车载以太网DOIP协议浅析

智能汽车电子与软件 2024-01-30 16:01

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DoIP 不用做独立的应用层协议，被 ISO在ISO 13400系列文档中被标准化。该协议被视为TCP/IP与更高级别协议，如ISO 14229（UDS）之间的接口。换句话说，DoIP是诊断请求和响应通过TCP/IP网络传输的容器。目前现正式发布的的文档共有4份，各部分文档和OSI参考模型之间的关系如下表格所示。

DoIP协议的主要作用是将车载网络技术与外部测试设备分离开来，并帮助汽车企业使用与立法诊断协议兼容的高效通信技术，且DoIP协议还适用于物理层和数据链路层，如上表所示。如果支持DoIP的节点具有Internet连接，则该节点支持使用基于IEEE 802接口连接的联机远程诊断。

与OSI参考模型分层相对应，各文档有不同的使用范围如下。ISO13400-1包含了常规信息，定义了DoIP的应用场景等。ISO 13400-2描述了传输层和网络服务，包含了协议不同的通信阶段，是协议主要部分。ISO 13400-3是专门描述给基于IEEE802.3的以太网有线传输文档。ISO 13400-4是用于描述基于以太网的高速数据链路连接器的文档，也包含车辆OBD接口定义。

DoIP应用场景

在ISO13400-1中，概述了指导协议设计的用例，并描述了许多典型的通信场景，其中，主要描述了以下4种应用场景。

1、单个测试设备与单个车辆之间的物理介质连接

2、单个测试设备与单个车辆之间的网络连接

3、单个设备与多辆车之间的网络连接

4、多个测试设备与单个车辆之间的网络连接

该文档描述的应用场景主要是为满足传统汽车的基础诊断功能而设计的，将诊断场景的重点放在车载网络与车辆紧邻的外部设备之间的通信上（通过LAN或WLAN技术连接的移动设备），在车联网环境下的汽车需要将文档中提到的场景进行扩展，甚至需要提出更复杂的汽车网络连接方式，即通过真正的互联网络（路由等）相互连接，并利用如Internet，在远离车辆的情况下进行车辆诊断，从而实现智能网联汽车丰富的功能需求。

目前以汽车企业TSP平台为基础的车联网架构衍生的功能可能包括：TSP系统管理、车辆信息管理、报表管理、终端管理、车辆信息统计、车辆控制、位置监控、状态监控、运营商管理、外部系统对接、终端国标协议管理、车主终端手机APP功能、AI诊断服务平台、终端应用商城、经销商端藏销贺庭系统、特殊太客户产品规划等。

综合智能网联汽车丰富实用场景和汽车设计开发的需求，确定了5种主要用例群：

1、预定义的信息请求（例如车辆健康状态监控或道路适应性评估等）

2、车辆检查和维修（例如车辆故障诊断和维修检测提醒等）

3、车辆控制器软件重编程（例如车辆维修时的软件升级和使用过程中的OTA等）

4、车辆控制器产线的检查和准备（例如车辆生产时控制器软硬件版本号和车辆配置等信息写入，以及钥匙学习等）

5、车辆之间的多用途数据传输，涉及车辆与外部设备之间的数据交换（通过诊断功能），外部设备可能包括手机等移动终端和云平台。

DoIP网络逻辑图

一般来说，在工程师或者售后人员控制下的网络节点被称为外部测试设备（External Test Equipment），外部测试设备向车辆发送诊断请求，然后等待被诊断车辆的响应。但是在智能网联汽车丰富的使用场景中，诊断测试设备可能出现布置在车辆内部的情况，对车辆进行诊断，如OTA技术和远程诊断，在这些使用场景中，诊断测试设备会作为车辆节点或与将此功能集成在其他节点中。

DoIP诊断测试设备可以是任何具有DoIP功能且有足够强大存储和处理能力的终端，如个人电脑，笔记本电脑或手机等，在车联网场景下，测试设备的角色则可能是TSP平台或者车内某个控制器承担。被测节点可以是网络中另外一个具有DoIP功能的节点。ISO 13400对将DoIP系统中不同作用的的节点做了分类：

DoIP实体（DoIP Entity）：DoIP实体是实现DoIP协议的网络节点（例如DoIP节点或DoIP网关）。

DoIP网关（DoIP Gateway）：DoIP网关是一个网络节点，它实现DoIP协议，从而提供对其自身及其连接的车辆子网的ECU的访问。

DoIP节点（DoIP Node）：DoIP节点是一个网络节点，该节点实施DoIP协议以提供对其自身的访问，但不将DoIP协议数据路由到车辆子网。

DoIP边缘节点（DoIP Edge Node）：DoIP边缘节点是连接ISO 13400-3中定义的以太网激活线的节点。

外部测试设备（External Test Equipment）：支持DoIP协议的车辆外部主机，能够通过DoIP协议访问车辆子网和车内DoIP实体。

车载测试设备（In-Vehicle Test Equipment）：具有与外部测试设备相同功能的车辆内部诊断测试设备。

下图展示了DoIP系统车辆内部和外部网络逻辑图。

DoIP系统物理层和数据链路层

车载以太网的物理介质连接可使用符合IEEE 802.3 100BASE-TX的连接和一条激活线的组合。在ISO 13400-1的使用场景定义中，网络配置存在一条和多条以太网链路的情况，也可能包含无线链路，无线链路的情况。

以太网电缆本质上是一种专用介质，如果对介质屏蔽不好，存在通过读取传输介质辐射监听通信数据的风险。且由于车辆电子系统复杂的工况和较高的EMC要求，辐射还可能会影响车内其他电子系统的正常工作。

另一方面，以太网控制器的功耗较大，长时间保持工作增加汽车电子系统的消耗。综上，通过车载DoIP边缘节点和测试设备之间的激活线来控制DoIP边缘节点，从而实现节点内以太网控制器的启动，能在一定程度上解决上述问题。下图为车辆内部和测试设备连接简化图，展示了以太网电缆和激活线的连接方式。

以太网诊断接口可采用RJ45连接器，其电缆规格要求在五类线以上。DoIP边缘节点作为直接与外部测试设备连接的车内节点，需要支持检测物理连接的通断，并通知通信层相关的时间信息，且必须在支持IEEE 802.3中规定的100BASE-TX标准同时也需要支持10BASE-T标准10Mbit/s的连接，旨在作为无法在两个以太网接口之间建立100Mbit/s连接的环境中的备选方案，在这种情况下，依然可以降低速度建立连接。

以太网控制器激活时序

激活线对以太网控制器的控制是通过激活线电压变化实现的，下图展示了激活线激活电压的阈值和时序图，测试设备通过控制激活线电压变化来激活和停用DoIP边缘节点中的以太网控制器。