(xié)議。

4）路由激活請求：在建立套接字的過程中，還需要通過激活路由請求來對套接字進(jìn)行注冊激活，路由激活請求將診斷儀的源地址在DoIP網(wǎng)關(guān)的套接字上進(jìn)行注冊，并且進(jìn)行關(guān)聯(lián)源地址與套接字的端口號。所以，路由激活請求保證了診斷儀和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的端到端路由，確保診斷儀與DoIP網(wǎng)關(guān)之間的套接字建立了1對1的關(guān)系。

5）路由激活響應(yīng)：路由激活響應(yīng)使套接字之間建立地址分配和對應(yīng)的通信關(guān)系，通過對邏輯源地址和邏輯目標(biāo)地址進(jìn)行請求和響應(yīng)的識別，保證通道中診斷消息傳輸?shù)恼_性。

6）診斷通信：套接字連接之后，可以進(jìn)行DoIP的診斷通信，診斷通信包含了診斷請求消息、診斷肯定應(yīng)答消息和診斷否定應(yīng)答消息。

7）通信終止：診斷通信完成之后，套接字觸發(fā)一般非活動計(jì)時器，計(jì)時器溢出之后，會自動斷開TCP連接，通過主動關(guān)閉套接字來結(jié)束通信。在實(shí)際的操作中，斷開診斷儀和DoIP實(shí)體的連接就會導(dǎo)致通信終止。

2.2 DoIP的應(yīng)用場景主要包括以下幾點(diǎn)

1）診斷儀與車輛通過TCP協(xié)議建立連接，并且診斷儀把相關(guān)的診斷請求發(fā)送給商用車DoIP實(shí)體，然后根據(jù)商用車內(nèi)ECU的診斷響應(yīng)輸出車輛故障信息。

2）診斷儀根據(jù)規(guī)范中定義的刷寫流程，將已經(jīng)更新完成的程序或者需要標(biāo)定的數(shù)據(jù)寫入控制器中。開發(fā)階段，采用的是點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式將診斷儀與DoIP實(shí)體之間建立聯(lián)系。在車輛已經(jīng)下線之后，需要通過診斷儀與整車進(jìn)行并行的刷寫處理。

3）診斷儀能夠按照規(guī)范中定義的相關(guān)流程，確認(rèn)車輛是否已經(jīng)通過了裝配線的準(zhǔn)備狀態(tài)測試，此時需要診斷儀與整車之間進(jìn)行多個并行的診斷通信。

3 臺架測試

針對以上的應(yīng)用場景，對本文中的診斷系統(tǒng)進(jìn)行以下功能測試，確保該系統(tǒng)能夠滿足商用車診斷功能的要求。

1）車輛聲明功能。控制器上電或者復(fù)位之后，會主動發(fā)送3條車輛聲明報文。車輛聲明功能測試報文如圖4所示。

圖4 車輛聲明功能

2）節(jié)點(diǎn)資源信息查詢。測試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送節(jié)點(diǎn)資源信息查詢請求報文，收到來自控制器的節(jié)點(diǎn)信息響應(yīng)報文。節(jié)點(diǎn)資源信息查詢測試報文如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)資源信息查詢

3）節(jié)點(diǎn)電源信息查詢功能。測試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送節(jié)點(diǎn)電源信息查詢請求報文，收到電源模式響應(yīng)報文，報文的內(nèi)容符合DoIP協(xié)議，返回節(jié)點(diǎn)電源狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)電源信息查詢測試報文如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)電源信息查詢

4）路由激活功能。測試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送路由激活請求報文，收到路由激活響應(yīng)報文，路由激活成功并在此TCP_DATA套接字上注冊源地址。路由激活功能測試報文如圖7所示。

圖7 路由激活功能

5）診斷報文傳輸功能。測試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送診斷請求報文，收到診斷ACK或者NACK報文，報文內(nèi)容符合DoIP協(xié)議。診斷報文傳輸功能測試報文如圖8所示。

圖8 診斷報文傳輸功能

6）報文有效性檢查功能。測試設(shè)備向DoIP實(shí)體發(fā)送不符合協(xié)議的DoIP請求報文，收到DoIP Header NACK報文響應(yīng)，報文內(nèi)容符合DoIP協(xié)議。報文有效性檢查功能測試報文如圖9所示。

圖9 報文有效性檢查功能

4 結(jié)論

隨著汽車電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)有的汽車診斷系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足日益增長的需求。本文提出了基于以太網(wǎng)的商用車診斷軟件系統(tǒng)方案，主要闡述了DoIP的通信流程，并且針對6個主要功能進(jìn)行臺架測試。所有的診斷服務(wù)均可正常處理和響應(yīng)，滿足商用車診斷系統(tǒng)的需求。