CN113328919B - 一种can总线标识符、通信方法以及通信*** - Google Patents

一种can总线标识符、通信方法以及通信*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CAN总线标识符、通信方法以及通信***，属于CAN总线通信技术领域；其包括：CAN总线报文的标识符部分按功能划分为报文索引区、计数区以及同步标志位；报文索引区：用于存储当前报文的报文索引号；计数区：用于存储与所述报文索引号相同的报文计数结果，针对不同的索引号分别计数；同步标志位：用于表示当前报文数据加密情况；发送方在计数区针对特定报文索引进行循环计数，接收方接收到报文后，与预期的计数值对比，判断是否出现丢包等异常，达到保持数据同步的目的，同时不增加总线负载。在CAN、CAN‑FD报文标识符中引入计数区，收发双方根据计数进行数据同步，解决采用流密码情况下通信过程中数据不同步的问题。

Description

一种CAN总线标识符、通信方法以及通信***
技术领域
本发明涉及一种CAN总线标识符、通信方法以及通信***，属于CAN总线通信技术领域。
背景技术
当前国内外总线通信的应用越来越广泛，尤其是在汽车和工程机械行业，CAN、CAN-FD总线通信在实时性要求高的数据传输场合尤为重要。CAN、CAN-FD总线采用非破坏性总线仲裁技术，“载波监测，CSMA／CA”的通信模式，这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个节点都有机会取得总线的控制权并向外发送数据。如果在同一时刻有2个或2个以上的节点要求发送数据，就会产生总线冲突，CAN总线能够实时检测这些冲突并对其进行仲裁，从而使具有高优先级的数据不受任何损坏地传输。
目前在CAN、CAN-FD总线的应用中多为明文通信，数据安全性低，产品易被仿制，采用对称密码算法是一个较好地解决办法。在采用对称密码算法中的流密码算法时，由于每个CAN、CAN-FD报文采用的密钥均不相同，且密钥不通过总线传输，因此需要判断通信双方报文是否正确同步，否则将出现数据解密错误，影响正常通信。
为了解决上述问题，本申请提出了一种CAN总线标识符、通信方法以及通信***。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种CAN总线标识符、通信方法以及通信***，解决现有的CAN总线采用明文通信安全性低、采用流密码算法时，容易因为通信不同步导致解码错误，最终影响正常通信的技术问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种CAN总线标识符，所述标识符包括：
报文索引区：用于存储当前报文的报文索引；
计数区：用于存储与所述报文索引的类型相同的报文索引计数结果；
同步标志位：用于表示当前报文数据加密情况。
进一步的，所述标识符包括标准帧标识符和扩展帧标识符。
进一步的，所述标准帧标识符包括7位报文索引区、3位计数区和1位同步标志位。
进一步的，所述扩展帧标识符包括20位报文索引区、8位计数区和1位同步标志位。
进一步的，所述同步标志位为0时，当前报文数据不加密；所述同步标志位为1时，表示当前报文数据加密。
第二方面，本发明提供了一种报文发送方法，包括：
采集待发送报文；
生成第一方面任一项所述的CAN总线标识符；
根据预制定的通信协议判断是否需要对待发送报文加密：
若不需要加密，则将报文索引区和计数区合并为新的报文索引区，将更新后的CAN总线标识符添加至待发送报文发出；
若需要加密，则执行报文加密流程以得到密文；根据密文中的报文索引更新计数区中存储的报文索引计数结果，将更新后的CAN总线标识符添加至密文中发出。
进一步的，还包括采集待发送报文后，按照预制定的通信协议要求将待发送报文整理为需要格式。
进一步的，所述计数区采用循环计数的方式统计报文索引计数结果，当报文索引计数结果达到计数区上限值时，计数区重新从0开始计数。
第三方面，本发明提供了一种报文接收方法，包括：
通过监测网络获取待接收报文；
根据待接收报文中标识符的同步标志位判断当前报文是否为加密报文：
若待接收报文非加密报文，则直接接收该报文；
若待接收报文为加密报文，则通过加密报文中标识符的计数区获取当前所接收报文的报文索引计数结果：若所述报文索引计数结果与预设的报文索引计数结果相同，则执行报文解密流程，以接收获取与加密报文相对应的明文；否则，继续通过监测网络获取待接收报文；
其中，所述标识符为第一方面一项所述CAN总线标识符。
第四方面，本发明提供了一种CAN总线通信***，包括连接于CAN总线上的多个ECU节点；
所述ECU节点作为报文发送方时，能够采用第二方面任一项所述的报文发送方法发送报文；
所述ECU节点作为报文接收方时，能够采用第三方面所述的报文接收方法接收报文。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供了一种CAN总线标识符、通信方法以及通信***，适用于CAN、CAN-FD总线通信，该方法将CAN、CAN-FD标识符按功能划分为报文索引区、同步标志位、计数区3部分，发送报文时，发送方在计数区针对特定报文索引进行循环计数，接收方接收到报文后，与预期的计数值对比，判断是否出现丢包等异常，达到数据保持同步的目的，同时不增加总线负载。在CAN、CAN-FD报文标识符中引入计数区，收发双方根据计数进行数据同步，解决采用流密码情况下通信过程中数据不同步的问题。
附图说明
图1是本发明实施例一的总线标识符结构示意图；
图2为本发明实施例一的标准帧标识符分配方法示意图；
图3为本发明实施例一的扩展帧标识符分配方法示意图；
图4为本发明实施例二的报文发送方法流程图；
图5为本发明实施例三的报文接收方法流程图；
图6为本发明实施例四的CAN总线通信***连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以下实施例中的缩略语和关键术语定义
CAN --- Controller Area Network 控制器局域网络
CAN-FD --- CAN with Flexible Data rate 数据段波特率可变的CAN，可以简单的认为是传统CAN的升级版。
MCU --- Microcontroller Unit 微控制单元，又称单片机
ECU --- Electronic Control Unit电子控制单元，由微处理器（MCU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。
流密码：流密码（Stream Cipher）也称为序列密码，它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、总线通信。
实施例一：
本实施例提供一种CAN总线标识符，标识符包括：
报文索引区：用于存储当前报文的报文索引；
计数区：用于存储与报文索引的类型相同的报文索引计数结果；
同步标志位：用于表示当前报文数据加密情况。
如图1所示，本实施例适用的CAN数据帧结构示意图，本发明的方法适用于CAN总线（11位标准帧和29位扩展帧标识符）、CAN-FD，CAN数据帧由帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束组成，标识符属于仲裁段；
如图2所示，本发明标准帧标识符分配方法示意图，共有11位（bit），为bit10~bit0，bit10~bit4共7位为报文索引区，取值范围为0~127，因此该网络支持最大128个报文；bit3~bit1共3位为计数区，取值范围为0~7，因此每个循环为8个报文，之后重新从0开始；bit0为同步标志位，同步标志位为0代表当前报文数据不加密，同步标志位为1代表当前报文数据加密；
图3所示，本发明扩展帧标识符分配方法示意图，共有29位（bit），为bit28~bit0，bit28~bit9共20位为报文索引区，取值范围为0~220-1，因此该网络支持最大220（1048576）个报文；bit8~bit1共8位为计数区，取值范围为0~255，因此每个循环为256个报文，之后重新从0开始；bit0为同步标志位，同步标志位为0代表当前报文数据不加密，同步标志位为1代表当前报文数据加密。在当前报文数据不加密情况下，同步标志位为0。
实施例二：
本实施例提供一种报文发送方法，图4所示，包括：
采集待发送报文，
按照预制定的通信协议要求将待发送报文整理为需要格式；
生成如实施例一中的CAN总线标识符；
根据预制定的通信协议判断是否需要对待发送报文加密：
若不需要加密，则将报文索引区和计数区合并为新的报文索引区，将更新后的CAN总线标识符添加至待发送报文发出；这样更为灵活，可以适用更为复杂的网络。该方法可以在不增加报文数量的情况下实现收发双方的数据序列同步，不增加总线负载；
若需要加密，则执行报文加密流程以得到密文；根据密文中的报文索引更新计数区中存储的报文索引计数结果（计数区采用循环计数的方式统计报文索引计数结果，当报文索引计数结果达到计数区上限值时，计数区重新从0开始计数），将更新后的CAN总线标识符添加至密文中发出。
实施例三：
本实施例提供一种报文接收方法，图5所示，包括：
通过监测网络获取待接收报文；
根据待接收报文中标识符的同步标志位判断当前报文是否为加密报文：
若待接收报文非加密报文，则直接接收该报文；
若待接收报文为加密报文，则通过加密报文中标识符的计数区获取当前所接收报文的报文索引计数结果：若报文索引计数结果与预设的报文索引计数结果相同，则执行报文解密流程，以接收获取与加密报文相对应的明文；否则，继续通过监测网络获取待接收报文；
其中，标识符为实施例一中CAN总线标识符。
流密码的特点是加密安全性很高，针对每一帧报文数据密钥均不相同，因此报文接收方需要生成和报文发送方相同的密钥才能将密文数据正确的解密，得到明文数据。这就要求发送方和接收方采用同样的密钥生成方式，同时接收方可以和发送方就数据序列达成同步，一旦不同步，比如出现发送方或接收方启动时间不同导致的数据包数不一致、数据丢包、接收失败等情况，***就无法正常工作，因此对于每一个功能数据包（索引相同的报文）维护一个计数，收发双方计数相同说明数据同步。
实施例四：
本实施例提供一种CAN总线通信***，图6所示，包括连接于CAN总线上的多个ECU节点；
ECU节点作为报文发送方时，能够采用实施例二的报文发送方法发送报文；
ECU节点作为报文接收方时，能够采用实施例三的报文接收方法接收报文。
CAN总线电路中，CAN_H与CAN_L之间连接两个用于消除信号反射的终端电阻，通信***包括若干并联于CAH_H与CAN_L之间的ECU单元，每个ECU单元均可以用于多个报文发送的发送方或用于多个报文接收的接收方，报文的标识符均采用上述任一项标识符分配方法进行分配。
每个ECU单元可以有多个发送报文和多个接收报文，其报文索引均不相同，这些报文可以周期性发送也可以是事件型报文，针对不同的报文索引分别计数。发送报文均为广播形式，其它ECU单元接收到某个ECU单元发送的报文时判断同步标志位的值，同步标志位若为0，说明数据未加密，不用执行解密程序，同步标志位若为1，提取计数区的值，进行数据同步判断，之后生成对应密钥，执行数据解密得到明文数据，用于功能处理。
综上，本发明提供一种采用流密码的CAN总线标识符分配方法、通信***及通信方法，适用于CAN、CAN-FD总线通信，该方法将CAN、CAN-FD标识符按功能划分为报文索引区、同步标志位、计数区3部分，发送报文时，发送方在计数区针对特定报文索引进行循环计数，接收方接收到报文后，与预期的计数值对比，判断是否出现丢包等异常，达到数据保持同步的目的，同时不增加总线负载。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种报文发送方法，其特征在于，包括：
采集待发送报文；
生成CAN总线标识符；
根据预制定的通信协议判断是否需要对待发送报文加密：
若不需要加密，则将报文索引区和计数区合并为新的报文索引区，将更新后的CAN总线标识符添加至待发送报文发出；
若需要加密，则执行报文加密流程以得到密文；根据密文中的报文索引更新计数区中存储的报文索引计数结果，将更新后的CAN总线标识符添加至密文中发出；
其中，所述CAN总线标识符包括：报文索引区：用于存储当前报文的报文索引；计数区：用于存储与所述报文索引的类型相同的报文索引计数结果；同步标志位：用于表示当前报文数据加密情况。
2.根据权利要求1所述的报文发送方法，其特征在于，还包括采集待发送报文后，按照预制定的通信协议要求将待发送报文整理为需要格式。
3.根据权利要求1所述的报文发送方法，其特征在于，所述计数区采用循环计数的方式统计报文索引计数结果，当报文索引计数结果达到计数区上限值时，计数区重新从0开始计数。
4.根据权利要求1所述的报文发送方法，其特征在于，所述标识符包括标准帧标识符和扩展帧标识符。
5.根据权利要求4所述的报文发送方法，其特征在于，所述标准帧标识符包括7位报文索引区、3位计数区和1位同步标志位。
6.根据权利要求4所述的报文发送方法，其特征在于，所述扩展帧标识符包括20位报文索引区、8位计数区和1位同步标志位。
7.根据权利要求1所述的报文发送方法，其特征在于，所述同步标志位为0时，当前报文数据不加密；所述同步标志位为1时，表示当前报文数据加密。
8.一种报文接收方法，其特征在于，包括：
通过监测网络获取待接收报文；
根据待接收报文中标识符的同步标志位判断当前报文是否为加密报文：
若待接收报文非加密报文，则直接接收该报文；
若待接收报文为加密报文，则通过加密报文中标识符的计数区获取当前所接收报文的报文索引计数结果：若所述报文索引计数结果与预设的报文索引计数结果相同，则执行报文解密流程，以接收获取与加密报文相对应的明文；否则，继续通过监测网络获取待接收报文；
其中，所述标识符包括：报文索引区：用于存储当前报文的报文索引；计数区：用于存储与所述报文索引的类型相同的报文索引计数结果；同步标志位：用于表示当前报文数据加密情况。
9.根据权利要求8所述的报文接收方法，其特征在于，所述标识符包括标准帧标识符和扩展帧标识符。
10.根据权利要求9所述的报文接收方法，其特征在于，所述标准帧标识符包括7位报文索引区、3位计数区和1位同步标志位。
11.根据权利要求9所述的报文接收方法，其特征在于，所述扩展帧标识符包括20位报文索引区、8位计数区和1位同步标志位。
12.根据权利要求8所述的报文接收方法，其特征在于，所述同步标志位为0时，当前报文数据不加密；所述同步标志位为1时，表示当前报文数据加密。
13.一种CAN总线通信***，其特征在于，包括连接于CAN总线上的多个ECU节点；
所述ECU节点作为报文发送方时，能够采用权利要求1至7任一项所述的报文发送方法发送报文；
所述ECU节点作为报文接收方时，能够采用权利要求8至12任一项所述的报文接收方法接收报文。
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