入门车载以太网(7) -- DoIP

1.什么是DoIP

2.DoIP和UDS是什么关系

3.DoIP消息格式

4.通信流程示例

[5. 如何保证DoIP的网络安全](#5. 如何保证DoIP的网络安全)

1.什么是DoIP

DoIP全称Diagnostic Over Internet Protocol。

为什么要提这个话题？个人认为这是一个趋势：在智能网联汽车未发展之前，汽车ECU的升级、故障的诊断只能通过车主线下到4S店进行处理；

随着IoT的发展，汽车通过互联网进行连接，这就给OEM和车主极大的方便；当汽车有故障时，OEM通过互联网可以对ECU检索诊断信息，甚至可以进行远程维修；当汽车ECU需要升级时，OEM通过互联网对目标ECU进行升级。

这些功能实现主要依赖DoIP这个协议。

与传统的KWP2000或者DoCAN(Diagnostics on CAN)相比，DoIP具备更高数据传输速率、更高的带宽可加速ECU更新，通过使用现有的以太网基础设施降低了汽车布线的复杂性和成本，也给未来功能扩展提供了灵活性。

2.DoIP和UDS是什么关系

做诊断的朋友对UDS肯定是非常熟悉了。

UDS全称Unified Diagnostic Services，是诊断设备与车辆ECU通信的协议，属于应用层协议，具体可参考ISO 14229-1。它定义了汽车诊断通信的一系列服务，包括读取\清除DTC、读写DID等。UDS独立于物理层，这意味着它可以在不同的通信协议上实现，例如CAN、K-line、FlexRay以及以太网。

DoIP是传输层协议，规定了如何使用以太网技术让诊断设备与车内ECU之间进行通讯。它符合ISO 13400标准，其总体目标是封装UDS （Unified Diagnostic Services）等协议标准的诊断消息，并将其路由到ECU，如下图所示：

DoIP协议定义了如何建立和维护诊断会话、如何发送和接收诊断消息、如何处理错误等。它使用特定的消息格式和通信规则来确保数据的正确传输和解析。换句话说，UDS定义了各种诊断服务的具体内容和行为，而DoIP则负责将这些服务的数据通过IP网络传输。

3.DoIP消息格式

在车载以太网模型中，DoIP位于应用层(Layer 5~7)，拆解出来如下图：

进一步的，DoIP Header和Payload具体包含如下内容：

Protocol Version：用于表示当前使用的DoIP协议版本，例如0x02代表DoIP_ISO13400_2_2012，0x03代表DoIP_ISO13400_2_2019；
Inverse Protocol Version：协议版本的取反；
Payload Type，总结如下表所示：

可以看到，在标准里对DoIP报文的Payload类型分为了四大类：

Generic DoIP header negative acknowledge(0x0000)：当DoIP实体接收到DoIP报文中报头不符合规则时，需回复Generic DoIP header NACK 报文，数据部分仅有1字节，具体错误码如下：

车辆识别(蓝色部分)：该类型报文用于识别网络上被诊断的车辆，通过这类报文可以获取车辆的VIN码、GID(Group Identification)、EID(Entity Identification)、DoIP Entity的逻辑地址等等信息；

路由激活：客户端使用源地址进行路由激活，服务器响应等。

Alive Check：用于维持不同测试设备的连接；

节点信息：用于获取DoIP实体的一般信息，包括诊断电源模式、节点类型(Gateway\Node)、当前实体一次逻辑请求最大可处理数据长度等等；

诊断消息：定义了将诊断消息（即诊断请求）路由到车辆网络并从车辆网络（即诊断响应）返回到客户端DoIP实体的消息格式，具体如下：

4.通信流程示例

在ISO 13400-2-2019中提出了基于DoIP的整车网络架构，如下：

上图中，Clinet1通过以太网与车内边缘节点DoIP Edge Node Gateway 1连接，后续与车内其他节点通信由Gateway进行转发。在外部网络我们看到Client 1有Activation Line与边缘节点连接，它主要用于DoIP的有线连接场景，通过控制电压来激活或停用与车辆诊断相关的通信，从而减少电磁干扰（EMC）和边缘节点的功耗。

在理清DoIP通信流程前，我们先了解几个概念：

Client：与DoCAN一样，Client主要发送诊断请求，它可以是外部任何设备；

DoIP Gateway：该网关主要用于路由诊断请求给车内节点，这样的好处就是车内ECU不一定都要实现DoIP；只要是在车内挂上总线的ECU都有可能被诊断；

Logical Address：诊断网关需要两个有效信息来识别和转发诊断请求和响应，(1)车内ECU诊断的逻辑地址，该ID是在整车网络内要求唯一；(2)网关需要识别总线系统，并将诊断请求或者响应转发至对应总线。

因此，诊断流程可以以一句话概括：DoIP Gateway首先接收Tester的请求,请求包含所需的诊断服务和要诊断的ECU的逻辑地址；Gateway剔除诊断数据包Header，并将其打包成可以目标ECU所在的总线格式进行转发；最后响应给Tester同理。总体框架如下：

进一步，该通信流程可以细化为如下图所示：

这里讨论DoIP有线连接流程：

首先进行物理连接，激活线激活DoIP Gateway相关功能，并IP地址配置，这里通常有DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)和Auto-Configuration两种；
根据标准，有两种方式实现车辆发现，第一种：一旦网络连接成功，DoIP Gateway(Server)会主动发送3次Vehicle announcement message，如上图Alt 1；第二种，Tester(Client)主动发送Vehicle ID request，由DoIP实体响应，如Alt 2；该步骤主要是交换车辆VIN、EID、逻辑地址等等，举例如下：
完成UDP协议的信息交换后，Client与Server建立TCP连接，同时Client发送Routing activation request，该请求由DoIP Gateway解析，如果DoIP报头是有效的，并且接收到的逻辑地址与Tester的配置逻辑地址相匹配，那么Tester和ECU之间的数据路由就会被激活；
接下来就可以进行正常的诊断通信，举例如下：

诊断请求

ACK响应

数据传输

5. 如何保证DoIP的网络安全

在ISO13400-2-2019中提到了使用TLS(Transport layer security)来建立Client和Server之间的安全通信，包括合法性、完整性和机密性，但不是强制实现。

在Client DoIP实体和Server DoIP实体开始通过TLS交换DoIP消息之前，首先在TLS握手中协商安全的TCP连接：双方就TLS协议的版本达成一致，选择通用密码套件，验证证书，并完成TLS会话密钥交换。

不过在车辆发现阶段，使用UDP进行通信也很容易遭受攻击。

随着汽车行业的互联程度越来越高，对网络安全的需求只会增加。未来版本的DoIP可能包括更强大的身份验证和加密机制，以防止网络攻击。