CN110661645A - 用于标识通信网络中的网络节点的方法和通信网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于标识在基于CAN的通信网络（140）中的网络节点（140）的方法，其中根据至少一个由所述网络节点（140）在所述通信网络上发送的消息（B₄₁，B₄₂）确定至少一个对所述网络节点（140）的启动为表征性的信息，其中为了标识所述网络节点（140），将至少一个所确定的信息与至少一个相应的参考信息（S_4,R，Δt_R）进行比较，以及涉及这样的通信网络（140）。

Description

用于标识通信网络中的网络节点的方法和通信网络

技术领域

本发明涉及用于标识基于CAN的通信网络中的网络节点的方法、用于执行所述方法的计算单元和计算机程序以及这样的通信网络。

背景技术

在车辆中的传感器、执行器和控制设备之间的通信经由通信网络和总线系统、例如经由CAN（Controller Area Network（控制器局域网））进行。CAN总线和还有其继任者、即所谓的CAN-FD总线是广播媒体。在此情况下，寻址经由消息标识符进行，其中接收节点可以根据所述消息标识符（Botschafts-Identifier）分析：讯息是否对于其是相关的。与其他协议、诸如以太网不同，在CAN的情况下在消息中并不包含发送节点的明确标志。

在CAN通信网络也或CAN-FD通信网络中的发送节点的明确标识、即所谓的CAN指纹识别（CAN-Fingerprinting）是不同科学出版物的一部分。例如Murvay和Groza在其公开文献“Identification Using Signal Characteristics in Controller Area Networks”

也或Choi等人在“Identifying ECUs Using Inimitable Characteristics of Signals in ControllerArea Networks”[https://arxiv.org/pdf/1607.00497.pdf]中描述了根据电压特征的CAN指纹识别。根据电压特征的CAN指纹识别通常需要高精度的分析逻辑电路，所述高精度的分析逻辑电路必须在硬件技术上可供使用。

Cho和Shin在其公开文献“Fingerprinting Electronic Control Units forVehicle Intrusion Detection”

中已经描述了利用在发送节点中的内部时钟和所基于的石英的特征的替选方案。与基于电压的方法相区别地，该方法提供不需要附加硬件的优点。更确切而言，Cho和Shin在其CIDS（Clock-based Intrusion Detection System（基于时钟的入侵检测系统））中利用在车辆中典型地以循环模式（Raster）发送消息的方法。

发明内容

根据本发明，提出具有独立专利权利要求的特征的用于在尤其基于CAN的通信网络中标识网络节点的方法，用于执行所述方法的计算单元和计算机程序以及这样的通信网络。有利的扩展方案是从属权利要求以及随后的描述的主题。

根据本发明的方法用于标识通信网络中的网络节点。作为通信网络，尤其基于CAN的通信网络、诸如CAN通信网络或CAN-FD通信网络在考虑之内。也可设想其他通信网络，其中尽管该方法的执行于是也是可能的，但是所述其他通信网络不具有已集成的标识特征（Identifikationsmerkale）。在此情况下，至少一个对网络节点的启动为表征性的信息根据至少一个由网络节点在通信网络上发送的消息来确定，其中为了标识网络节点将至少一个所确定的信息与相应的参考信息进行比较。启动通信网络在此尤其可理解为从接通通信网络开始直至包括在接通之后在通信网络上传送或发送的第一消息在内为止的过程。具有所接入（eingebundenen）的网络节点的通信网络的接通尤其通过施加电压进行。

对此需要的步骤可以在另一在通信网络中存在的网络节点（即尤其计算单元）中进行。尤其是，以此方式可以通过网络节点也标识通信网络中的多个其他网络节点。也可设想网络节点的互相标识。

所提出的方法在此利用：在起动或启动通信网络和从而网络通信或存在于其中的网络节点的情况下每个网络节点呈现出特殊的特征，所述特征一方面基于进行发送的网络节点的内部时钟或石英的特征，而另一方面基于相应的软件程序，所述软件程序在网路节点上运行。典型地，尤其在车辆中通信网络的所有网络节点在相同的时间点被供给电压并且于是起动其相应的程序，即该系统开动，网络节点的所有部件被初始化，并且起动通信。

由于在典型的通信网络中每个网络节点具有石英特定的内部时钟并且每个网络节点包含另一软件程序，所以网络节点在不同的时间点开始通信的起动，也即也发送消息。由于在相应的网络节点中在启动时运行的软件代码在起动时典型地始终相同，所以网络节点可以根据如下时间点被标识，所述网络节点在该时间点发送特定的消息、尤其是在开始启动之后其第一消息。

就此而言优选的是，至少一个表征性的信息包括在通信网络启动期间的起始时间点（即例如施加电压的时间点）与网络节点的特定的（尤其第一）消息的发送时间点之间的持续时间。这两个时间点在进行执行的网络节点中被确定并且从中计算出差或相应的持续时间。起始时间点在此尤其可以理解为通信网络接通的时间点或进行执行的计算单元可以首次确定时间点的时间点。

此外典型地，第一消息的顺序和时间帧、即在开始启动期间或之后网络节点发送的消息的起始序列也始终相同。起始序列在此取决于软件实施和软件配置。

就此而言（替选地或附加地）同样优选的是，至少一个表征性的信息包括特定的由网络节点在开始启动通信网络之后在通信网络上发送的消息序列，尤其是第一消息序列。用于标识的比较在此情况下适宜地可以包括：该序列的消息的顺序和/或时间帧和/或内容和/或数量的比较。时间帧在此情况下尤其是可理解为在各个消息之间的时间间隔。

适宜地，如果在标识网络节点时不确定预期的网络节点，则可以产生报告和/或采取对应措施。因此例如可以记录（Eintrag）在故障存储器中，对驾驶员进行报警提示而或也进行受限的运行模式等等。

此外，优选的是，如果在预给定的持续时间内不能确定表征性的信息，则产生报告和/或采取对应措施。也即以此方式可以确定，预期的网络节点或许根本就不存在还是而存在错误的网络节点，但该网络节点并未按预期发送其第一消息。

通过提出的方法提供如下可能性：可以明确地标识网络节点，这尤其在保密或安全性领域中提供用以识别通信网络中的操纵的优点。在这里可以提及特别是对所谓的中间人攻击而且所谓的掩码攻击的识别，其中总线用户将消息馈送到网络中，正常地另一用户或网络节点发送所述消息。

对于所提出的方法不需要特殊的硬件，而是可以在现有的硬件上被实施。此外，也不需要循环发送网络节点的消息或序列，以便能够明确地标识网络节点，如这在已知的方法中情况会如此。由此，该方法可以在明显更多的网络节点或通信网络情况下被应用。

根据本发明的计算单元、例如车辆的控制设备尤其在程序技术上被设立用于执行根据本发明的方法。这种计算单元在此尤其可以是网络节点，所述网络节点根据所述的方法检验通信网络中的其他网络节点。

尤其在进行执行的控制设备还被用于其他任务并且因此本来就存在时，该方法以计算机程序形式的实施也是有利的，因为这引起特别小的成本。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电的存储器，诸如硬盘、闪速存储器、EEPROM、DVD等。经由计算机网络（互联网、内联网等）下载程序也是可能的。

此外，尤其基于CAN的通信网络是本发明的主题，所述通信网络具有待标识的网络节点和根据本发明的构造为进行检验的网络节点的计算单元。

本发明的其他优点和扩展方案从说明书和所附的附图中得出。

根据实施例在附图中示意性地示出了本发明并且在下文中参照附图描述本发明。

附图说明

图1示意性地示出在一个优选的实施形式中的根据本发明的通信网络。

图2示意性地示出在一个优选的实施形式中的根据本发明的方法的流程图。

图3示意性地示出在另一优选的实施形式中的根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了在一个优选的实施形式中的根据本发明的在这里实施为基于CAN的通信网络100的通信网络。为此示出CAN总线101，示例性地四个网络节点110、120、130和140应联接到所述CAN总线上。在所示的情况下，如随后更详细阐述的那样，网络节点140并不如所设置的那样联接到网络上，而是经由（在常规网络中并未设置的）网络节点150分开。借助于电压供给装置U可以将电压施加到网络节点110、120、130和140上并且由此启动或接通通信网络100。这在这里在起始时间点t₀进行。

各个网络节点110、120、130和140例如可以是计算单元、例如车辆中的控制设备。

网络节点110、120、130和140中的每一个现有具有不同的部件、尤其是内部时钟或石英以及具有在相应的网络节点上运行的不同的软件，如这已经提及的那样。这导致不同的发送时间点，在开始启动之后在所述发送时间点在通信网络或CAN总线上分别发送各个网络节点的第一消息或消息序列。

在所示的示例中，网络节点110在发送时间点t₁₁发送消息B₁₁并且在发送时间点t₁₂发送消息B₁₂，其中这两个消息B₁₁和B₁₂在这里形成网络节点110的第一序列S₁。

相应地，网络节点120在发送时间点t₂₁发送消息B₂₁并且在发送时间点t₂₂发送消息B₂₂，其中这两个消息B₂₁和B₂₂在这里形成网络节点120的第一序列S₂。网络节点130在发送时间点t₃₁发送消息B₃₁并且在发送时间点t₃₂发送消息B₃₂，其中这两个消息B₃₁和B₃₂在这里形成网路节点130的第一序列S₃。网络节点140在发送时间点t₄₁发送消息B₄₁并且在发送时间点t₄₂发送消息B₄₂，其中这两个消息B₄₁和B₄₂在这里形成网络节点140的第一序列S₄。对此应说明的是，在所示的联接（Anbindung）中，网络节点14的（实际要发送的）消息最后并不在通信网络上被发送，因为网络节点150接在其之间。

此外应说明的是，这些序列也可以包含多于两个的消息，例如三个、四个、五个或多于五个消息。同样，各个网络节点可以在相应的序列中包含许多不同的消息。

网络节点110、120、130和140是常规地存在于通信网络100中的网络节点。此外，在通信网络100中示出网络节点150，该网络节点并不是常规网络节点，更确切地说由此应表示如下网络节点，该网络节点在中间人攻击（Man-in-the-middle-Angriff）的意义上被引入到网络节点140之前并且替代网络节点140例如应以操纵的方式发送消息。

网络节点150在此在发送时间点t*₄₁发送消息B₄₁并且在发送时间点t*₄₂发送消息B₄₁，其中这两个消息B₄₂和B₄₁在这里形成网络节点150的第一序列S*₄。

然而由于网络节点150具有与网络节点140不同的部件和不同的软件，所以消息的发送时间点t₄₁和t*₄₁以及t₄₂和t*₄₂不同。此外，在该示例中，第一序列的这两个消息相对对于网络节点140被调换，即网络节点140本身的消息尽管可能都存在，但并不按正确的顺序和具有正确的发送时间点和/或正确的时间帧。

网络节点110在所示的示例中应被设置为进行检验的网络节点或进行检验的计算单元。为此，对于该网络节点而言，关于（zu）网络节点140的参考信息R是已知的，即消息B₄₁和B₄₂按该顺序作为参考序列S_4,R。此外，参考信息R包括持续时间Δt_R，所述持续时间对应于由网络节点140的第一消息的发送时间点t₄₁与起始时间点t₀构成的差，即Δt_R=t₄₁-t₀。

这些参考信息可以例如在最初（例如在建立通信网络之后）被确定并且以合适的方式被保存在网络节点110上。可以理解的是，对于网络节点110而言，关于其他网络节点120和130的参考信息也可以是已知的。同样，在其他网络节点上可以分别保存有关于单个或所有网络节点的相应参考信息。也可设想的是，关于每个网络节点的参考信息对于每个网络节点而言是已知的，使得在需要时每个网络节点都可以检验每个其他网络节点。

在图2中示意性地示出了在一个优选的实施形式中的根据本发明的方法的流程，该方法例如可以在如在图1中所示的网络节点110上被执行。示例性地，相应地应该标识或检验网络节点140。

网络节点的至少一个表征性的信息在此应该包括在启动通信网络期间的起始时间点t₀与网络节点的第一消息的发送时间点之间的持续时间。

随后应该阐述从开始200到结束260的流程。在步骤210中，在此情况下首先在进行执行的网络节点中确定或存储起始时间点t₀。在此尤其涉及网络节点110能够确定的最早时间点。在步骤220中，于是开始鉴于在通信网络上发送的消息监控对该通信网络。

在步骤230中，现在监控第一消息B₁的获得，该第一消息对于根据图1的网络节点140而言按预期地必须在时间点t₁到达。如果获得消息（是（y）判定），则在步骤240中确定在该消息的发送时间点与起始时间点t₀之间的实际持续时间Δt_ist。消息的内容可以、但不是必须被监控，即在时间点t₄₁由网络节点140是获得消息B₄₁还是另一消息B₄₁不是强制性的。

在步骤250中，该持续时间Δt_ist于是与根据参考信息的参考持续时间Δt_R比较。参考持续时间Δt_R在这里根据图1为Δt_R=t₄₁-t₀。如果现在所确定的持续时间Δt_ist对应于参考持续时间Δt_R，即Δt_ist=Δt_R适用，则由此网络节点被标识为正确的网络节点，根据图1为网络节点140，并且该方法（是（y）判定）结束。对于该比较可以考虑适宜的公差。

然而如果所确定的持续时间Δt_ist并不对应于参考持续时间Δt_R即Δt_ist≠Δt_R适用，则该网络节点未被标识。根据图1在这里于是例如Δt_ist=t*₄₁-t₀将会适用。相应地，于是在步骤255中可以进行报告M等等。

而如果在步骤230中根本未接收消息，则（否（n）判定）在步骤245中例如根据所过去的时间可以继续根据步骤220的监控（否（n）判定），而或判定为超时（auf ein Timeoutentschieden werden）（是（y）判定），随后同样根据步骤255可以进行报告M等等。

在图3中示意性地示出了在另一优选的实施形式中的根据本发明的方法的流程，该方法例如同样可以在如在图1中所示的网络节点110上被执行。示例性地在这里也应该相应地标识或检验网络节点140。

网络节点的至少一个表征性的信息在这里应该包括由网络节点在开始启动通信网络之后在通信网络上发送的第一消息序列。

随后应该阐述从开始300到结束360的流程。在步骤310中，在此情况下首先在进行执行的网络节点中确定或存储起始时间点t₀。这可以是可选的。在步骤320中，于是开始鉴于在通信网络上发送的消息对该通信网络进行监控。

在步骤330中现在在获得第一消息B₁时，将第一消息与从参考信息中已知的根据图1为消息B₄₁的消息B_1,R比较，所述第一消息对于根据图1的网络节点140而言按预期地必须是消息B₄₁。

如果这些消息相一致，则（是（y）判定）在步骤350中检验：第一序列（根据参考信息）是否必须包含其他消息。

如果存在其他消息，则重复步骤330（是（y）判定），而如果在第一序列中不存在其他消息，则（否（n）判定）结束该方法，并且（如果所有消息都已肯定地被比较）网络节点被标识为正确的网络节点，根据图1为网络节点140。

而如果在步骤330中在比较时确定出：当前所检验的消息与根据参考信息的消息并不一致（这可能在序列中有第一消息而也有稍后的消息的情况下如此），则在步骤340中检验，究竟是否接收了消息。

如果根本没有接收到消息，则（否（n）判定）在步骤345中可以判定为超时，随后根据步骤355可以进行报告M等等。

而如果在步骤340中确定出：接收到了与预期不同的消息，则可以立刻（是（y）判定）根据步骤355进行报告M等等，因为被检验的网络节点未曾被标识为（所期望的）网络节点。

根据图1，在这里例如首先将会（由网络节点150）接收消息B₄₂，而根据参考信息然而预期有消息B₄₁。相应地于是可以在步骤255中进行报告M等等。

如已经提及的那样，这两个在图2和图3中所示的检验也可以两者都进行，由此可以更加可靠地进行标识。

Claims (13)

1.一种用于标识在尤其基于CAN的通信网络（101）中的网络节点（140）的方法，

其中根据至少一个由所述网络节点（140）在所述通信网络上发送的消息（B₄₁，B₄₂）确定至少一个对所述网络节点（140）的启动为表征性的信息，

其中为了标识所述网络节点（140），将至少一个所确定的信息与至少一个相应的参考信息（S_4,R，Δt_R）进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个表征性的信息包括在所述通信网络（100）启动期间的起始时间点（t₀）与所述网络节点（140）的消息（B₄₁，B₄₂）的发送时间点（t₄₁）之间的持续时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中由所述网络节点（140）在开始所述启动之后在所述通信网络（100）上发送的第一消息被用作所述消息（B₄₁）。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个表征性的信息包括在开始启动所述通信网络（100）之后在所述通信网络上由所述网络节点（140）发送的消息（B₄₁，B₄₂）的特定序列（S₄）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中由所述网络节点在开始启动之后在所述通信网络（100）上发送的第一序列被用作消息的特定序列（S₄）。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中消息的特定序列（S₄）与相应的参考信息的比较包括：所述序列的消息的顺序和/或时间帧和/或内容和/或数量的比较。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中如果在标识所述网络节点（140）时不确定预期的网络节点，则产生报告（M）和/或采取对应措施。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中如果在预给定的持续时间内不能确定表征性的信息，则产生报告（M）和/或采取对应措施。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述通信网络（100）的启动包括接通具有接入的网络节点的通信网络，尤其通过施加电压（U）进行。

10.一种计算单元（110），所述计算单元被设立为执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。

11.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算单元（110）上被执行时，所述计算机程序促使所述计算单元（110）执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

12.一种机器可读存储介质，其具有存储在其上的根据权利要求11所述的计算机程序。

13.一种基于CAN的通信网络（100），其具有待标识的网络节点（140）和构成为进行检验的网络节点的根据权利要求10所述的计算单元（110）。

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