CAN协议数据帧解析：标准帧与扩展帧的区别

CAN协议数据帧解析：标准帧与扩展帧的区别

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1.

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CAN（Controller Area Network）总线是一种轻巧高效的串行通信协议，最初由德国BOSCH公司设计用于汽车内部通信系统。随着汽车、工业控制等领域对数据通信安全性的要求越来越高，深入了解CAN协议的数据帧解析、网络管理与错误处理机制变得尤为重要。本文将详细介绍CAN协议数据帧的解析，包括标准帧与扩展帧的区别，以及CAN网络的管理与错误处理机制。

CAN协议简介

CAN（Controller Area Network）总线是一种轻巧高效的串行通信协议，最初由德国BOSCH公司设计用于汽车内部通信系统。CAN总线通过两根线（CAN_H和CAN_L）进行通信，具有高抗干扰性和实时性。

CAN总线概述

CAN总线采用主从式架构，支持多个节点之间的并行通信，最大传输速率可达1Mbps。数据通过帧的形式进行交换，具有出色的阻抗匹配和差分信号特性。

CAN协议历史

CAN协议最早于1986年问世，随后逐渐在汽车、工业控制等领域得到广泛应用。1993年，CAN 2.0标准发布，定义了帧格式、位定时、错误处理等细节，为现代CAN协议奠定基础。

CAN帧格式解析

CAN 数据帧是CAN总线上最基本的信息传输单元。CAN 数据帧主要分为标准帧和扩展帧两种格式，通过对CAN帧格式的解析，可以更深入地了解CAN总线数据传输的细节。

标准帧格式

标准帧数据字段

标准帧数据字段由以下几个部分组成：

• 控制字段：包含帧类型、数据长度，用于指示该帧的类型和传输的数据长度。

• 数据字段：实际传输的数据内容，长度为0-8字节。

• CRC字段：用于存放CRC校验码，用于保证数据传输的准确性。

• 结束字段：表示数据帧传输的结束。

标准帧帧ID

标准帧帧ID包含11位，用于标识数据帧的优先级和类型。较小的帧ID拥有更高的消息优先级，能够在总线上传输更快。

标准帧CRC校验

CRC校验字段是使用CRC算法对数据字段进行计算得出的校验码，接收方可以通过校验CRC字段来验证数据的完整性。

扩展帧格式

扩展帧数据字段

扩展帧的数据字段与标准帧类似，也包含了控制字段、数据字段、CRC字段和结束字段，但是数据长度可以达到12字节。

扩展帧帧ID

扩展帧帧ID包含29位，相比标准帧的11位，扩展了帧ID的长度，能够支持更多的消息ID，提高了总线的传输效率。

扩展帧CRC校验

扩展帧CRC校验采用与标准帧相同的CRC算法，对数据字段进行计算生成CRC校验码，用于保证数据传输的准确性。

扩展帧与标准帧差异

扩展帧相较于标准帧在帧ID长度、数据长度上有明显的区别，扩展帧能够支持更多类型的消息和更大长度的数据传输，但会消耗更多总线上的带宽。

# Python 示例代码：构建扩展帧数据域
def build_extended_frame(data):
    control_field = "0010"  # 控制字段
    data_length = len(data)  # 数据长度
    data_field = data
    crc = calculate_crc(data)  # CRC校验
    end_field = "110"
    return control_field + data_length + data_field + crc + end_field

data = "Hello, CAN bus!"
extended_frame = build_extended_frame(data)
print(extended_frame)

通过以上对CAN帧格式的解析，可以更好地理解CAN总线上数据传输的细节，以及标准帧和扩展帧在数据字段、帧ID和CRC校验等方面的差异。

CAN帧发送与接收

CAN通信中，消息的发送和接收是至关重要的环节。本章将详细介绍CAN帧的发送与接收流程，包括消息的构建、发送对象的配置、数据帧的发送以及消息的监听、数据解析和CRC校验验证。

CAN帧发送流程

在CAN网络中，消息的发送是通过数据帧进行的。下面是CAN帧的发送流程：

消息构建

在发送CAN帧之前，首先需要构建消息。消息通常包括帧ID和数据字段。帧ID用于区分不同的消息，数据字段携带实际的数据信息。

# 构建CAN消息
frame_id = 0x123  # 帧ID
data = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04]  # 数据字节
can_msg = {'frame_id': frame_id, 'data': data}

配置发送对象

在发送CAN消息之前，需要配置发送对象，包括选择发送的节点和帧优先级等信息。

# 配置发送对象
node_id = 1  # 发送节点ID
priority = 1  # 帧优先级
sender = {'node_id': node_id, 'priority': priority}

发送数据帧

最后，通过CAN总线发送数据帧。发送过程中需要注意总线空闲检测和错误处理。

# 发送数据帧
def send_frame(can_msg, sender):
    if bus_idle():
        frame = create_frame(can_msg, sender)
        send_on_bus(frame)
    else:
        handle_bus_busy()

CAN帧接收流程

在CAN网络中，节点需要监听总线以接收消息，并进行数据解析和CRC校验验证以确保消息的完整性。

监听总线

接收节点需要不断监听总线，检查是否有消息到达。

# 监听总线
def check_bus():
    if bus_has_message():
        process_received_frame(receive_from_bus())

数据解析

接收到数据帧后，需要进行数据解析，提取出帧ID和数据字段。

# 数据解析
def parse_frame(frame):
    frame_id = extract_frame_id(frame)
    data = extract_data(frame)
    return frame_id, data

CRC校验验证

最后，对接收到的数据帧进行CRC校验验证，确保消息的完整性和准确性。

# CRC校验验证
def validate_crc(frame):
    if crc_matches(frame):
        process_data(frame)
    else:
        handle_crc_error(frame)

通过以上步骤，CAN网络中的节点可以实现消息的发送和接收，保证数据的可靠传输。

CAN网络管理与错误处理

设备地址分配

CAN网络中每个节点都需要独特的标识，这就需要对设备地址进行分配和管理。

节点地址设置

在CAN网络中，每个节点都会被分配一个唯一的地址，通常由厂商预先设置或通过软件配置。节点地址的设置需要考虑网络拓扑结构以及通讯需求，确保不同节点间不会发生冲突。

# 例：设置节点地址为0x01
node_address = 0x01

帧优先级管理

为了保证消息的及时性和可靠性，CAN网络中引入了帧的优先级管理机制。不同帧可以通过帧ID的位值来确定优先级，帧ID越小的帧具有更高的优先级。

# 例：定义不同帧ID的优先级
frame_id_priority = {
    0x100: 1,
    0x200: 2,
    0x300: 3
}

错误处理机制

在CAN网络通讯过程中，由于各种原因可能会引发错误，因此需要一套完善的错误处理机制来确保通讯的稳定性。

错误传输计数器

CAN协议中通过错误传输计数器来记录传输错误的次数，包括发送错误和接收错误。当错误计数器超过设定阈值时，节点将进入错误状态。

# 例：设置错误计数器阈值为8
error_counter_threshold = 8

错误帧重发机制

当节点发送数据帧出现错误时，CAN协议规定发送方会在错误帧产生后的延迟时间内尝试重新发送数据帧，以提高数据传输成功率。

# 例：定义错误帧重发延迟时间为10毫秒
error_frame_resend_delay = 10  # milliseconds

恢复错误状态

在节点进入错误状态后，通过执行错误状态恢复程序可以尝试恢复通讯正常。通常会执行错误帧重发、重新初始化等操作来尝试解决错误状态。

# 例：执行错误状态恢复程序
def error_state_recovery():
    reset_error_counter()
    resend_error_frames()

通过以上设备地址分配和错误处理机制的实现，可以有效管理CAN网络中的节点通讯和错误处理，确保数据的可靠传输和网络的稳定性。

CAN数据通信安全性加固

随着 CAN 技术在汽车、工控等领域的广泛应用，数据通信的安全性愈发重要。本章将介绍如何加固 CAN 数据通信的安全性，并展示常见的加密和认证方法。

1. 加密数据传输

   • 利用对称加密算法，如AES，对 CAN 数据进行加密，确保数据在传输过程中不被窃取或篡改。

   • 实现数据加密的代码示例：

     from Crypto.Cipher import AES
     import base64
     
     key = b'16BytesRandomKey'
     cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
     data = "sensitive data"
     encrypted_data = base64.b64encode(cipher.encrypt(data.ljust(16)))
     

2. 数据认证机制

   • 引入数字签名技术，对 CAN 数据进行认证，确保数据的完整性和真实性。

   • 数字签名生成代码示例：

     import hashlib
     
     data = "message"
     key = b'secret_key'
     signature = hashlib.sha256(data.encode() + key).hexdigest()
     

3. 访问控制

   • 设计访问控制列表，只允许特定节点或设备访问特定的 CAN 数据，提高数据的访问安全性。

   • 访问控制列表示例表格如下：

     节点 |

     允许访问的数据帧ID范围 |

     | --- | --- | --- | --- | --- |

     A |

     0x100 - 0x1FF |

     B |

     0x200 - 0x2FF |

     C |

     0x300 - 0x3FF |

4. 加固通信协议

   • 设计自定义的安全通信协议，包括数据加密、认证和数字签名等机制，提高通信的安全性和可靠性。

   • 安全通信协议流程图如下：

5. 物理层安全措施

   • 在 CAN 总线的物理层级别加固安全性，包括隔离设备、防护罩等物理隔离方法，防止物理攻击或干扰。

   • 物理层安全措施列表：

     • 使用加密传输线缆

     • 安装信号隔离器

     • 定期检查总线连接状态

6. 网络监控与异常检测

   • 部署网络监控系统，实时监测 CAN 数据通信情况，及时发现异常行为并采取相应措施。

   • 异常检测流程：

7. 安全升级与漏洞修复

   • 定期对 CAN 数据通信系统进行安全升级，修复已知漏洞，确保系统的充分安全性。

   • 安全升级维护流程：

通过以上措施和方法，可以有效加固 CAN 数据通信的安全性，保护数据不被恶意篡改或泄露，确保系统的稳定运行和信息安全。