CN109716710B - 用于在机动车中的以太网与总线系统之间传输数据包的方法以及网关设备和机动车 - Google Patents

用于在机动车中的以太网与总线系统之间传输数据包的方法以及网关设备和机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在机动车(10)中将数据包(15)从发送器(17)传输给接收器(18)的方法，其中通过网关设备(12)传输数据包(15)，网关设备(12)接收来自发送器(17)的数据包(15)并向接收器(18)转发该数据包(15)。本发明提出，发送器(17)的数据包(15)被向相应IP地址(16)发送，网关设备(12)在数据包(15)中通过总线协议的对应的分包(21‘)替换实现以太网连接(19)的连接层的第一分包(21)，并在实现具有IP地址(16)的网络层的第二分包(22)中保留IP地址(16)，并利用位于第二分包(22)中的IP地址(16)向接收器(18)转发数据包(15)。

Description

用于在机动车中的以太网与总线系统之间传输数据包的方法 以及网关设备和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于在机动车中的控制器之间传输数据包的方法。为此发送器和接收器通过网关设备联接。在混合式数据网络中传输数据包，该混合式数据网络既包括至少一个以太网络，又包括至少一个总线系统。本发明还包括网关设备以及机动车。
背景技术
在机动车中可以通过总线系统、例如CAN总线(Controller Area Network(控制器局域网络))或FlexRay总线在控制器之间传输数据包。这种总线系统基于时隙传输数据包。还可以在机动车中根据IP(Internet Protocol(互联网协议))借助于与以太网络或简称以太网进行面向数据包的传输。因此实现了各种传输机制。为了在不同的传输机制之间传输数据包，可以使用网关设备或简称网关，该网关在不同传输机制之间进行转换或在不同的传输机制之间传输数据包。
诸如CAN和Flexray之类的总线系统的传输机制不能够在以太网中结合相关传输层(例如UDP–User Datagram Protokoll(用户数据报协议)或TCP–Transport ControlProtocol(传输控制协议))提供IP协议。用于以太网的IP提供如下优点，可以实现对控制器的明确寻址以及对所使用的传输层(UDP/TCP)的灵活定义，由此还可以实现在ISO/OSI-参考模型(ISO–International Organization for Standardization(国际标准化组织)，OSI–Open Systems Interconnection Model(开放系统互联模型))中的高层的使用或有效功能。
而在总线系统中规定，控制器总是在预先确定的时隙获得对于该控制器指定的数据包的传输，或之前必须通过仅对该本地总线系统有效的识别值(CAN-ID)为接收数据包作准备。
可以从文献US 9,154,900 B1中获得对具有传输层、网络层和连接层的协议栈的描述。也从文献DE 10 2011 010 400 A1中已知在总线系统中使用网络层和连接层来传输数据包。例如在文献EP 2 651 088 A1中描述了一种网关。
发明内容
因此本发明的目的是，在机动车中，在传输数据包时为发送器提供用于接收器的统一寻址，而与是通过以太网还是通过总线系统可以到达接收器无关。
上述目的通过独立权利要求的主题实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求、下面的说明以及附图加以说明。
本发明的主题是一种方法，该方法实现了在机动车中将数据包从发送器传输到接收器。该数据包以所述方式通过网关设备传输。网关设备为此通过第一数据连接接收来自发送器的数据包。网关设备通过第二数据连接向接收器转发数据包。数据连接中的一个通过基于第一总线协议的第一总线系统引导。数据连接中的另一个或者设计为基于互联网协议(IP–Internet Protocol)的以太网数据连接，或者该数据连接通过基于第二总线协议的第二总线系统引导。以太网数据连接特别是基于IPv6。CAN总线或FlexRay总线特别是可以设置为第一总线系统。CAN总线可以特别是具有总线协议CAN-FD。当然两个总线类型的总线系统都可以连接在网关设备上，从而可以通过第二总线系统引导第二数据连接，该第二总线系统也可以是CAN总线或FlexRay总线并且可以与第一总线系统不同。由此可以实现基于IP寻址的总线-对-总线连接。还可以实现两个相同类型的总线的连接。
发送器的数据包向相应IP地址发送。在转发之前，网关设备在数据包中替换数据包的一部分，数据包的这部分在此被称为第一分包，通过第一分包实现第一数据连接的连接层。这种分包也被称为协议标头。该第一分包或标头被第二数据连接的连接层的对应分包替换。在实现具有IP地址的网络层的第二分包中，网关设备保留该IP地址。然后利用位于第二分包中的IP地址向接收器转发该数据包。
所述方法可以例如涉及从以太网向总线系统方向的传输。网关设备通过基于互联网协议(IP–Internet Protocol(互联网协议))的以太网数据连接相应地接收来自发送器的数据包。网关设备通过基于总线协议的总线系统向接收器转发该数据包。当然，根据所述方法，数据包可以从总线系统的总线成员沿另一方向向以太网中的接收器发送。在此在总线系统中的该发送器也可以使用IP地址进行寻址。都使用仅一个总线系统的发送器和接收器的组合也可以基于IP地址来寻址，这是因为相应的接收器以所述方式对IP地址作出反应，使得该接收器读入或接收具有该IP地址的数据包。
发送器在此不必考虑，接收器位于总线系统中、即不位于以太网网络中。发送器仍可以向IP地址发送数据包。网关设备然后在数据包中相应地替换第一分包。因为通过第一分包实现以太网数据连接的连接层。因此涉及的是在ISO/OSI参考模型中相当于数据链路层(Data Link Layer(数据链路层))或第2层的分包。该分包被总线协议的对应分包替换。第一分包例如被CAN协议或FlexRay协议替换。因此从以太网数据包变成总线数据包。
实现具有IP地址的网络层的第二分包至少以保留IP地址的方式得以保留。该数据包也就是总线数据包并仍在第二分包中向IP地址发送。该数据包(具有位于第二分包中的IP地址)然后通过网关设备经由总线系统向接收器转发。
通过本发明得到如下优点，即使目标设备或接收器连接在总线系统上，发送器也可以与该目标设备或接收器无关地利用IP地址寻址或到达该目标设备或接收器。接收器仅必须在数据包的第二分包中检查，在其中是否给出或包含该接收器的IP地址，以便可以识别，该接收器是否应处理该数据包的数据。因此在整个机动车数据网络中可以基于IP寻址在控制器之间交换或传输或发送数据包。
优选提出，提供传输层，该传输层使以太网与总线系统相连接，即提供如下可能性：提供所谓的端口，通过该端口使接收器内部的多个软件应用可以彼此独立地与相应的发送器通信。为此在数据包中分别将传输层的用户数据通过网关设备向IP地址和传输层的端口发送，并由接收器经由传输层端口接收。这种端口也被称为套接字。
对于在根据总线协议、即CAN协议的总线系统中本就需要唯一的设备ID的情况，则除了IP地址外还必须在第一分包中在连接层的层面上提供该总线地址。为此通过网关设备分别从IP地址中借助于预先规定的对应原则(例如图表)确定接收器的CAN-ID，然后基于所确定的CAN-ID形成第一分包(连接层)。因此自动地确定了总线系统中的总线ID，而且仅基于IP地址。
另选地可以提出，数据包在总线系统中作为广播数据包被发出。例如总线系统中的所有总线成员(即潜在的接收器)对相同的时隙检查：是否向这些总线成员发送了作为广播数据包的相应数据包。在数据包中识别到自己的IP地址的总线成员可以作为接收器读入或接收该数据包。
为了产生具有用于总线系统的IP地址的所述数据包，可以例如基于协议6LoWPAN形成第二分包(网络层)，该协议可以被适配，以用于由此提供所述特性。
在从以太网网络向总线系统传输数据包时，在根据以太网标准的数据包的大小或数据量方面可能产生问题。这种数据包可以包含更多的数据，即大于总线系统许可的最大数据包大小。因此，如果数据包大于预先规定的最大大小，优选通过网关设备对这种数据包实施数据包分片。最大大小的值可以适配于所使用的总线系统许可的最大的数据包大小。通过数据包分片将数据包的内容或用户数据分至多个数据包，然后在总线系统中将其转发。
所述网关设备，即根据本发明的网关可以被设计为控制器，所述网络技术的网络分支(以太网和总线系统)可以连接在该网关上。根据本发明的网关设备对于机动车的数据网络还具有处理器装置，该处理器装置被设置成，实施根据本发明的方法的实施形式。该处理器装置可以具有至少一个微处理器和/或微控制器。还可以提供一种程序代码，该程序代码被设置成，在由处理器装置实施时实施根据本发明的方法的实施形式。
最后通过本发明还提供一种机动车，该机动车具有数据网络，该数据网络包括至少一个以太网和至少一个总线系统，其中通过根据本发明的网关设备使所述至少一个以太网与所述至少一个总线系统相联接，以便在所述至少一个以太网与所述至少一个总线系统之间传输数据包。
附图说明
下面说明本发明的实施例。为此示出：
图1示出根据本发明的机动车的实施形式的示意图；
图2示出用于说明协议的图，在图1中的机动车中借助于该协议可以在数据网络中传输数据包。
具体实施方式
以下说明的实施例是本发明的优选实施形式。在实施例中，实施形式的所述各部分表现了本发明的可彼此独立看待的各单独特征，这些特征也彼此独立地改进本发明并也可以单独地或以与所示组合不同的组合被视为本发明的组成部分。所述实施形式还可以通过本发明的其它已经说明的特征进行补充。
在附图中功能相同的元件设有相同的附图标记。
图1示出机动车10，该机动车可以是例如汽车、特别是乘用车或载重车。在机动车10中示出数据网络11，其中通过网关设备或简称网关12(GW)可以使多个网络分支13彼此联接。不同的网络分支13可以基于不同的传输技术或传输机制，这在图1中示例性对于以太网ETH、CAN总线CAN-FD和FlexRay总线进行说明。控制器14可以连接在网络分支13上，控制器可以通过数据网络11交换或传输具有数据、例如传感器数据或控制数据或状态数据的数据包15。在此，控制器14可以分别针对数据包15通过IP地址16表明相应发送器或接收器。也就是说，虽然数据支路13也可以基于用于总线系统的传输机制，如这在图1中对于根据CAN-FD和FlexRay的数据支路13所示出的，但每个控制器14在数据网络11中通过IP地址16(IP1、IP2、IP3)被识别。
例如可行的是，以太网的控制器14作为发送器17发出数据包15，该数据包被发送给例如CAN总线中的控制器14，从而该CAN控制器14是接收器18。
经由以太网ETH的网络分支13，可以由网关12通过以太网数据连接19接收数据包15，该数据包具有接收器18的IP地址16(在示例中：IP2)，并由网关如此处理该数据包，使得该数据包可以按照接收器18的网络分支13的总线协议20(例如CAN总线)经由网络分支13被转发。
数据包15可以具有用于连接层的分包21、用于网络层的分包22和带有其它用户数据的分包23。分包21专用于所使用的传输机制(ETH、CAN、FlexRay)。可以通过网关12替换该分包21以用于转发。例如如果在总线系统中需要CAN-ID用于转发，该CAN-ID可以基于数据包15的IP地址从表24中确定，该表在本发明的意义上构成了对应原则。因此可以在接收到的数据包15中移除分包21并由适合于总线的分包21‘替换。具有IP地址的分包22可以被保留或由修改过的分包22‘替换，但该修改过的分包同样也可以保留具有IP地址的IP寻址。例如可以形成经改变的分包22‘以用于在基于协议6LoWPAN的总线系统中进行传输。用户数据23可以被保留。
图2参照形成的协议结构针对基于ISO/OSI参考模式的网络分支13对此进行了说明。“Higher Layers”(高层)在此是指应用部分，即用于实现或提供控制器14的相应功能的软件应用。具有用户数据的分包23的传输层(Transport Layer)可以保持不变(连续层/不变层)。但是也可以为用户数据23设置分片Frag。
不必构建在现有的协议上，就能在总线系统中使用IP地址16。也可以使用自行开发的协议xIP。为了提供传输层也可以采用已知的协议(UDP/TCP)或自行开发的协议xTP。
借助于协议结构，总线系统的作为发送器25的控制器14还可以基于借助于IP地址16的寻址将数据包15发送给在另一总线系统中或者甚至在相同的总线系统中的以太网控制器或接收器26。在此根据图2也可以使分包21(数据链路层)适配于目标总线系统。
因此可以针对以太网使总线协议标准化，因此可以在机动车辆10中灵活地传输或交换数据包。因此总线系统CAN-FD和FlexRay与以太网兼容，由此为控制器14形成统一的传输机制。在网关12中得到对于总线系统和以太网而言统一的路由机制。用于管理或确定目标网络分支13的路由表基于端-对-端寻址，即基于IP地址。图2示出，数据包15的部分数据或分包被划分为分包21、22、23，这些分包可以被彼此分开地处理，并由此以所述方式被替换，以便可以在不同的网络分支13之间转发数据包15。
通过基于IP地址实现统一的网络协议，为总线系统CAN-FD和FlexRay和以太网形成统一的网络层。特别是提出，使用可以在以太网中继续独立使用的协议版本IPv6。由于该具有40字节的协议对于例如CAN-FD(最大64字节的总数据包大小)带来过大的开销(Overhead)，所以在此可以提供压缩版本的IPv6。根据图2还可以在网络层下方设置分片Frag，以便可以实现IPv6要求的1280字节的MTU(Maximum Transfer Unit(最大传输单元))。但是，如通过6LoWPAN提供的分片不适用于CAN-FD或FlexRay。因此该分片Frag设置在连接层21中。在网络层上方，为处理用户数据23，任意的传输协议都可以跨总线地将所有网络分支13的控制器14逻辑连接。
通过示例示出，如何通过本发明可以基于IPv6提供跨总线的传输机制。

Claims (7)

1.一种用于在机动车(10)中将数据包(15)从发送器(17)传输给接收器(18)的方法，其中通过网关设备(12)传输数据包(15)，网关设备(12)通过第一数据连接(19)接收来自发送器(17)的数据包(15)，其中发送器(17)的数据包(15)被向相应IP地址(16)发送，网关设备(12)通过第二数据连接向接收器(18)转发该数据包(15)，
其特征在于，
网关设备分别从IP地址中借助于预先规定的对应原则确定接收器的CAN-ID，然后基于所确定的CAN-ID形成第二数据连接的连接层的第一分包(21‘)，
网关设备(12)在数据包(15)中移除实现第一数据连接(19)的连接层的第一分包(21)，并通过第二数据连接的连接层的对应的第一分包(21‘)替换该第一数据连接(19)的连接层的第一分包(21)，并在实现具有IP地址(16)的网络层的第二分包(22)中保留IP地址(16)，并利用位于第二分包(22)中的IP地址(16)向接收器(18)转发数据包(15)，
第一数据连接是基于互联网协议(IP)的以太网数据连接或通过基于第一总线协议(20)的第一总线系统引导，第二数据连接中通过基于第二总线协议(20)的第二总线系统引导，第一总线系统包括Flexray总线，第二总线系统包括CAN-FD总线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传输层的在数据包(15)中分别包含的用户数据(23)被向IP地址(16)和传输层的端口发送，并经由传输层端口被接收器(18)接收。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过网关设备(12)在总线系统中将数据包(15)作为广播数据包发出。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据协议6LoWPAN改变第二分包(22)以用于在总线系统中的传输。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，网关设备(12)对大于预先规定的最大大小的数据包(15)进行分片。
6.一种用于机动车(10)的数据网络(11)的网关设备(12)，其中网关设备(12)具有处理器装置，该处理器装置被设置成，实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
7.一种机动车(10)，该机动车具有数据网络(11)，该数据网路包括至少一个以太网(ETH)和至少一个总线系统(CAN-FD、Flexray)，其中通过根据权利要求6的网关设备(12)使所述至少一个以太网(ETH)和所述至少一个总线系统(CAN-FD、Flexray)相联接以用于传输数据包(15)。
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