精品课件-智能网联汽车安全-第5章

第5章 汽车总线安全
有效负载段包括三个部分: · 数据(Data ),可以是 0~254 字节。 · 信息 ID ,该信息 ID 使用负载段的前两个字节进行 定义,可以在接收方作为可过滤86数据使用。 · 网络管理向量( NWVector ),该向量长度必须为 0~10 个字节,并和所有节点相同。 帧尾部分只含有单个的数据域,即 CRC 部分,包括帧头 CRC 和数据帧 CRC ,这些CRC 值会在连接的信道上面改变种 子值,以防不正确的校正。
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汽车以太网可实现全双工运行,可同时发送和接收数据,不 需要轮候。其分组交换功能可实现在多种情况下不同设备同时 进行多次交换。
目前,以太网最重要的 4 个基本拓扑结构为点到点拓扑、 总线拓扑、环形拓扑和星形拓扑,如图 5．8 所示。
第5章 汽车总线安全 图 5．8 以太网总线拓扑
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5.1 汽车总线 5.2 汽车CAN总线攻击技术分析 5.3 汽车OBD攻击技术分析
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5.1 汽车总线
5. 1. 1 汽车总线概述 汽车总线是汽车信息安全的“生命线”。随着汽车各系统
的控制逐步向自动化和智能化转变,汽车电气系统变得日益复 杂。传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式,相互之 间少有联系,这样必然会形成庞大的布线系统。
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据统计,一辆采用传统布线方法汽车中,导线长度可达 2000m ,电气节点可达 1500 个,而且该数字大约每 10 年就 增加 1 倍,进一步加剧了粗大的线束与汽车上有限的可用空 间之间的矛盾。无论是从材料成本还是从工作效率看,传统布 线方法都不能适应现代汽车的发展。图 5．1 所示是传统的 汽车布线网络。
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4.MOST 总线 MOST 总线是作为宝马公司、戴姆勒克莱斯勒公司、 Harman / Becker 公司(音响系统制造商)和 OasisSiliconSystems 公司之间的一项联合技术。 1998 年, 参与各方建立了一个自主的实体,即 MOST 公司,由它控制总 线的定义工作, Oasis 公司自己保留对 MOST 命名的权利。
(4 )数据字节。从任务在响应中传输数据字节字段。该 字段包含 1~8 字节的载荷数据字节。
(5 )校验和。从任务在响应中传输校验和字段。
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2.CAN 总线 前已述及, CAN 总线是一种串行数据通信协议,其通信接 口集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通 信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、 优先级判别等工作。 CAN 总线具有较高的通信速率和较强的 抗干扰能力,可以作为现场总线应用于电磁噪声较大的场合。 CAN 总线相对于普通通信总线而言,具有可靠性、 实时性和灵活性。
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帧头部分共由 5 个字节( 40bit )组成,包括以下几位: · 保留位( Reservedbit , 1 位),为日后的扩展做准备。 · 负载段前言指示(PayloadPreambleindicator , 1 位),指明帧的负载段的向量信息。在静态帧中,该位指明的是 NWVector ;在动态帧中,该位指明的是信息 ID 。 · 零帧指示( Nullframeindicator , 1 位),指明负载 段的数据帧是否为零。 · 同步帧指示(Syncframeindicator , 1 位),指明这是 一个同步帧。
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5. 1. 3 汽车总线威胁分析 前已述及,汽车中大量控制器的网络化程度飞速发展,使得
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CAN 总线的特点总结如下: 第一, CAN 网络上的各节点无主从之分,节点站地址无需 等待信息,均可以在任意时刻主动地向网络中的其他节点发送 信息。该特点可以方便地实现多机备份系统。 第二, CAN 总线在速率 5kb /s 以下时,具有可达 10km 的最远通信距离,当最大速率为 1Mb / s 时,通信距离长达 40m 。 第三, CAN 网络使用无破坏性总线仲裁技术,在网络负载 很重的情况下可使网络不出现瘫痪情况。
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图 5．6 OSI 模型、 MOST 节点模型与 MOST 网络模型之间的对应关 系
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MOST 网络允许采用多种拓扑结构,包括星形和环形,大多 数汽车装置都采用环形布局。一个 MOST 网络中最多可以有 64 个结点,一旦汽车接通电源,网络中的所有MOST 节点就全 部激活,这对低功耗、停电模式设计是一大重点,包括系统处在 该种状下的功耗量以及如何进入状态。 MOST 节点在通电时 的默认状态是直通,即进入的数据从接收器直接传送至发射器, 以保持环路的畅通。在 MOST50 网络中,数据传输的基本单位 是数据帧,每个数据帧的长度是 1024bit ( 128 字节)。图 5．7 所示为 MOST50 数据帧的结构。
第5章 汽车总线安全 图 5．7 MOST50 总线数据帧结构
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5. 汽车以太网总线 近年来, CAN 总线带宽不足的问题一直困扰着汽车电子 工程师。一旦要提高原有车型的配置,增加其功能,可能会因为 总线上节点过多,负载率过高而带来问题,从而影响整车网络收 发报文的能力。 车载以太网是用于连接汽车内各种电气设备的一种物理网 络。车载以太网的设计是为了满足车载环境中的一些特殊需求。
第5章 汽车总线安全 图 5．3 LIN 的拓扑结构
第5章 汽车总线安全 LIN 总线中数据借助消息帧来传输,消息帧由消息标题和
消息响应组成。消息标题总是通过主节点传输,包含 3 个不 同的字段:中断、同步及 ID ;消息响应通过从任务传输,可 位于主节点或从节点中,包含数据字节和校验和两部分。 LIN 消息帧如图 5．4 所示。
第5章 汽车总线安全 图 5．2 汽车总线网络
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5. 1. 2 汽车总线分类 目前绝大多数车用总线都被 SAE (美国汽车工程师协会)
下属的汽车网络委员会按照协议特性分为 A 、 B 、 C 、 D 四类。
A 类总线:面向传感器或执行器管理的低速网络,传输速 率通常小于 20Kb / s 。主要用于车内分布式电控系统,尤其 是面向智能传感器或执行器的数字化通信场合。
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在 MOST 规范中, MOST 网络模型可以分为物理层、数据 链路层、基础网络服务层、高层服务接口层、应用层; MOST 节点模型可以分为光电收发器、网络接口控制器、基础网络服 务、高层网络服务以及功能模块。 MOST 网络的这种划分方 式对应了七层 ISO 模型。图 5．6 所示为 OSI 模型、 MOST 节点模型与 MOST 网络模型的对应关系。
图 5．4 LIN 消息帧
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(1 )中断。每个 LIN 帧都以中断作为开始,包含 13 个 显性位(额定),后接一个 1 位(额定)隐性中断分隔符。
(2 )同步。同步字段是主任务在标题中传输的第二个字 段。
(3 ) ID 。 ID 字段是主任务在标题中传输的最后一个 字段。该字段识别网络上的每条消息,并最终决定由网络中的 哪些节点接收或响应每个传输。
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LIN 总线的特点主要有以下几点:成本低,基于通用 UART / SCI 接口,几乎所有微控制器都具备 LIN 必需的硬件;极少 的信号线就可实现 ISO9141 标准;传输速率最高可达 20Kb / s ,最大总线长度为 40m ;无需总线仲裁;从节点不需 石英或陶瓷振荡器就能实现自同步;保证信号传输的延迟时间; 不需要改变 LIN 从节点的硬件和软件就可以在网络上增 加或删除节点等。 LIN 的拓扑结构如图 5．3 所示。
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另外,为了满足各电子系统的实时性要求,需对汽车公共数 据(如发动机转速、车轮转速、节气门踏板位置等信息)实行实 时共享,而每个控制单元对实时性的要求又各不相同,因此,传 统的电气网络已无法适应现代汽车电子系统的发展,于是新型 汽车总线技术应运而生。工程师们设计了基于总线通信的方案, 每个 ECU 都连接在一条总线上面,避免了点对点通信方式存 在的隐患。图 5．2 所示为汽车总线网络。
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第四, CAN 总线所挂接的节点数量主要取决于 CAN 总线 收发器和驱动器,目前的驱动器一般都可以使用同一网络,容量 达到 110 个节点。
第五, CAN 总线定义使用了硬件报文滤波,可实现点对点 及点对多点的通信方式,不需要软件来控制。
第六, CAN 的通信介质选择灵活,可以是双绞线、同轴电 缆或光纤。
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· 起始帧指示(Startupframeindicator , 1 位),指明 发送帧的节点是否为起始帧。
· 帧 ID ( FrameID , 11 位),指明在系统设计过程中 分配到每个节点的 ID (有效范围:1~2047 )。
· 长度(Length , 7 位),说明负载段的数据长度。 · 头部 CRC ( HeaderCRC , 11 位),表明同步帧指示器 和起始帧指示器的 CRC 计算值,以及由主机计算的帧 ID 和 帧长度周期。
第5章 Fra Baidu bibliotek车总线安全
1.LIN 总线 LIN 总线是一种低速串行总线,主要用做 CAN 总线等高 速总线的辅助网络或子网络。在带宽要求不高、功能简单、实 时性要求低的场合,如车身电器的控制等方面,使用 LIN 总线,可有效地简化网络线束、提高网络通信效率和可靠性。 在不需要 CAN 总线的带宽和多功能的场合使用,降低成本。
B 类总线:面向独立控制模块间信息共享的中速网络,速 率一般在 10~125Kb / s 之间。 B 类总线以 CAN ( ControllerAreaNetwork ,控制器局域网络)为典型应用。
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C 类总线:面向闭环实时控制的多路径传输高速网络,位 速率大多在 125Kb / s~1Mb / s 之间。 C 类总线主要用于 车上动力系统中对通信的实时性要求比较高的场合,主要服务 于动力传递系统。
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FlexRay 联盟目前只规定了物理层和数据链路层的协议, 图 5．5 所示为 FlexRay 的数据帧格式,包括帧头 ( HeaderSegment )、有效负载段(PayloadSegment )和帧尾 ( TrailerSegment )三部分。
第5章 汽车总线安全 图 5．5 FlexRay 数据帧
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3.FlexRay 总线 FlexRay 总线是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公 司共同制定的一种通信标准,专为车内网络设计。 FlexRay 总线数据收发采取时间触发和事件触发的方式。利用时间触发 通信时,网络中的各个节点都预先知道彼此将要进行通信的时 间,接收器提前知道报文到达的时间,报文在总线上的时间可以 预测出来。即便行车环境恶劣多变,干扰了系统传输, FlexRay 协议也可以确保将信息延迟和抖动降至最低,尽可能 保持传输的同步与可预测。这对需要持续及高速性能的应用 (如线控刹车、线控转向等)来说,是非常重要的。
D 类总线:面向多媒体设备、高速数据流传输的高性能网 络,位速率一般在 2Mb / s 以上,主要用于 CD 等播放机和其 他显示设备。 D 类总线近期才被纳入 SAE 对总线的分类范 畴之中,其带宽范围相当大,用到的传输介质也不止一种。
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目前约有五种主要的车用总线: LIN 总线、 CAN 总线、 FlexRay 总线、 MOST 总线、汽车以太网总线,各类总线的区 别如表 5．1 所示。
第5章 汽车总线安全 图 5．1 传统的汽车布线网络
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汽车内部有许多电子控制单元(即 ECU ),分别负责不同 的工作,如门控单元、灯控单元等。 ECU 起初都通过独立的 数据线进行交换,随着 ECU 数量的增加,需要消耗的线束也会 成倍增加,导致成本增加,占用更多空间,增加更多重量,也会 增加更多的安全隐患。