張政

摘 要：隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的不斷發(fā)展，車輛對(duì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求越來(lái)越高，因此車載以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了車載以太網(wǎng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用過(guò)程，著重研究了車載以太網(wǎng)的DoIP診斷通信技術(shù)，剖析了DoIP技術(shù)對(duì)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這四個(gè)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的需求以及DoIP數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：車載以太網(wǎng) DoIP技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)層級(jí)

Research on DoIP Technology of Vehicle Ethernet

Zhang Zheng

Abstract：With the continuous development of automobile intelligence and networking， the demand for data transmission bandwidth of vehicles is getting higher and higher， so in-vehicle Ethernet came into being. This article introduces the characteristics of automotive Ethernet and its application process， focuses on the DoIP diagnostic communication technology of automotive Ethernet， and analyzes the requirements of DoIP technology for the four network levels of transmission layer， network layer， data link layer and physical layer， and the structure of DoIP data.

Key words：car ethernet， DoIP technology， network level

1 引言

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的不斷發(fā)展，汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、高性能車載娛樂(lè)系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及云服務(wù)等新技術(shù)已在車輛上應(yīng)用，使得車輛上的軟件變得越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的車載CAN總線通信速率最大僅1Mbit/s，顯然無(wú)法滿足新技術(shù)對(duì)車輛數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求。從而急需一種高帶寬、開(kāi)放性好、兼容性強(qiáng)、可靠性高、同時(shí)又滿足車載嚴(yán)格法規(guī)要求的車載網(wǎng)絡(luò)，因此，一種新型網(wǎng)絡(luò)車載以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。車載以太網(wǎng)是一種通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)去連接車內(nèi)的各電子控制單元 （ECU）的局域網(wǎng)技術(shù)，與普通民用以太網(wǎng)的四對(duì)非屏蔽雙絞線不同，車載以太網(wǎng)可以用一對(duì)非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)100Mbit/s甚至1000Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)能夠滿足其他性能方面的要求。

2 車載以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

目前常用車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有：控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）、汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議（FlexRay）、面向媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）等。其中LIN總線是一種低成本串行總線，最大通信速率為20kb/s。CAN總線主要用于車輛控制數(shù)據(jù)傳輸，目前應(yīng)用最廣泛，最大通信速率為1Mb/s，但LIN和CAN 的帶寬都太低，并不適用于ADAS 等技術(shù)的應(yīng)用。FlexRay具有通信速率較高、實(shí)時(shí)性好、容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其通信速率最大為10Mbit/s，主要用于線控系統(tǒng)。MOST是專門(mén)為汽車多媒體系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)，其最大通信速率為150Mbit/s，但只用一種環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍受限。

車載以太網(wǎng)具有高帶寬、低延遲、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，因此，被行業(yè)公認(rèn)為是下一代車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但短期內(nèi)還無(wú)法全部取代現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)。車載以太網(wǎng)在汽車上的應(yīng)用會(huì)有一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，大致可分為三個(gè)過(guò)程：局部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、架構(gòu)級(jí)別應(yīng)用。局部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是指在車輛的某個(gè)子系統(tǒng)上局部應(yīng)用車載以太網(wǎng)技術(shù)，如基于DoIP協(xié)議的診斷通信技術(shù)、基于IP協(xié)議的攝像頭等;子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是指構(gòu)建車載以太網(wǎng)子系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的功能，如基于AVB協(xié)議的信息娛樂(lè)系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)等;架構(gòu)級(jí)別應(yīng)用，將多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，以車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)，連接車輛動(dòng)力域、底盤(pán)域、車身域及娛樂(lè)域等功能域，形成整車級(jí)車載以太網(wǎng)架構(gòu)。本文將著重研究車載以太網(wǎng)局部網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的DoIP診斷通信技術(shù)。

3 DoIP診斷通信技術(shù)研究

長(zhǎng)期以來(lái)，車載診斷通信技術(shù)是以CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主的，但是CAN 網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制了診斷設(shè)備與ECU之間的通信速率，尤其在刷新軟件/標(biāo)定等數(shù)據(jù)傳輸量較大的時(shí)候，通信時(shí)間亟待提高?；谝蕴W(wǎng)的DoIP診斷通信技術(shù)充分利用了以太網(wǎng)高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，使診斷設(shè)備與ECU之間建立起高通信速率的傳輸通道，實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)和UDS協(xié)議的診斷通信。DoIP技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）通信速率高，可達(dá)到了100 Mbit/s;（2）成本低，使用成熟的以太網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)硬件組件，如CAT5線纜和RJ-45接口等;（3）不再需要車輛通信接口（VCI），只需要一根能將車輛OBD接口連接到一個(gè)普通的以太網(wǎng)RJ-45接口的特殊電纜;（4）DoIP技術(shù)可以完美匹配IT基礎(chǔ)設(shè)施，使遠(yuǎn)程診斷成為可能。目前DoIP技術(shù)的應(yīng)用已成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，研究DoIP技術(shù)勢(shì)在必行。

3.1 DoIP技術(shù)概況和應(yīng)用場(chǎng)景

DoIP是Diagnostic communication over Internet Protocol的簡(jiǎn)稱，即通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行診斷通信。OSI模型將數(shù)據(jù)通信分為七層，DoIP技術(shù)由ISO13400系列標(biāo)準(zhǔn)定義，作為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)診斷通信的方案，ISO13400標(biāo)準(zhǔn)定義了傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這四個(gè)層級(jí)。

整個(gè)DoIP診斷網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由車輛上所有的DoIP實(shí)體與外部的測(cè)試設(shè)備組成。DoIP的主要應(yīng)用場(chǎng)景有三個(gè)：

①售后車輛檢修：在維修廠里，外部的診斷設(shè)備不需要使用傳統(tǒng)ALDL診斷口硬線連接，直接通過(guò)TCP/IP協(xié)議與車輛建立聯(lián)系，并按照順序?qū)⒄?qǐng)求發(fā)送給車輛DoIP實(shí)體，車輛ECU則可靠地反饋出實(shí)時(shí)的錯(cuò)誤追溯信息。②工程、制造或售后軟件刷新：外部刷新設(shè)備通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行安全訪問(wèn)與車輛建立通訊，并根據(jù)規(guī)定的刷新流程向車內(nèi)各ECU傳輸并寫(xiě)入軟件或標(biāo)定數(shù)據(jù)。一般工程的開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)的是設(shè)備與DoIP實(shí)體的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)刷新，而制造產(chǎn)線采取的則是設(shè)備對(duì)整車所有ECU同時(shí)進(jìn)行并行刷新。③制造裝配線檢修：在制造裝配線環(huán)節(jié)，外部檢測(cè)設(shè)備會(huì)按照指定順序，對(duì)接入IP網(wǎng)絡(luò)的車輛進(jìn)行終檢工位的完整性測(cè)試。與售后檢修不同，制造裝配線的外部檢測(cè)設(shè)備通常會(huì)與整車多個(gè)ECU的DoIP實(shí)體進(jìn)行連接和并行通訊。

3.2 傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)

在網(wǎng)絡(luò)層方面，DoIP技術(shù)僅使用IPv6協(xié)議，但為了向后兼容，也支持IPv4協(xié)議。同時(shí)，IPv6需支持鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（NDP），IPv4需支持地址解析協(xié)議（ARP），NDP和ARP是在只知道主機(jī)的IP地址時(shí)確定主機(jī)的硬件（MAC）地址的方法，它們還用于驗(yàn)證另一臺(tái)主機(jī)是否正在使用一個(gè)IP地址。

在傳輸層方面，DoIP技術(shù)必須同時(shí)支持傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）。TCP是一種面向連接的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)上的應(yīng)用程序可以彼此建立連接，通過(guò)這些連接可以交換數(shù)據(jù)，該協(xié)議保證了發(fā)送方到接收方數(shù)據(jù)的可靠有序傳遞。TCP還提供了流控制和擁塞控制，并提供了各種算法來(lái)處理?yè)砣陀绊懥骺刂?。UDP是一種無(wú)連接的用戶協(xié)議，UDP沒(méi)有提供TCP那樣的可靠性和排序保證，數(shù)據(jù)包可能會(huì)無(wú)序到達(dá)，或者可能在沒(méi)有通知發(fā)送方或接收方的情況下丟失，但UDP的速度更快、更高效。

DoIP數(shù)據(jù)是層層向下傳遞的，直至構(gòu)成完整的以太網(wǎng)幀，通過(guò)物理層的介質(zhì)傳輸出去。DoIP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括5個(gè)部分：

①ISO13400版本信息，占1個(gè)字節(jié);

②ISO13400版本信息的位取反值，占1個(gè)字節(jié);

③數(shù)據(jù)類型，占2個(gè)字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)該幀數(shù)據(jù)的用途，常用數(shù)據(jù)類型有0x8001， 0x8002， 0x8003指診斷消息、診斷消息正響應(yīng)和診斷消息負(fù)響應(yīng);

④數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，占4個(gè)字節(jié)，標(biāo)識(shí)后面的實(shí)際診斷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;

⑤診斷數(shù)據(jù)，占用最大字節(jié)數(shù)為4294967296，實(shí)際診斷數(shù)據(jù)可以少于最大字節(jié)數(shù)，診斷數(shù)據(jù)又包括源地址、目標(biāo)地址和診斷命令，其中診斷命令是指UDS或OBD中規(guī)定的具體的診斷請(qǐng)求或響應(yīng)。

3.3 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層需求

在物理層方面，DoIP技術(shù)需支持IEEE 802.3 定義的100BASE-TX （100 Mbit/s Ethernet） 和10BASE-T （10 Mbit/s Ethernet）兩種標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)兩個(gè)以太網(wǎng)接口之間100Mbit/s網(wǎng)絡(luò)無(wú)法建立時(shí)，10Mbit/s的低速網(wǎng)絡(luò)會(huì)作為備用方案啟動(dòng)，DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置變壓器線圈以滿足對(duì)1500V電壓1min以上的隔離。

在數(shù)據(jù)鏈路層方面，DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)需支持10 Mbit/s和100 Mbit/s以太網(wǎng)，DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)在建立連接時(shí)，應(yīng)支持自動(dòng)握手及自動(dòng)協(xié)商以保證端口使用相同的傳輸速率及單雙工模式等。測(cè)試設(shè)備需支持100Mbit/s標(biāo)準(zhǔn)和線序自適應(yīng)功能，設(shè)備可以自動(dòng)檢測(cè)連接到自己接口上的網(wǎng)線類型，并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了實(shí)現(xiàn)激活和停用以太網(wǎng)控制器的功能，物理層上需增加一根以太網(wǎng)激活線，這樣有助于減少電磁干擾和減少DoIP邊緣節(jié)點(diǎn)的功耗。以太網(wǎng)激活和停用電壓閾值和和時(shí)間如圖2所示，以太網(wǎng)的激活電壓閾值是5V，停用電壓閾值是2V，達(dá)到閾值并且持續(xù)時(shí)間在200ms以上，則可實(shí)現(xiàn)激活或停用功能。

DoIP技術(shù)診斷口有兩種針腳布局定義，第一種是3&11&12&13四個(gè)針腳用于以太網(wǎng)診斷，而1&9兩個(gè)針腳用于CAN診斷，可解決主機(jī)廠已占用1&9針腳的沖突。第二種是1&9&12&13四個(gè)針腳用于以太網(wǎng)診斷，而3&11兩個(gè)針腳用于CAN診斷，可解決主機(jī)廠已占用3&11針腳的沖突，兩種針腳布局方式的針腳8都定義為以太網(wǎng)激活線的針腳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)車載以太網(wǎng)的DoIP診斷通信技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)闡述了DoIP技術(shù)對(duì)其所涉及的四個(gè)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的需求。DoIP技術(shù)充分利用了以太網(wǎng)高帶寬和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，使外部診斷設(shè)備與ECU之間能夠進(jìn)行可靠的高速率的數(shù)據(jù)傳輸，在車載診斷技術(shù)中具有巨大的意義。

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