點擊上方藍字談思實驗室

獲取更多汽車網(wǎng)絡(luò)安全資訊

隨著車輛各系統(tǒng)的控制方式逐步向自動化和智能化轉(zhuǎn)變，車輛電氣系統(tǒng)變得日益復(fù)雜。為滿足各電子系統(tǒng)的實時性要求，須對車輛數(shù)據(jù)（如轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門踏板位置等信息）實行共享，因此車輛通信總線需要不斷進化。如下表所示，車用總線技術(shù)被美國汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers，SAE）下屬的汽車網(wǎng)絡(luò)委員會按照協(xié)議特性分為ABCD四類。

A類總線面向傳感器或執(zhí)行器管理的低速網(wǎng)絡(luò)，它的位傳輸速率通常為10~125 Kb/s。A類總線以LIN（Local  Interconnect Network，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）為代表，是由摩托羅拉與奧迪等企業(yè)聯(lián)手推出的一種新型低成本的開放式串行通信協(xié)議，主要用于車內(nèi)分布式電控系統(tǒng)，尤其是面向智能傳感器或執(zhí)行器的數(shù)字化通信場合。

B類總線面向獨立控制模塊間信息共享的中速網(wǎng)絡(luò)，速率一般為125 Kb/s ~ 1 Mb/s。B類總線以CAN（Controller Aera Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）為代表。CAN網(wǎng)絡(luò)最初是博世公司為歐洲汽車市場開發(fā)的，只用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信，逐漸發(fā)展并完善技術(shù)和功能。

C類總線面向閉環(huán)實時控制的多路傳輸高速網(wǎng)絡(luò)，位速率多為1 ~ 10 Mb/s。C類總線主要用于車上動力系統(tǒng)種對通信的實時性要求比較高的場合，主要服務(wù)于動力傳遞系統(tǒng)。汽車廠商多使用FlexRay作為C類總線。

D類總線面向多媒體設(shè)備、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅芫W(wǎng)絡(luò)，位速率一般在10 Mb/s以上，主要用于CD等播放機和液晶顯示設(shè)備。D類總線帶寬范疇相當(dāng)大，用到的傳輸介質(zhì)也有多種，其又被分為低速（IDB-C為代表）、高速（IDB-M為代表）和無線（Bluetooth為代表）3大范疇。

LIN總線的工作原理是采用單個主控制器，多個從設(shè)備的模型 ，在主從設(shè)備之間只需要一根電壓為12V的信號線。這種主要面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，其最高傳輸速率可達20 Kb/s，應(yīng)用于電動門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制系統(tǒng)。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合使用，降低成本。LIN相對于CAN節(jié)省的成本來自3方面：

1. 采用單線傳輸；
2. 硅片中硬件或軟件的低成本實現(xiàn)；
3. 無須在從屬結(jié)點中使用石英或陶瓷諧振器。

這些優(yōu)點是以較低的帶寬和受局限的單宿主總線訪問方法為代價的。通過CAN網(wǎng)絡(luò)，LIN網(wǎng)絡(luò)還可以和汽車的其它系統(tǒng)進行信息交換，實現(xiàn)更豐富的功能，如下圖所示。

LIN包含一個宿主節(jié)點（Master）和一個或多個從屬節(jié)點（Slave）。所有節(jié)點都包含一個被分解為發(fā)送和接受任務(wù)的從屬通信任務(wù)，而宿主節(jié)點還包含一個附加的宿主發(fā)送任務(wù)。在實時LIN中，通信總是由宿主任務(wù)發(fā)起的。除了宿主節(jié)點的命名外，LIN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不使用有關(guān)系統(tǒng)設(shè)置 的任何信息。可以在不要求其他從屬節(jié)點改變硬件和軟件的情況下向LIN中增加節(jié)點。宿主節(jié)點發(fā)送一個包含同步中斷、同步字節(jié)和消息識別碼的消息報頭，從屬任務(wù)在收到和過濾識別碼后激活并開始消息響應(yīng)的傳輸。響應(yīng)包含2個、4個或8個數(shù)據(jù)字節(jié)和一個檢查和checksum字節(jié)。報頭和相應(yīng)部分組成一個消息幀。

LIN總線上所有的通信都由主機節(jié)點中的主機任務(wù)發(fā)起，主機任務(wù)根據(jù)進度表確定當(dāng)前的通信內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報文幀分配幀通道。總線上的從機節(jié)點接收幀頭之后，通過解讀標(biāo)識符確定自己是否應(yīng)該對當(dāng)前通信做出響應(yīng)，做出何種響應(yīng)。

簡介

CAN總線是一種用于實時應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高位速率、高抗電子干擾性，并且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。CAN總線可以應(yīng)用于汽車電控制系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機械、船舶運輸?shù)阮I(lǐng)域。

特點

1. 具有實時性、傳輸距離遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；

2. 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

3. 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁能力，多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-Bus上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò)；

4. 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；

5. 具備可靠的錯誤處理和檢錯機制；

6. 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；

7. 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；

8. 報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)識符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

通信介質(zhì)訪問控制方式

CAN采用了3層模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層 和應(yīng)用層。支持的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜和光纖等。采用雙絞線通信時，速率可達1 Mb/s，節(jié)點數(shù)可達110。CAN通信采用多主競爭方式結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。即當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑時，各個節(jié)點都有權(quán)使用網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)生沖突時，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)：

當(dāng)幾個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息時，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的表示符，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，從而有效地避免了總線沖突，使信息和時間均無損失。

CAN的通信協(xié)議主要由CAN總線控制器完成。CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和微控制器接口部分電路組成。通過簡單的連接即可完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能由微控制器完成。CAN總線上的節(jié)點既可以是基于微控制器的智能節(jié)點，也可以是具有CAN接口的I/O器件。

應(yīng)用技術(shù)

CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，CAN總線系統(tǒng)的一般組成模式如下所示。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。通過CAN總線連接各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，形成多主機控制器局域網(wǎng)。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通過CAN控制器完成。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般為帶有微控制器的智能節(jié)點，完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和基于CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點可以使用帶有CAN控制器的微控制器完成，或選用一般的微控制器加上獨立的CAN控制器來完成節(jié)點功能。

CAN總線協(xié)議對物理層沒有嚴(yán)格定義，給予使用者較大的靈活性，同時也給設(shè)計者帶來了困難。CAN總線物理層的設(shè)計原則是 —— 對于兩種輸出狀態(tài)顯性、隱性，總線應(yīng)具有兩種不同電平，接收端呈現(xiàn)顯性、隱性兩種狀態(tài)，如下圖所示。這樣就不要求總線必須是數(shù)字邏輯電平，只要是能夠呈現(xiàn)兩種電平（顯性和隱性）的模擬量，就可以滿足上述設(shè)計原則。

高速容錯協(xié)議(FlexRay)是一種用于汽車的高速、可確定性的，具備故障容錯能力的總線技術(shù)，他將事件觸發(fā)和時間觸發(fā)兩種方式相結(jié)合，具有高效的網(wǎng)絡(luò)利用率和系統(tǒng)靈活性特點，可作為新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)。 FlexRay總線數(shù)據(jù)收發(fā)采取時間觸發(fā)和事件觸發(fā)的方式。利用時間觸發(fā)的通信時，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點預(yù)先知道彼此將要進行通信的時間，接收器提前知道報文到達的時間，保溫在總線上的時間可以預(yù)測出來，F(xiàn)lexRay協(xié)議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低，盡可能保持傳輸?shù)耐胶涂深A(yù)測，這對需要持續(xù)及高速性能的應(yīng)用來說非常重要。

通信架構(gòu)

FlexRay總線將車在網(wǎng)路中的獨立完成相應(yīng)功能的控制單元視為節(jié)點，主要有電源供給系統(tǒng)、主處理器（Host）、固化FlexRay通信控制器（Communication Controller）、可選的總線監(jiān)控器（Bus Guardian）和總線驅(qū)動器（Bus Drivery）等，如下圖所示。主處理器提供和產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并通過FlexRay通信控制器傳送出去。其中BD和BG的個數(shù)對應(yīng)于通道數(shù)，與通信控制器和微處理器相連。總線監(jiān)控邏輯必須獨立于其他的通信控制器。總線驅(qū)動器連接著通信控制器和總線，或是連接總線監(jiān)控器和總線。節(jié)點的兩個通信過程如下：

1. 發(fā)送數(shù)據(jù)。Host將有效的 數(shù)據(jù)送給CC，在CC中進行編碼，形成數(shù)據(jù)位流，通過BD發(fā)送到響應(yīng)的通道上。

2. 接收數(shù)據(jù)。在某一時刻，由BD訪問棧，將數(shù)據(jù)位流送到CC進行解碼，將數(shù)據(jù)部分由CC轉(zhuǎn)送給Host上。

拓撲結(jié)構(gòu)

FlexRay的拓撲主要分為3種：

1. 總線狀（圖1）
2. 星狀（圖2）
3. 混合狀（圖3）

通常，F(xiàn)lexRay節(jié)點可以支持兩個信道，因而可以分為單信道和雙信道兩種系統(tǒng)。在雙信道系統(tǒng)種，不是所有節(jié)點都必須與兩個信道連接。與總線結(jié)構(gòu)相比，星狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：它在接收器和發(fā)送器之間提供點到點連接，該優(yōu)勢在高傳輸速率和長傳輸線路中尤為明顯。另一個重要優(yōu)勢是錯誤分離功能。例如信號傳輸使用的兩條線路短路，總線系統(tǒng)在該信道不能進行進一步的通信。如果使用星狀結(jié)構(gòu)，則只有連接短路的節(jié)點才會受到影響，其他所有節(jié)點仍然可以繼續(xù)與其他節(jié)點通信。

圖1 總線狀

圖2 星狀

圖3 混合狀

FlexRay總線用的是TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址接入）和FTDMA（Flexible Time Division Multiple Access，柔性時分多址接入）兩種周期通信方法。FlexRay將一個通信周期分為靜態(tài)部分、動態(tài)部分和網(wǎng)絡(luò)空閑時間。靜態(tài)部分使用TDMA方法，每個節(jié)點會均勻分配時間片，每個節(jié)點只在屬于自己的時間片里才發(fā)送消息，即使某個節(jié)點當(dāng)前無消息可發(fā)送，該時間片仍然會保留（造成了一定的總線資源浪費）。在動態(tài)部分使用FTDMA方法，會輪流問詢每個節(jié)點有沒有消息要發(fā)送，有就發(fā)送，沒有則跳過。靜態(tài)部分用于發(fā)送需要經(jīng)常性發(fā)送的重要性高的數(shù)據(jù)，動態(tài)部分用于發(fā)送使用頻率不確定、相對不重要的數(shù)據(jù)。當(dāng)FlexRay總線通信過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，該周期里接收到的所有數(shù)據(jù)都會被丟棄掉，但沒有重發(fā)機制。所有節(jié)點會繼續(xù)進行下一個周期的通信。FlexRay同樣也有錯誤計數(shù)器，當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送接收錯誤過多時會被踢出總線。

FlexRay具有高速、可靠及安全的特點，F(xiàn)lexRay在物理上通過兩條分開的總線通信，每一條的數(shù)據(jù)速率是1Mb/s。FlexRay還能提供很多網(wǎng)絡(luò)所不具有的可靠特點，尤其是FlexRay具備的冗余通信能力可實現(xiàn)通過硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，并進行進度檢測。FlexRay同時提供靈活的配置，可支持各種拓撲。FlexRay本身不能確保系統(tǒng)安全，但它具備大量功能，可以支持以安全為導(dǎo)向的系統(tǒng)設(shè)計。

車載以太網(wǎng)是用于連接汽車內(nèi)各種電氣設(shè)備的一種物理網(wǎng)絡(luò)。車載以太網(wǎng)在民用以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，改變了物理接口的電氣特性，并結(jié)合車載網(wǎng)絡(luò)需求專門定制的新標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的CAN總線技術(shù)比較之后，可以發(fā)現(xiàn)車載以太網(wǎng)的設(shè)計是為了滿足車載環(huán)境中的一些特殊需求。例如滿足車載設(shè)備對于電氣特性的要求（EMI/RF）；滿足車載設(shè)備對高帶寬、低延遲以及音視頻同步等應(yīng)用的要求；滿足車載系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)管理的需求等。目前的技術(shù)而言，車載以太網(wǎng)為主干、CAN作為子系統(tǒng)的通信方式既保留了CAN實時、安全的特性，又能夠提升通信速度與傳輸距離，同時還保證了成本的控制，很有可能廣泛地應(yīng)用到自動駕駛車輛的車載通信中。

來源：CSDN「老趴菜_汽車研發(fā)搬磚人」

https://blog.csdn.net/qq_42957717/article/details/140818077