Vehicle Bus Protocol: CAN, LIN, FlexRay, MOST
- 资料
- CAN (Controller Area Network)
- LIN (Local Interconnect Network)
- FlexRay
- MOST (Media Oriented Systems Transport)
- Automotive Ethernet
资料
Security Authentication System for In-Vehicle Network
Security in Automotive Bus Systems
Basics of In-Vehicle Networking (IVN) Protocols
Introduction In-Vehicle-Networking
CAN (Controller Area Network)
Introduction to the Controller Area Network (CAN)
CAN 控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。
多个单元以CSMA/CD方式访问总线，同时发送则以ID (Identifier) 区分优先级。
标准：ISO11898 (高速，最高1Mbps, 总线最大长度40m/1Mbps，连接单元数最多30)及ISO11519(低速，最高125kbps，总线最大长度1km/40kbps，连接单元数最多20)。
帧格式
5种帧：数据帧、遥控帧(向某个单元请求某个ID的数据)、错误帧、过载帧(接收单元通知说尚未准备好接收数据)、帧间隔(将数据帧与遥控帧与前面其他帧分开)。
数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有11bit的ID，扩展格式有29bit的ID。
IDE = 0 标准帧，IDE = 1 扩展帧
DLC : Data Length Code, 4bit
CAN数据帧组成：帧起始(1bit)，仲裁段(ID 11bit，RTR 1bit), 控制段(6bit，含IDE, r0, DLC 4bit)，数据段(0~64bit)，CRC段(16bit, 含CRC 15bit, CRC界定符 1bit)，ACK段(2bit)，帧结束(7bit)
CAN扩展数据帧组成：帧起始(1bit)，仲裁段(ID 11bit, SRR 1bit, IDE 1bit, Identifier 18bit, RTR 1bit), 控制段(6bit，含r1, r0, DLC 4bit)，数据段(0~64bit)，CRC段(16bit, 含CRC 15bit, CRC界定符 1bit)，ACK段(2bit)，帧结束(7bit)
遥控帧不含数据段。
主要用于车身（车窗、座椅等）、状态（仪表、故障诊断等）、实时控制（发动机控制、变速控制等）系统。不同功能域的CAN总线会连接到网关。
安全
CAN协议是完全默认信任的，没有任何认证处理。
任何一个单元都可以发送任意高优先级ID的消息，抢占资源或引发拒绝服务。
任何一个单元都可以伪造其他ID的消息。
任何一个单元都可以窃听其他单元交互的消息。
安全方案：公私钥对+HMAC做认证(预置对端ECU公钥)，AES+HMAC做加密及认证，识别ECU发送的CAN电平信号特征做入侵检测及前期阻断。。。
相关HASH函数：FIP180 SHA2, SHA-256/384/512；FIPS 202, SHA3-224/512。
CAN FD (FD=Flexible Data-rate)
CAN with Flexible Data-Rate –CAN-FD
减小时延(峰值到8Mbit/s，均值到5.9Mbit/s)，提高带宽，增大Data Length(从8byte扩到64byte)，改进CRC。。。
CAN FD 标准帧：帧起始(SOF 1bit)，仲裁段（ID 11bit，r1），控制段（IDE, EDL, R0, BRS, ESI, DLC），数据段(0~64byte)，CRC段(CRC 21bit，DEL），ACK段(ACK, DEL)，帧结束(EOF 7bit，ITM 3bit)。
CAN FD 扩展帧：帧起始, 仲裁段(ID 11bit, SRR, IDE, Extended ID 18bit, r1)，控制段(EDL, R0, BRS, ESI, DLC)，。。。
数据字节<16时，CRC为17bit。
EDL(Extended Data Length)用于区分CAN帧与CAN FD帧。
BRS(Bit Rate Switch)用于区分位速率。如果BRS=1 则所有位将与仲裁段使用相同的位速率发送；如果BRS＝0，则仲裁段之后，CRC定界符之前的所有位将使用较高的速率发送。
ESI(Error State Indicator)错误状态指示，主动错误1，被动错误0。
CAN FD中不含遥控帧，直接将CAN帧中的RTR位换成r1，可以直接用做CAN FD帧。
注意CAN FD的Data Length扩展到64字节，DLC字段值使用变长编码（传统CAN帧长度内仍是线性编码）
CAN FD将填充位纳入CRC计算中。。。
明显CAN FD比CAN更合适增加加密、认证等安全措施（数据段变长了）。。。
LIN (Local Interconnect Network)
LIN Protocol and Physical Layer Requirements
Introduction to the Local Interconnect Network (LIN) Bus
ISO 17987，SAE（Society of Automotive Engineers）负责分配ID。
串行通信协议，1主N从式的结构，由master发指令，对应的slave应答。master接入上层ecu。
12V电压，节点数<=16，最高20kbps，适用于远距离节点间的低速通信。
主要应用在车身系统(对安全和整车性能影响不大)，比如门窗、雨刮、空调、座椅、照明、后视镜。
由进度表schedule控制frame时隙。master节点必须设置较高精度的时钟(作为时间基准，保证位速率），而slave节点则不必。
帧格式
帧由两部分组成：帧头（master发送）、应答（slave发送）。
帧头Header：sync break (14bit), sync (10bit), PID (Protect Identifier, 10bit)
应答Response：Data(10~80bit)，checksum(10bit)
帧类型
无条件帧 Unconditional Frame：一旦有帧头发出，必须有从机无条件应答
事件触发帧 Event Triggered Frame：一次查询多个slave信号是否发生变化。只有变化的slave才需要应答；如果所有slave都没变化则该帧只有头部段没有应答段；如果有多个slave变化导致应答冲突，则通过进度表解决冲突，进行轮询处理。
偶发帧 Sporadic Frame：master的信号发生改变，此时master作为发布节点(sender)，把信号发给slave节点。
诊断帧 Diagnostic Frame：主要用于配置、识别和诊断。master作为sender的帧ID为0x3C，slave作为sender的帧ID为0x3D。
保留帧 Reserved Frame：帧ID为0x3E/0x3F，用于未来扩展。
规范
LIN规范定义配置功能的服务时，参照了ISO制定的UDS(Unified DiagnosticServices，车辆统一诊断服务)标准和OBD(On-board Diagnostic，车载自动诊断)标准。配置功能各项服务及其SID都是ISO标准的子集。
Node Capability Files(NCF), 定义了节点名称和节点的属性值，包括产品代号、位速率、帧的定义等信息。
LIN Description File (LDF)，LIN子网设计工具收集到节点性能文件的信息，自动生成LIN描述文件(LDF)。LDF包含了整个子网的信息，包括所有的信号和帧的声明，以及进度表等信息。
安全
LIN比CAN更加简单，主要在于master节点、以及master节点上级ECU的安全控制。
slave节点由于计算资源限制，除了接收master指令外，一般别无处理。
FlexRay
FlexRay Communications System Protocol Specification
Overview of FlexRay scheduling issues
FlexRay 主要用于线控(X-by-Wire)、底盘控制、引擎控制、动力总成。
高带宽、高容错(确定性)、低延迟，单channel最高10Mbps，双channel可以达到20Mbps(非冗余模式)。
节点不需要同时连两个channel，也可以只连一个channel。
支持总线、星形拓扑。
支持频率、相位同步，单节点故障不会干扰其他节点的同步。
帧格式
含3个部分：Header, Payload, Trailer
Header: Indicator(5bit, Reserved, Payload Preamble, Null Frame Indicator, Sync Frame Indicator, Start Frame Indicator), ID(11bit), Payload Length(7bit), CRC(11bit), Cycle Count(6bit)
Payload: 0~254 Bytes
Trailer: CRC(24bit)
可见11bit的ID支持定义2048种FlexRay帧。
Header里的CRC针对前面的内容进行校验。
分时
TDMA (Time Division Multiple Access) 分时
每个Cycle含四个部分：Static Communication Segment, Dynamic Communication Segment, Symbol Window, Network Idle Time
Static Communication Segment内按frame ID，每种帧获得固定的时间
Dynamic Communication Segment内如果某个frame ID没有发消息，则在指定的短时间内结束该frame ID占用的time slot，轮到下一个frame ID
安全
FlexRay 主要优势是通过分时time slot确定传输的frame，避免冲突。其次是低时延、以及相比于CAN的高吞吐量。
总线拓扑问题与CAN相同，默认也没有针对Frame ID来源合法性校验，网关增强。。。
星形拓扑可以在star节点做一些处置。
MOST (Media Oriented Systems Transport)
Media Oriented Systems Transport (MOST)
MOST: THE AUTOMOTIVE MULTIMEDIA NETWORK
MOST150 – The Next Generation Automotive Infotainment Backbone
Bridging MOST to IEEE Standards
Vehicle Networks Multimedia Protocols
New elements in vehicle communication “media oriented systems transport” protocol
MOST Technology Report - MOST Cooperation
一般是环形拓扑，最多64个节点，节点即插即用。也可采用星形，或双环。
有一个Time Master节点负责向ring发布frame，其他Time Slave节点保持同步。25Mbps~150Mbps，光纤，主要用于车载娱乐系统(音频，视频，数据）。60 Channels.
Every slave synchronizes with the frame preamble by a Phase-Locked Loop (PLL)
MOST提供控制指令的信道，也可以用专用信道tunnel Ethernet Communication。
帧格式
MOST25, 64Bytes: Preamble, Boundary Descriptor, Synchronous channel, Asynchronous Packet Data channel, Control channel 2Bytes, Frame Control, Parity Bit
MOST50, 128Bytes: Control 4Bytes, Synchronous, Asynchronous Packet Data Channel
MOST150, 384Bytes: Control 4Bytes, Synchronous/isochronous streaming channel, Asynchronous Packet Channel/Most Ethernet Packet (MEP) Channel
Ethernet over MOST150
Interfacing to the MOST Ethernet Channel
安全
娱乐系统一般很少有入侵动机，除非做为攻击跳板。
MOST frame比较大，传输关键channel数据的时候可加校验。
Automotive Ethernet
Automotive Ethernet: An Overview
Automotive Ethernet Specifications
Ethernet in Automotive Networks
Tomorrow’s In-Car Interconnect?
