汽车以太网-DoIP ISO13400-1

t007

首先要说明一点， 这篇文章标题中所使用的“汽车以太网”和“DoIP”这两个概念的名称其实是不够严谨的，让我们先从OSI互联模型说起。任何网络设计都是在OSI七层模型（由下至上分为物理层、数据链路-层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层）的框架下进行设计的，只是针对特定的网络应用，并不是每一层都需要进行定义。“以太网”这个概念其实只涉及网络七层模型中的物理层和数据链路层定义。DoIP全称是Diagnostic Communicaiton over Internet Portocol，即使用IP协议进行的诊断通信，但IP协议只对应7层模型中的网络层协议。而任何一个完整的网络设计，都需要对所有OSI七层模型中的每一层所使用的协议进行说明，如下图所示：





       由以上2张图可知，如果要完整地对DoIP所使用的7层协议进行描述，应该这样描述：物理层使用IEEE 100Base-T1或者100Base-Tx、数据链路层使用MAC+VLAN、网络层使用IP协议、传输层使用TCP/UDP协议、会话层使用ISO14229-2、表示层由整车厂自行定义（这点就是笔者上述所说的，对于某一个具体的网络应用，并不是七层模型中的每一层都必须有标准的定义，可以没有定义也可以自行定义）、应用层使用ISO14229-1和ISO14229-5。但以上的这种描述虽然完整、准确和严谨，但显然太啰嗦了，不便于使用。这里需要提醒大家在平时的工作和学习中注意一点，很多技术概念的名称都很简洁，其目的是便于使用，比如“车载以太网”和“DoIP”，但我们必须理解这个技术概念背后的真实含义是什么，否则很容易被误导，并产生理解和应用的偏差。ISO13400标准的目的是给使用IP协议进行通信的汽车诊断系统定义通用的技术需求，它对OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和传输层这4层进行了相应的定义。这篇文章，笔者对ISO 13400标准的第一部分进行介绍。

ISO13400-1：概述及使用场景定义。

1、诊断功能的使用场景

DoIP诊断的使用场景与使用CAN总线的汽车诊断系统没有什么区别，主要使用场景包括

1）故障排查及维修；2）电子控制单元的软件刷写和下线配置；

2、外部诊断设备与车辆进行诊断通信的不同连接方式

1）一个外部诊断设备与一辆车进行点对点直接连接，如下图所示。



上图中，1为连接线缆，例如DoIP物理层使用的100Base-Tx两对双绞线。2为外部诊断设备。3为车辆。4为网络逻辑连接。

2）一个外部诊断设备与一个车辆通过网络设备中转的点对点连接， 如下图所示：



在上图中，笔记本电脑4与车辆6、平板电脑5与车辆7也都是点对点连接，但它们的网络连接需要通过以太网交换机1进行中转，而不是直接连接。在这种网络连接场景下，外部诊断设备需要有能力在网络中识别特定的车辆并与其建立网络通讯。车辆也必须能够处理和拒绝其它诊断设备的连接请求，以保证当前的网络通信不受到干扰。诊断设备和车辆都需要有能力加入到一个现存的IP网络中，包括网络层相关参数的自动协商。

3）一个外部诊断设备与多个车辆通过网络设备中转的连接，如下图所示：



在上图中，诊断设备4通过网络同时与车辆6和车辆8建立连接。在这种网络连接场景下，外部诊断设备必须能够同时支持多个网络逻辑连接。这种场景的典型应用是需要通过一个诊断设备同时刷新多个车辆的控制器软件。

4）一个车辆与多个诊断设备（或者一个诊断设备上的多个诊断应用程序）通过网络设备中的连接，如下图所示：



在上图中，诊断设备4中的两个诊断应用程序同时与车辆8建立网络连接，诊断设备5和诊断设备6同时与车辆9建立网络连接。在这种网络连接应用场景下，车辆必须有能力支持与多个外部诊断设备的网络连接。车辆需要清楚地区分不同网络连接中的诊断请求和诊断响应。诊断设备或者诊断设备上运行的诊断应用程序必须能够识别出与它建立网络连接的车辆已经同时与其它诊断设备或应用程序建立了网络连接，从而可能导致这辆车的某些诊断服务是不能同时被支持的。这种场景的典型应用是在汽车的生产阶段，一个诊断设备需要刷新车辆控制器软件，而另外一个诊断设备需要进行车辆故障检测。

三、网络特性参数

ISO13400-1的最后一部分介绍了几种网络特性的定义，以及在上述4种网络连接场景下网络特性的比较。

1、丢包：网络通信中数据包的丢失（例如由于地址错误、数据损坏、过载引起的丢包）。诊断设备与车辆网络通信中的丢包越多，则数据包的重新传输（例如传输层使用TCP协议）或者应用程序必须重新执行（例如传输层使用UDP协议），这样才能确保数据包的成功传输。

2、延迟和抖动

延迟：数据包从发送方到接收方的传输延迟大小取决于网络拓结构和网络中所包含的路由器的数量。抖动：一些数据包的传输时间由于使用相同或不同的网络路径传输而产生的变化。

3、顺序打乱

由于数据包可能选择不同的网络路径进行传输，接收方的接收顺序和数据包的发送顺序可能会不同。如果传输层使用UDP协议，则由应用层程序确保数据包的顺序；如果传输层使用TCP协议，则接收方会对数据包进行重新排序来保证正确的接收顺序，但这会导致后续的数据包产生接收延迟。

4、传输速率：这个网络特性体现了可用的网络带宽和网络的数据吞吐量。外部诊断设备和车辆之间包含的所有网络都要分别计算传输速率。

针对以上4个网络特性，网络连接的场景越简单则网络特性越好，这一点是显而易见的，笔者不再赘述。