CAN诊断轻松入门：网络层与应用层基本知识讲解

CAN诊断通信是基于OSI参考模型建立的，CAN诊断包含诊断应用层（ISO 15765-3/ISO 14229）、网络层（ISO 15765-2）、数据链路层（ISO 11898-1）和物理层。

1. OSI（Open System Interconnect）

OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。一般都叫OSI参考模型，是ISO组织在1985年研究的网络互联模型。该体系结构标准定义了网络互联的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），即OSI（参考：开放系统互连参考模型_百度百科）。简单地说OSI即同一通信网络中，各个节点共同遵循的一套数据交互模型。

CAN诊断通信是基于OSI参考模型建立的，CAN诊断包含诊断应用层（ISO 15765-3/ISO 14229）、网络层（ISO 15765-2）、数据链路层（ISO 11898-1）和物理层。CAN诊断相关的模型与OSI模型的对照关系如下

图1 CAN诊断相关的模型与OSI模型的对照关系[ISO 15765-2]

2. 网络层

基本介绍

CAN诊断由发送端的请求与接收端的响应构成，诊断即为发送端与接收端数据往来。有的诊断一条消息完成，有的诊断需要多条消息完成，毕竟在诊断中，一条CAN消息只包含8个字节长度。对于一条CAN诊断消息的分段发送问题，即为网络层需要讨论的内容。

网络层的作用可以看作是把CAN诊断通信上层需要传输的数据进行封装准备发送的过程，若数据量小于等于7个字节数据（本文只讨论正常地址模式），则用单帧发送，数据量大于7个字节数据（ISO 15765规定最大传输数据量为4095个字节），则用多帧发送。网络层的作用就好比一堆货物准备发货，货物量少，即使用一辆车托运，货物量多，则需要使用多辆车进行托运。如图2所示，当需要传输的字节小于等于7个字节时，网络层只需将数据封装成一个单帧发送即可；如图3所示，当需要传输的字节大于7个字节时，网络层需要将数据封装成一个首帧加若干个连续帧，然后再发送。

图2 单帧数据发送

图3 多帧数据发送

单帧由于只有一条消息，所以传输比较简单，单帧的数据传输格式如图4所示

图4 单帧发送格式[ISO 15765-2]

单帧

在发送端到接收端的请求仅为一条消息时，即为单帧（SingleFrame），单帧数据格式如图5，单帧第一个字节byte0的高4位为0，第一个字节byte0的低四位为接下来准备传输的数据长度，从第二个字节byte1起为传输的数据。从单帧的数据格式可以看出，真正的数据部分最多为Byte1 ~ Byte7共7个字节长度，即CAN诊断数据发送长度得小于等于7个字节

图5 单帧数据格式

首帧

多帧由至少两条消息构成，第一条为首帧（FirstFrame），从第二条开始的消息称为连续帧（ConsecutiveFrame），接收端需要在收到首帧后回复流控帧（FlowControl）。CAN诊断在传输多帧消息的格式如下

图6 多帧发送格式[ISO 15765-2]

首帧格式如图7所示，首帧第一个字节byte0的高四位为1，第一个字节byte0低四位与第二个字节byte1合起来为接下来传输的数据长度，从第三个字节byte2起为传输数据。

图7 首帧数据格式

连续帧

连续帧格式如图8所示，连续帧第一个字节byte0的高四位为2，第一个字节byte0的低四位为串号（SN），第二个字节byte1起为剩余传出的数据。例如首帧已经传输了Data0，Data1 ...至Data5，则第一个连续帧接着传输Data6，Data7...至Data12，第二个连续帧接着传输Data13， Data14...，以此类推直至所有数据传输结束。

图8 连续帧数据格式

流控帧

从图6多帧发送格式中可以看出， 接收端在收到首帧后，会发出一个流控帧，如图9所示，第一个字节byte0的高四位为3，第四位为FS(FlowStatus)，FS可以为0代表ContinueToSend(CTS)， 1代表Wait(WT)，2代表Overflow (OVFLW)，3 – F 为预留，通常我们遇到的值为0，详细请参考ISO 15765-2。

图9 流控帧数据格式

流控帧的作用在于接收端告知发送端接收能力，包含BlockSize(BS)和SeparationTimeMin(STmin)两个参数，BS表示接收端允许发送端连续发送的最大字节数，STmin表示发送端发送连续帧的最小间隔时间。发送端收到接收端反馈的流控帧后，发送端会按照流控帧给出的接收能力进行发送连续帧，即连续传输的连续帧不超过BS，连续帧的发送间隔时间大于等于STmin。若接收端已经收满BS数量的数据，且与首帧中包含的数据长度对比发现数据还没接收满，则会继续发送流控帧，发送端会接着发送连续帧，以此类推，直至所有数据发送完成。参考图10

图10 流控制机制[ISO 15765-2]

举例

例1：用诊断仪读取某节点ECU的DID 0xF190，诊断仪需要发送0x22 0xF1 0x90共3个字节长度数据，多余字节用0xAA填充，请写出诊断仪的请求数据

【分析】：该例子只需发送3个字节长度数据，所以按照单帧格式发送，第一个字节byte0的高4位为0代表单帧，低4位为len=3，然后后面跟需要发送的数据0x22、0xF1和0x90，最后多余4个字节用0xAA填充，发送格式如下

【答】：诊断仪：0x03 0x22 0xF1 0x90 0xAA 0xAA 0xAA 0xAA

例2：用诊断仪写入某节点ECU的DID 0xF190，诊断仪需要发送0x2E 0xF1 0x90 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F 0x10 共20个字节长度的数据，多余字节用0xAA填充，请写出诊断仪请求过程中与ECU之间的交互数据

【分析】：该例子需要发送20个字节长度数据，大于7个字节，所以需要利用多帧格式，首帧byte0的高4位为1，低4位与byte1为数据长度20，即0x014，后面再跟6个字节0x2E 0xF1 0x90 0x00 0x01 0x02；诊断仪发完首帧后，ECU端需要返回流控帧，byte0的高4位为3；第一个连续帧为byte0的高4位为2，低4位为1，后面跟7个字节0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 ；第二个连续帧为byte0的高4位为2，低4位为2，后面跟7个字节0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F 0x10；

【答】：

诊断仪：0x10 0x14 0x2E 0xF1 0x90 0x00 0x01 0x02

ECU：0x30 BS STmin 0xAA 0xAA 0xAA 0xAA 0xAA

诊断仪：0x21 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09

诊断仪：0x22 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F 0x10

网络层时间参数

CAN诊断的数据传输不仅需要遵从上述格式要求，还有严格的时间要求。网络层涉及的时间参数有N_As，N_Ar，N_Bs，N_Br，N_Cs和N_Cr。这些时间参数在传输过程的对应关系如图11所示。

图11 时间参数对照图[ISO 15765-2]

3. 应用层

基本介绍

诊断应用层是与我们实际运用最为贴切的部分。应用层是将上述网络层所有传输数据去除固有格式(SF, FF, CF标志位、Len，填充位)后剩余Data部分的应用，将Data部分赋予实际意义。网络层考虑的是数据如何传输，应用层考虑的是获取数据中的信息，应用层中的请求(Request)指的是客户端(Client)发送给服务端(Server)的信息，该信息有长有短，可能只有一条单帧消息，也可能是由多帧消息组成；应用层中的响应(Response)指的是服务端(Server)发送给客户端(Client)的信息，该信息有长有短，可能只有一条单帧消息，也可能是由多帧消息组成。这里所指的客户端(Client)在我们日常工作中通常指诊断仪、上位机、测试工具等，服务端(Server)通常指BCM、GW、PEPS等车身电子元器件。标准应用层服务参考ISO 15765-3和ISO 14229-1文件，运用于测试，监控，诊断，车辆在线刷新等场景。

应用层时间参数

应用层在客户端和服务端请求响应过程中包含如下几个重要参数，如下图3-1

图3-1 应用层时间参数表

在客户端与服务端中间有网管(Gateway)传输的情况下，上述参数P2CAN_Client 和P2*CAN_Client需要包含网管传输过程中的传输时间△P2CAN，如下图3-2

△P2CAN = △P2CAN_Req + △P2CAN_Rsp

图3-2 △P2CAN图[ISO 15765-3]

会话层时间参数

CAN诊断具有不同的会话模式，常规的有默认会话模式(defaultSession), 拓展会话模式(extendedSession)，编程会话模(programmingSession),式及其余模式。

图3-3 会话层时间参数[ISO 15765-3]

关于上述应用层及会话层时间参数的详细描述可以参考ISO 15765-3中Figure 3 — Physical communication during default session 至 Figure 12 — Minimum time between physically addressed request messages (P3CAN_Physical)的内容。