ISO 15765-2 (ISO-TP)

概述

ISO 15765-2，也稱為ISO-TP，是一種專門為CAN上的診斷通訊定義的傳輸協議。它廣泛應用於汽車工業，例如作為UDSonCAN（ISO 14229-3）或排放相關診斷服務（ISO 15031-5）的傳輸協議。

ISO-TP可用於基於CAN CC（又名經典CAN）和CAN FD（具有靈活資料速率的CAN）的網路。它也被設計為與使用SAE J1939作為資料鏈路層的CAN網路相容（但這並非強制要求）。

使用的規範

• ISO 15765-2:2024 : 道路車輛 - 基於控制器區域網 (DoCAN) 的診斷通訊。第 2 部分：傳輸協議和網路層服務。

定址

在其最簡單的形式中，ISO-TP基於連線到同一網路的節點的兩種定址模式

• 物理定址由兩個節點特定的地址實現，用於1對1通訊。

• 功能定址由一個節點特定的地址實現，用於1對N通訊。

可以採用三種不同的定址格式

• “normal”：每個地址都簡單地由一個CAN ID表示。

• “extended”：每個地址由一個CAN ID加上CAN有效負載的第一個位元組表示；兩個地址之間的CAN ID和有效負載內的位元組都應該不同。

• “mixed”：每個地址由一個CAN ID加上CAN有效負載的第一個位元組表示；兩個地址之間的CAN ID不同，但附加位元組相同。

傳輸協議和相關幀型別

當使用ISO-TP協議傳輸資料時，有效負載可以容納在一個CAN訊息中，也可以不容納，還要考慮到協議產生的開銷和可選的擴充套件定址。在第一種情況下，資料使用所謂的單幀（SF）一次性傳輸。在第二種情況下，ISO-TP定義了一個多幀協議，其中傳送方提供（透過第一幀 - FF）要傳輸的PDU長度，並請求流控制（FC）幀，該幀提供宏資料塊的最大支援大小（blocksize）以及組成該塊的單個CAN訊息之間的最短時間（stmin）。一旦收到此資訊，傳送方開始傳送包含資料有效負載片段的幀（稱為連續幀 - CF），並在每個blocksize大小的塊後停止，以等待來自接收方的確認，接收方應傳送另一個流控制幀，以通知傳送方其接收更多資料的可用性。

如何使用ISO-TP

與其他CAN協議一樣，ISO-TP堆疊支援內置於用於CAN匯流排的Linux網路子系統，又名。Linux-CAN或SocketCAN，因此遵循相同的套接字API。

建立和基本使用ISO-TP套接字

要使用ISO-TP堆疊，應使用#include <linux/can/isotp.h>。然後可以使用PF_CAN協議族、SOCK_DGRAM型別（因為底層協議在設計上是基於資料報的）和CAN_ISOTP協議來建立套接字

s = socket(PF_CAN, SOCK_DGRAM, CAN_ISOTP);

成功建立套接字後，應呼叫bind(2)將套接字繫結到所需的CAN介面；為此

• 應在提供給呼叫的sockaddr中指定TX CAN ID。

• 還應指定RX CAN ID，除非已透過套接字選項設定了廣播標誌（如下所述）。

繫結到介面後，可以使用常用的read(2)和write(2)系統呼叫以及send(2)、sendmsg(2)、recv(2)和recvmsg(2)來讀取和寫入套接字。與CAN_RAW套接字API不同，只有ISO-TP資料欄位（實際有效負載）由使用者空間應用程式使用這些呼叫傳送和接收。地址資訊和協議資訊由ISO-TP堆疊使用套接字建立期間提供的配置自動填充。同樣，堆疊將在需要時使用傳輸機制（即，當資料有效負載的大小超過底層CAN匯流排的MTU時）。

用於SocketCAN的sockaddr結構具有用於ISO-TP的擴充套件，如下所示

struct sockaddr_can {
    sa_family_t can_family;
    int         can_ifindex;
    union {
        struct { canid_t rx_id, tx_id; } tp;
    ...
    } can_addr;
}

• can_family和can_ifindex與用於其他SocketCAN套接字的目的相同。

• can_addr.tp.rx_id指定接收（RX）CAN ID，並將用作RX過濾器。

• can_addr.tp.tx_id指定傳送（TX）CAN ID

ISO-TP套接字選項

建立ISO-TP套接字時，會設定合理的預設值。可以使用setsockopt(2)修改某些選項，和/或使用getsockopt(2)讀取這些選項。

常規選項

可以使用CAN_ISOTP_OPTS optname傳遞常規套接字選項

struct can_isotp_options opts;
ret = setsockopt(s, SOL_CAN_ISOTP, CAN_ISOTP_OPTS, &opts, sizeof(opts))

其中can_isotp_options結構具有以下內容

struct can_isotp_options {
    u32 flags;
    u32 frame_txtime;
    u8  ext_address;
    u8  txpad_content;
    u8  rxpad_content;
    u8  rx_ext_address;
};

• flags：應用於ISO-TP堆疊預設行為的修飾符。以下標誌可用

  • CAN_ISOTP_LISTEN_MODE：僅偵聽（不傳送FC幀）；通常用作測試功能。

  • CAN_ISOTP_EXTEND_ADDR：使用ext_address中指定的位元組作為附加地址元件。如果單獨使用，這將啟用“混合”定址格式；如果與CAN_ISOTP_RX_EXT_ADDR結合使用，則啟用“擴充套件”定址格式。

  • CAN_ISOTP_TX_PADDING：啟用傳送幀的填充，使用txpad_content作為填充位元組的值。

  • CAN_ISOTP_RX_PADDING：啟用接收幀的填充，使用rxpad_content作為填充位元組的值。

  • CAN_ISOTP_CHK_PAD_LEN：檢查接收幀上正確的填充長度。

  • CAN_ISOTP_CHK_PAD_DATA：根據rxpad_content檢查接收幀上的填充位元組；如果未指定CAN_ISOTP_RX_PADDING，則忽略此標誌。

  • CAN_ISOTP_HALF_DUPLEX：強制ISO-TP套接字進入半雙工模式（即，傳輸機制只能是同時傳入或傳出，而不能兩者兼有）。

  • CAN_ISOTP_FORCE_TXSTMIN：忽略來自接收到的FC的stmin；通常用作測試功能。

  • CAN_ISOTP_FORCE_RXSTMIN：忽略取決於rx stmin的CF；通常用作測試功能。

  • CAN_ISOTP_RX_EXT_ADDR：在接收路徑上使用rx_ext_address而不是ext_address作為擴充套件定址位元組。如果與CAN_ISOTP_EXTEND_ADDR結合使用，此標誌有效地啟用“擴充套件”定址格式。

  • CAN_ISOTP_WAIT_TX_DONE：在從write(2)和send(2)呼叫返回之前，等待直到傳送完幀（即，阻塞寫入操作）。

  • CAN_ISOTP_SF_BROADCAST：使用1對N功能定址（不能與CAN_ISOTP_CF_BROADCAST一起指定）。

  • CAN_ISOTP_CF_BROADCAST：使用1對N傳輸，無需流量控制（不能與CAN_ISOTP_SF_BROADCAST一起指定）。注意：這不在ISO 15765-2標準範圍內。

  • CAN_ISOTP_DYN_FC_PARMS：啟用流控制引數的動態更新。

• frame_txtime：幀傳輸時間（在ISO標準中定義為N_As/N_Ar）；如果0，則使用預設值（或最後設定的值）。要將傳輸時間設定為0，應使用CAN_ISOTP_FRAME_TXTIME_ZERO宏（等於0xFFFFFFFF）。

• ext_address：擴充套件定址位元組，如果指定了CAN_ISOTP_EXTEND_ADDR標誌，則使用該位元組。

• txpad_content：用作傳送幀的填充值的位元組。

• rxpad_content：用作接收幀的填充值的位元組。

• rx_ext_address：接收路徑的擴充套件定址位元組，如果指定了CAN_ISOTP_RX_EXT_ADDR標誌，則使用該位元組。

流控制選項

可以使用CAN_ISOTP_RECV_FC optname傳遞流控制（FC）選項，以提供用於接收ISO-TP PDU的通訊引數。

struct can_isotp_fc_options fc_opts;
ret = setsockopt(s, SOL_CAN_ISOTP, CAN_ISOTP_RECV_FC, &fc_opts, sizeof(fc_opts));

其中can_isotp_fc_options結構具有以下內容

struct can_isotp_options {
    u8 bs;
    u8 stmin;
    u8 wftmax;
};

• bs：在流控制幀中提供的塊大小。

• stmin：在流控制幀中提供的最小間隔時間；可以具有以下值（其他值已保留）

  • 0x00 - 0x7F : 0 - 127 毫秒

  • 0xF1 - 0xF9 : 100 微秒 - 900 微秒

• wftmax：在流控制幀中提供的最大等待幀數。

鏈路層選項

可以使用CAN_ISOTP_LL_OPTS optname傳遞鏈路層（LL）選項

struct can_isotp_ll_options ll_opts;
ret = setsockopt(s, SOL_CAN_ISOTP, CAN_ISOTP_LL_OPTS, &ll_opts, sizeof(ll_opts));

其中can_isotp_ll_options結構具有以下內容

struct can_isotp_ll_options {
    u8 mtu;
    u8 tx_dl;
    u8 tx_flags;
};

• mtu：生成和接受的CAN幀型別，可以等於CAN_MTU用於經典CAN幀，或等於CANFD_MTU用於CAN FD幀。

• tx_dl：傳送幀的最大有效負載長度，可以具有以下值之一：8、12、16、20、24、32、48、64。大於8的值僅適用於CAN FD流量（即：mtu = CANFD_MTU）。

• tx_flags：在幀建立時設定到struct canfd_frame.flags中的標誌。僅適用於CAN FD流量（即：mtu = CANFD_MTU）。

傳輸 stmin

可以使用CAN_ISOTP_TX_STMIN optname強制傳輸最小間隔時間（stmin），並以32位無符號整數的形式提供以微秒為單位的stmin值；這將覆蓋接收方在流控制幀中傳送的值

uint32_t stmin;
ret = setsockopt(s, SOL_CAN_ISOTP, CAN_ISOTP_TX_STMIN, &stmin, sizeof(stmin));

接收 stmin

可以使用CAN_ISOTP_RX_STMIN optname強制接收最小間隔時間（stmin），並以32位無符號整數的形式提供以微秒為單位的stmin值；接收到的連續幀（CF）的時間戳差異小於該值將被忽略

uint32_t stmin;
ret = setsockopt(s, SOL_CAN_ISOTP, CAN_ISOTP_RX_STMIN, &stmin, sizeof(stmin));

多幀傳輸支援

Linux核心中包含的ISO-TP堆疊支援標準定義的多幀傳輸機制，但具有以下約束

• PDU的最大大小由模組引數定義，在構建時施加了硬性限制。

• 當傳輸正在進行時，後續對write(2)的呼叫將阻塞，而對send(2)的呼叫將阻塞或失敗，具體取決於是否存在MSG_DONTWAIT標誌。

• 不支援傳送“等待幀”：PDU是否可以完全接收是在收到第一幀時決定的。

錯誤

以下錯誤會報告給使用者空間

RX路徑錯誤

-ETIMEDOUT	資料接收超時
-EILSEQ	多幀接收期間的序列號不匹配
-EBADMSG	資料接收填充錯誤

TX路徑錯誤

-ECOMM	流控制接收超時
-EMSGSIZE	流控制接收溢位
-EBADMSG	流控制接收佈局/填充錯誤

示例

基本節點示例

以下示例使用“normal”物理定址實現一個節點，RX ID等於0x18DAF142，TX ID等於0x18DA42F1。所有選項都保留為其預設值。

int s;
struct sockaddr_can addr;
int ret;

s = socket(PF_CAN, SOCK_DGRAM, CAN_ISOTP);
if (s < 0)
    exit(1);

addr.can_family = AF_CAN;
addr.can_ifindex = if_nametoindex("can0");
addr.can_addr.tp.tx_id = 0x18DA42F1 | CAN_EFF_FLAG;
addr.can_addr.tp.rx_id = 0x18DAF142 | CAN_EFF_FLAG;

ret = bind(s, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (ret < 0)
    exit(1);

/* Data can now be received using read(s, ...) and sent using write(s, ...) */

更多示例

更完整（和複雜）的示例可以在isotp*使用者空間工具中找到，這些工具作為can-utils實用程式的一部分分發，網址為：https://github.com/linux-can/can-utils