CN108696424A - 汽车通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车通信***，包括：诊断口，用于提供汽车内各功能单元的诊断；至少一以太网节点，用于实现汽车内各功能单元之间的以太网通信；至少一电子控制单元，用于控制汽车内各功能单元；无线通信单元，用于实现汽车通信***与外部***的无线通信；交换机，分别与各以太网节点互连，用于实现各以太网节点之间的信息交互；以及中央网关，分别与诊断口、至少一以太网节点、至少一电子控制单元、无线通信单元以及交换机在通信上耦合，用于实现汽车内的以太网通信与CAN/CANFD协议通信之间的协议转换。其能够提供一种结构简单、实现成本低、集成度高的车载网关，进而能够提供可靠性高、应用前景更佳的汽车通信***。

Description

汽车通信***
技术领域
本发明涉及汽车通信技术领域，更具体地说，涉及一种汽车通信***。
背景技术
随着汽车领域内各种先进技术的发展，越来越智能的功能被集成到汽车里。各个国家、各大公司可能分别开发自定义的通信协议，也可能转向更标准的通信协议，如控制器局域网CAN、低成本的串行通讯网络本地互联网络LIN、FlexRay、MOST等，各种技术的应用将不可避免地产生各种协议之间的转换问题。
据统计，当今一辆普通的家用汽车上平均含有30个ECU（电子控制单元）。随着智能汽车、互联网汽车等概念的新起，控制器个数和总线上传输的数据量都大大增加。最受欢迎的CAN通信，已不能满足整车数据通信的带宽，此时车载网关（车载路由器）应运而生，通过网关将ECU隔离成不同的组，试图减小每个组内CAN总线的负载。然而，网关不仅要处理不同CAN通道之间的报文转发，还要同时处理来自ODB段的诊断路由等功能，对车载网关繁杂的功能要求也使得车载网关结构复杂、可靠性低、实现成本高。
另一方面，引入以太网和互联网后，汽车安全成为新的问题。已经有案例表明，黑客可以通过某些汽车通信网络接入汽车，进而控制汽车。确保汽车通信网络安全最直接的办法是物理隔离，如将OBD接口和网关相连，物理阻断OBD对整车网络的窥探，而对于无线接入，可以采用双芯片的物理隔离方案，将防火墙和网关分开来实现，但同样使得***结构及各单元之间的协调变得复杂，实现成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠性高、实现成本低的基于中央网关的汽车通信***。
为实现上述目的，本发明提供一种技术方案如下：
一种汽车通信***，包括：诊断口，用于提供汽车内各功能单元的诊断；至少一以太网节点，用于实现汽车内各功能单元之间的以太网通信；至少一电子控制单元，用于控制汽车内各功能单元；无线通信单元，用于实现汽车通信***与外部***的无线通信；交换机，分别与各以太网节点互连，用于实现各以太网节点之间的信息交互；以及中央网关，分别与诊断口、至少一以太网节点、至少一电子控制单元、无线通信单元以及交换机在通信上耦合，用于实现汽车内的以太网通信与CAN/CANFD协议通信之间的协议转换。
优选地，以太网通信基于OABR标准。
优选地，诊断口与中央网关之间架设有以太网通信互连线路及CANFD协议通信线路。
优选地，各电子控制单元与中央网关之间分别架设CAN/CANFD协议通信线路。
优选地，协议转换包括报文转换和信号转换，其中，报文转换基于以太网和CAN/CANFD协议栈之上的PDU层面的协议转换方法。
优选地，中央网关还提供：各以太网节点相互之间的路由；以及各电子控制单元相互之间的路由。
优选地，各电子控制单元之间的路由包括基于AUTOSAR标准协议栈的PDUR和COM来实现的报文路由和信号路由。
优选地，中央网关设置有防火墙，防火墙配置成实现汽车通信***与外部***之间的数据隔离。
优选地，中央网关包括多个中央处理单元，各中央处理单元分别运行多个操作***其中之一，多个操作***至少包括Linux***和Autosar OS***。
本发明所提供的汽车通信***，提供一种结构简单、实现成本低的车载网关，其可以实现汽车内的以太网通信与CAN/CANFD协议通信之间的协议转换、各以太网节点相互之间的路由以及各电子控制单元相互之间的路由，还可用来实现汽车通信***与外部***之间的数据隔离，采用这种集成度高的中央网关方案，本发明能够提供可靠性高、应用前景更佳的基于中央网关的汽车通信***。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的、基于中央网关的汽车通信***的模块结构示意图。
图2示出根据本发明实施例的、以太网通信和CANFD协议通信的数据流示意图。
图3示出根据本发明实施例的、以太网通信和CANFD通信通信所需的协议转换示意图。
图4是示出根据本发明实施例的、基于白表规则的防火墙结构示意图。
图5是示出根据本发明实施例的、包括多核多操作***的中央网关的架构示意图。
图6示出根据本发明实施例的、汽车通信***中DoIP以太网诊断示意图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明一实施例，提供一种汽车通信***，其包括：中央网关101；诊断口102，用于提供汽车内各功能单元的诊断；多个以太网节点104，用于实现汽车内各功能单元之间的以太网通信；交换机103，分别与各以太网节点104互连，用于实现各以太网节点104之间的信息交互；多个电子控制单元105，用于控制汽车内各功能单元；以及，无线通信单元106，用于实现汽车与外部***之间的无线通信。
其中，中央网关101分别与诊断口102、各以太网节点104、各电子控制单元105、无线通信单元106以及交换机103在通信上耦合，以用于实现汽车内的以太网通信与CAN/CANFD协议通信之间的协议转换。具体地，诊断口102与中央网关101之间架设有以太网通信互连线路及CANFD协议通信线路；各电子控制单元105与中央网关101之间分别架设CAN/CANFD协议通信线路。
作为一种具体实现，以太网通信可以基于OABR标准。
作为另一种具体实现，前述的协议转换包括报文转换和信号转换，其中，报文转换可以基于以太网和CAN/CANFD协议栈之上的PDU层面的协议转换方法。
可以理解，在本发明各实施例中，电子控制单元105与以太网节点104并不是相互排他的，而是，电子控制单元105与以太网节点104可以重叠。即，对于汽车通信***的一个特定子单元/子模块，其既可能作为电子控制单元105使用，并利用CANFD协议来实现与其他单元的通信，其同样也可以作为以太网节点104来使用，并利用以太网协议来实现与其他单元的通信。
作为上述实施例的一种改进方式，中央网关101还可提供各以太网节点相互之间的路由、以及各电子控制单元相互之间的路由。
图2示出以太网通信和CANFD协议通信的数据流示意图，作为示意而非限制。如图2所示，其中示出COM 201，PDUR 202，SoAd 203，TCP/IP 204，ETHIF 205，MAC 206，以太网收发器 207，CANIF 208，CAN 驱动器 209，CAN 收发器 210，信号路由器211，PDU 路由器212。其中，信号路由器211从COM 201获取收到的信号，根据配置的信号路由表进行路由。其中PDU报文路由器212基于PDUR 202获取协议单元数据，并完成协议转换及路由动作。
具体地，根据本发明的一个示例，各电子控制单元之间的路由包括基于AUTOSAR标准协议栈的PDUR和COM来实现的报文路由和信号路由。
根据本发明的又一个示例，报文路由器212可以基于复杂驱动来获取协议单元数据，以满足更高要求的路由性能，而并不限于使用AUTOSAR标准组件。
图3是以太网通信和CANFD通信通信所需的协议转换示意图，其中示出CANFD至车载以太网的协议转换过程37，以及车载以太网至CANFD 的协议转换过程38。根据本发明的一个示例，CANFD数据帧经过31->32->33->34->35->36，共计六个步骤转化为车载以太网帧发送出去，同理，逆序执行上述六个步骤以完成以太网帧向CANFD帧的转换。
如图3所示，其中步骤30表示由CANFD收发器将CANFD数据由模拟信号到数字信号的一个转变。步骤31将数据链路层数据以标准的帧格式传递，步骤32数据以SDU标号+长度+载荷的格式存在，SDU标号是由CANID通过映射表映射而来，长度表示了载荷的数据长度。步骤33数据以TCP/IP数据帧格式存在，其中载荷由一个或者多个步骤32所得的数据单元组成。可选地，根据配置对事件报文做1：1路由，即步骤33中载荷由步骤32的1个数据单元组成，同理，根据配置对周期相同的报文做1：N路由。步骤34中，实现TCP/IP数据帧格式到IP数据帧格式的转换；步骤35中，实现IP数据帧格式到MAC数据帧格式的转换。步骤36中，将MAC数据帧按数据包封装。
作为一种优选的实施方式，中央网关设置有防火墙，防火墙可配置成实现汽车通信***与外部***之间的数据隔离。
图4是基于白表规则的防火墙结构示意图，其中示出了中央网关43对肮脏数据向干净数据路由时的过滤功能。对中央网关分dirty side 41和clean side 42，OBD通道和无线通信单元属于dirty side 1 ，汽车内的各种ECU属于 clean side 2。
根据本发明的一个示例，所有dirty side 41和clean side 42交互的报文都要经过中央网关43中白表规则431的过滤。即所有从/去肮脏侧的数据都要经过白表规则431的检查，如果检查通过，准予路由，否则直接丢弃或者记录风险。根据本发明的又一个示例，不区分dirty side和clean side，任何两个通道/单元/模块之间的路由都要经过白表规则的过滤。白表规则至少包含如下这些规则：报文来源检查、报文标识符检查、数据长度检查、报文频率检查、报文内容检查，但不限于这些。白表规则可标定，支持多种隔离模式的实现。其中白表规则对诊断数据的过滤支持多层次的报文内容检查，如服务号、子服务号等。
图5包括多核多操作***的中央网关的架构示意图，其中示出Autosar OS操作***58和Linux操作***52并行运行在单芯片多核的硬件平台上。基于该架构的中央网关包括应用程序51，Linux操作***52，***管理程序53，硬件平台54，共享资源55，软件组件SWCs 56，Autosar RTE 57，Autosar OS操作***58，以及BSW 59。
根据本发明的一个示例，该架构以AUTOSAR OS***支持实时性的汽车控制要求，同时以Linux***实现非实时性的汽车控制要求。***管理程序53负责分割处理器，为每个操作***创建处理器分区，根据本发明的一个示例，Linux操作***52运行在内核Core 1~Core N-1上，而Autosar OS操作***58运行在Core N上，可选地，Autosar OS亦可运行操作一个内核上，并不限于一个单核。芯片内部外设分配到对应的分区，操作***只能访问到对应分区上的芯片内部外设。共享资源55支持硬件资源的特殊驱动和内存在不同的分区之间共享。该架构还可包含一个快速启动Bootloader，在启动阶段，运行Autosar OS的核能够先启动，以满足快速响的应用功能。
图6示出汽车通信***中DoIP以太网诊断示意图。根据本发明的一个具体示例，OBD通过以太网连接到中央网关，并发送了DoIP诊断数据，如框61所示，中央网关62需要识别被诊断的目标节点所在网络，可选地，中央网关62对目标诊断节点为以太网节点的ECU做DoIP 路由，如图6所示，数据由虚线框61流向中央网关62再流向框64。对目标诊断节点为CANFD节点的ECU进行DoIP2UDS的路由，如图6所示，数据由虚线框61流向中央网关62再流向框63。
根据本发明的一种具体实现，汽车通信***可以与云平台进行通信交互，云平台将电子控制单元ECU运行所需的软件或数据经由无线通信单元发送给汽车通信***，而汽车通信***将汽车的状态信息经由无线通信单元发送给云平台。这种通信交互能够实现汽车与云平台之间的互动，例如，汽车实时向云平台汇报自身动态，而云平台可以告知该汽车前方路况信息等。
根据本发明的进一步改进，可以利用OTA（Over the air）技术来对于各ECU固件进行数据/软件更新，其中，中央网关可以对远程更新数据的接收和发送进行加密和解密。
作为一个示例，具体地，由云端服务器生成公私密钥，首先对ECU固件进行SHA256运算，得到固件摘要，然后使用私钥将固件摘要、固件其他信息（包括原始签名者信息）及公钥一并进行RSA2048签名运算，得到固件的数字签名。中央网关接收到固件后，使用公钥进行验证签名，验证通过后，对固件进行SHA256运算，并将结果和云端传输固件摘要比较，通过后，将固件存储在NAND数据存储中，并更新固件版本控制中的信息。
作为又一个示例，由云端服务器生成公私密钥X，并将公钥X发送给中央网关，中央网关生成对称公私密钥Y，并使用公钥X对称公私密钥Y进行加密，然后发回给云端，云端使用私钥X对数据进行解密，得到对称公私密钥Y。云端使用对称公私密钥对固件进行加密，然后发回给中央网关，中央网关使用对称公私密钥Y解密固件。解密通过后，将固件存储在NAND数据存储中，并更新固件版本控制中的信息。
作为示意而非限制，中央网关可以维护和存储所有ECU的软件版本，云端将软件发送给中央网关后，由中央网关扮演诊断测试仪来执行ECU的数据/软件更新。
可选地，可以通过OEM云端服务器发送命令给中央网关，命令中央网关收集或者快照所需的各种有效数据。中央网关在收到命令后，启动整车大数据手机VDCM功能，将车内网络所有总线数据或者部分数据（可配置和服从于命令请求）按照预先设定的格式发回云端。可选地，中央网关定时启动VDCM功能，将数据传送到OEM云端服务器，以实现客户定制等需求。同样，中央网关可以对VDCM数据的接收和发送全部进行加密。
上述说明仅针对于本发明的优选实施例，并不在于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可作出各种变形设计，而不脱离本发明的思想及附随的权利要求。

Claims (10)

1.一种汽车通信***，包括：
诊断口，用于提供所述汽车内各功能单元的诊断；
至少一以太网节点，用于实现所述汽车内各功能单元之间的以太网通信；
至少一电子控制单元，用于控制所述汽车内各功能单元；
无线通信单元，用于实现所述汽车通信***与外部***的无线通信；
交换机，分别与各所述以太网节点互连，用于实现各所述以太网节点之间的信息交互；以及
中央网关，分别与所述诊断口、至少一以太网节点、至少一电子控制单元、无线通信单元以及所述交换机在通信上耦合，用于实现所述汽车内的以太网通信与CAN/CANFD协议通信之间的协议转换。
2.根据权利要求1所述的汽车通信***，其特征在于，所述以太网通信基于OABR标准。
3.根据权利要求2所述的汽车通信***，其特征在于，所述诊断口与所述中央网关之间架设有以太网通信互连线路及CAN/CANFD协议通信线路。
4.根据权利要求1所述的汽车通信***，其特征在于，各所述电子控制单元与所述中央网关之间分别架设CAN/CANFD协议通信线路。
5.根据权利要求1所述的汽车通信***，其特征在于，所述协议转换包括报文转换和信号转换，其中，所述报文转换基于以太网和CAN/CANFD协议栈之上的PDU层面的协议转换方法。
6.根据权利要求1所述的汽车通信***，其特征在于，所述中央网关还提供：
各所述以太网节点相互之间的路由；以及
各所述电子控制单元相互之间的路由。
7.根据权利要求6所述的汽车通信***，其特征在于，所述各电子控制单元之间的路由包括基于AUTOSAR标准协议栈的PDUR和COM来实现的报文路由和信号路由。
8.根据权利要求1所述的汽车通信***，其特征在于，所述中央网关设置有防火墙，所述防火墙配置成实现所述汽车通信***与外部***之间的数据隔离。
9.根据权利要求1所述的汽车通信***，其特征在于，所述中央网关包括多个中央处理单元，各所述中央处理单元分别运行多个操作***其中之一，所述多个操作***至少包括Linux***和Autosar OS***。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的汽车通信***，其特征在于，所述汽车通信***与云平台进行通信交互，所述云平台将所述电子控制单元运行所需的软件经由所述无线通信单元发送给所述汽车通信***，所述汽车通信***将所述汽车的状态信息经由所述无线通信单元发送给所述云平台。
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