中科固源深度解析：DoIP 协议原理、应用与安全防护全流程

Payload类型分类

根据ISO 13400标准，DoIP的Payload类型可分为四大类：

1. 通用DoIP头否定确认(0x0000)：当接收到的DoIP报头不符合规则时，用于回复错误信息，数据部分仅有1字节错误码。
2. 车辆发现相关(0x0001-0x0004)：用于识别网络上被诊断的车辆，包括：

1. Vehicle announcement message (0x0001)
2. Vehicle identification request (0x0002)
3. Vehicle identification response (0x0003)
4. Vehicle identification response with EID (0x0004)

1. 路由激活相关(0x0005-0x0008)：

1. Routing activation request (0x0005)
2. Routing activation response (0x0006)
3. Alive check request (0x0007)
4. Alive check response (0x0008)

1. 诊断消息相关(0x8001-0x8003)：

1. Diagnostic message (0x8001)
2. Diagnostic message positive ACK (0x8002)
3. Diagnostic message negative ACK (0x8003)

诊断消息详细格式

对于最常见的诊断消息(Payload Type=0x8001)，其Payload Data部分又细分为三个字段：

1. 源地址(SA)：2字节，标识数据发送方的逻辑地址
2. 目的地址(DA)：2字节，标识数据接收方的逻辑地址
3. 诊断数据：包含实际的UDS诊断请求或响应数据

在DoIP网络中，目的地址(DA)的作用类似于CAN总线网络中的CAN ID，用于寻址目标ECU进行诊断。

消息示例

以下是一个完整的DoIP诊断消息示例：

Byte 0: 0x02 (ISO13400-2:2012协议版本)

Byte 1: 0xFD (协议版本取反)

Byte 2-3: 0x8001 (诊断消息类型)

Byte 4-7: 0x00000007 (数据长度=7字节)

Byte 8-9: 0x0E00 (源地址)

Byte 10-11: 0x1E00 (目的地址)

Byte 12-13: 0x22F810 (UDS诊断命令:读取DID 0xF810)

DoIP在网联汽车中的应用

典型网络架构

支持DoIP的车载网络架构通常分为内部网络和外部网络两部分。内部网络包含各种电子控制单元(ECU)，外部网络则包含诊断测试设备。两者之间通过两组线束交互：一组是以太网线用于数据传输，另一组是激活线用于激活诊断功能。

在车载网络中，必须有且只有一个DoIP边缘节点网关(DoIP Edge Node Gateway)，它作为汽车对外部诊断设备的唯一接口。根据功能不同，DoIP系统中的节点可分为四类：

1. DoIP实体(DoIP Entity)：实现DoIP协议的网络节点，如DoIP节点或DoIP网关
2. DoIP网关(DoIP Gateway)：提供对自身及连接的车载子网ECU的访问
3. DoIP节点(DoIP Node)：仅提供对自身的访问，不路由数据到车辆子网
4. DoIP边缘节点(DoIP Edge Node)：连接以太网激活线的节点

主要功能特性

DoIP协议提供五大关键功能，共同促成基于车载以太网的高速诊断服务：

1. 车辆发现(Vehicle Discovery)：检测目标车辆中的ECU是否在线。诊断仪发送广播式车辆发现报文，ECU响应并提供身份信息(如VIN码、逻辑地址等)。
2. 路由激活(Routing Activation)：与传统网关的"路由"不同，它指诊断仪与被诊断节点间的报文传输。建立TCP连接后必须发送路由激活请求，DoIP节点会验证请求合法性并进行安全认证。
3. 诊断仪在线监测(Diagnostic Online Monitoring)：定期检查TCP连接是否活跃，防止无效占用连接通道。
4. 节点信息(Node Information)：包含节点属性(如支持的并行连接数、最大诊断报文长度、电源状态等)，用于诊断前的兼容性检查。
5. 诊断通信(Diagnostic Communication)：DoIP核心功能，负责诊断报文的传输，每个诊断报文包含源地址、目的地址和诊断数据。

典型通信流程

一个完整的DoIP会话流程通常包括以下步骤：

1. 物理连接：诊断仪与车辆建立物理连接(通常通过RJ45接口)
2. IP地址配置：通过DHCP或自动配置(Auto-configuration)为诊断仪和车辆分配IP地址
3. 车辆发现：

DoIP实体主动发送3次Vehicle announcement message(替代方案1)

或诊断仪发送Vehicle identification request，DoIP实体响应Vehicle identification response(替代方案2)

1. TCP连接建立：诊断仪与DoIP实体建立TCP连接(端口13400)
2. 路由激活：诊断仪发送Routing activation request，DoIP实体验证后响应Routing activation response
3. 诊断服务传输：诊断仪发送Diagnostic message request，DoIP实体处理并返回Diagnostic message response

在整个流程中，DoIP协议使用四个关键端口号：

1. UDP_DISCOVERY(13400)：用于车辆发现
2. UDP_TEST_EQUIPMENT(49152-65535)
3. TCP_DATA(13400)：用于诊断数据传输
4. 动态端口(49152-65535)

DoIP面临的安全威胁

随着DoIP在智能网联汽车中的普及，其面临的安全威胁也日益增多。主要威胁类型包括：

1. 中间人攻击(Man-in-the-Middle, MITM)

攻击方式：

攻击者通过拦截无线通信或入侵车辆网络中间设备截获DoIP通信

伪装成合法通信方欺骗车辆或诊断设备

在通信过程中查看、修改或插入数据

潜在危害：

窃取敏感信息(车辆位置、车主信息、性能数据等)导致数据泄露

伪造或修改诊断数据，导致错误诊断结果和不必要维修

执行恶意操作(禁用车辆功能或危害性能)，威胁驾乘安全

2. 拒绝服务攻击(Denial of Service, DoS)

攻击方式：

DoIP通信流量泛洪

恶意DoIP消息注入

DoIP会话阻塞

潜在危害：

干扰正常诊断通信和维修操作

使车辆无法进行远程诊断或软件更新

严重时可导致系统崩溃，影响行车安全

3. 数据篡改攻击(Data Tampering)

攻击方式：

在传输过程中修改、插入或删除数据

通过中间人攻击或嗅探网络流量实现

潜在危害：

操纵诊断信息导致错误诊断结果

损害车辆功能或性能

非法刷写ECU固件

4. 协议漏洞利用

攻击方式：

利用DoIP协议实现中的缓冲区溢出等漏洞

发送畸形或异常协议数据包

潜在危害：

导致ECU崩溃或重启

获取系统控制权限

破坏诊断功能完整性

实际案例中，通过模糊测试发现，向DoIP协议服务传入特定变异数据包时，会发生崩溃现象(如std::bad_alloc内存分配错误)，这表明协议实现存在潜在漏洞。

DoIP安全防护措施

针对上述安全威胁，可采取多层次防护措施保障DoIP通信安全：

1. 防范中间人攻击

数据加密：使用TLS等加密算法保护DoIP通信，确保数据机密性和完整性

身份验证：实施双向身份验证，使用数字证书保证通信方合法性

网络监控：部署网络监控和入侵检测系统，及时检测可疑活动

2. 防范拒绝服务攻击

流量过滤：使用防火墙和流量过滤技术识别过滤恶意流量

负载均衡：分散流量负载，减轻单点压力

反向代理：作为中间层处理和缓解攻击

容灾计划：建立快速恢复机制，确保遭受攻击后能迅速恢复服务

3. 防范数据篡改

数字签名：对关键诊断数据和固件更新进行数字签名验证

校验机制：实施数据完整性校验(如CRC、哈希值检查)

安全启动：确保ECU只执行经过认证的代码

4. 协议实现安全

输入验证：严格验证所有输入参数和消息字段

内存安全：使用安全编程实践防止缓冲区溢出等漏洞

访问控制：实施最小权限原则，限制诊断功能访问

5. 网络架构安全

网络隔离：将诊断接口与其他车载网络适当隔离

防火墙规则：严格限制进出诊断端口的通信

物理安全：保护诊断接口的物理访问安全

Fuzzing技术在DoIP协议测试中的应用

模糊测试(Fuzzing)是一种通过向目标系统提供非预期输入并监控异常结果来发现软件漏洞的自动化测试技术。在DoIP协议测试中，模糊测试已被证明能有效发现协议实现中的潜在漏洞。

Wisdom测试DoIP协议关键步骤

测试环境搭建：

准备测试主机(Ubuntu22.04)

安装Wisdom

导入DoIP协议测试套件

测试用例生成：

勾选消息模型-》点击自动生成用例-》勾选变异器，如下图所示：

测试执行与监控：

执行测试并添加监控器和测试用例

记录崩溃、断言失败等异常行为

捕获网络流量和系统日志

漏洞分析与验证：

使用"重放"功能精确定位触发漏洞的输入

分析崩溃原因(如内存破坏、资源耗尽等)

提取攻击报文供开发人员修复

测试报告生成：

记录所有发现的漏洞

提供重现步骤和影响评估

建议修复方案

DoIP模糊测试重点方向

针对DoIP协议特点，模糊测试应重点关注以下方面：

协议头字段：

1. 异常协议版本和取反值
2. 无效Payload类型
3. 错误长度字段(过大、过小或负值)

Payload数据：

1. 畸形诊断消息(源/目的地址异常)
2. 超长或特殊字符的诊断数据
3. 非预期Payload类型组合

状态转换：

1. 不按顺序发送协议消息
2. 重复或丢失关键消息
3. 异常终止会话

资源处理：

1. 大量并发连接测试
2. 长时间会话维持
3. 大内存分配请求

Wisdom通过系统化的模糊测试，可以有效发现DoIP协议实现中的各类漏洞，提升车载诊断系统的安全性和可靠性。

总结与展望

DoIP协议作为车载以太网诊断的核心技术，通过标准化IP网络上的诊断通信，为现代汽车提供了高速、高效的诊断能力。其消息格式设计兼顾灵活性和扩展性，支持从车辆发现到诊断通信的完整流程。然而，网络化也带来了中间人攻击、拒绝服务等安全威胁，需要通过加密、认证、监控等多层次措施进行防护。

中科固源自主研发的Wisdom在DoIP协议安全验证中表现出色，能够有效发现协议实现中的潜在漏洞。随着汽车网联化程度不断提高，DoIP协议安全将面临更多挑战，未来可能在以下方向发展：

协议增强：整合更强大的安全机制(如基于硬件的安全元件)

测试自动化：开发更智能的模糊测试工具，结合AI生成测试用例

标准化：完善DoIP安全测试标准和认证流程

纵深防御：将DoIP安全纳入整车网络安全体系，实现协同防护

通过持续改进协议设计和加强安全实践，DoIP将继续为智能网联汽车提供可靠、安全的诊断通信基础。