CN111917618B - 一种车载can总线通信方法、装置、系统及车辆 - Google Patents

一种车载can总线通信方法、装置、系统及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车载CAN总线通信方法，包括：S1：获取接入车载CAN总线的设备节点的固定ID，固定ID为设备节点初始状态的节点ID；S2：中央网关随机产生新帧ID，并利用原帧ID和新帧ID形成报文信息，将报文信息在车载CAN总线上广播，其中，原帧ID的初始值为固定ID，新帧ID符合帧ID的唯一性；S3：设备节点根据节点ID接收报文信息之后，获取报文信息中的新帧ID，且将新帧ID作为设备节点的节点ID进行存储，并向中央网关发送成功应答；S4：中央网关在接收成功应答后，将原帧ID的值更新为新帧ID的值。本发明在不影响CAN总线的传输效率的情况下，提高CAN总线通信的安全性。

Description

一种车载CAN总线通信方法、装置、系统及车辆
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种车载CAN总线通信方法、装置、系统及车辆。
背景技术
随着车联网应用越来越广泛，汽车内部网络安全性越来越受重视，目前很多状态和指令报文信息都是明文传输，特别是发送的ID都是固定不变，这样很容易被非法分子通过模拟设备节点的固定ID对车载CAN总线网络进行攻击，只要可以准确模拟设备节点的固定ID，就可以对车载CAN总线网络进行有效攻击。
目前大多数的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)网络都是没有加密错施的，只是近期由于车联网应用增加，安全性问题而临很大风险，从而出现了一些以很复杂的加密方法加密报文，而对于车载嵌入式系统来说，会大大增加各节点ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)负载，影响系统的应用功能的实时性，以及减少总线传输有效数据量，这两个问题对整车的CAN网络性能来说是关键因素。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种车载CAN总线通信方法、装置、系统及车辆，在不影响CAN总线的传输效率的情况下，提高CAN总线通信的安全性。
本发明提供的一种车载CAN总线通信方法，其包括下述步骤：
S1：获取接入车载CAN总线的设备节点的固定ID，所述固定ID为所述设备节点初始状态的节点ID；
S2：中央网关随机产生新帧ID，并利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息，将所述报文信息在所述车载CAN总线上广播，其中，所述原帧ID的初始值为所述固定ID，所述新帧ID符合帧ID的唯一性；
S3：所述设备节点根据所述节点ID接收所述报文信息之后，获取所述报文信息中的新帧ID，且将所述新帧ID作为所述设备节点的节点ID进行存储，并向所述中央网关发送成功应答；
S4：所述中央网关在接收所述成功应答后，将所述原帧ID的值更新为所述新帧ID的值。
优选地，还包括下述步骤：
S5：当所述设备节点掉电后上电重新唤醒时，将所述设备节点重新以所述固定ID作为节点ID；
S6：当所述中央网关在所述车载CAN总线上广播所述报文信息后，在设定时长内没有收到所述设备节点的成功应答时，所述中央网关则利用所述固定ID和所述新帧ID生成新的报文信息，将所述新的报文信息在所述车载CAN总线上广播。
优选地，
所述在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID，具体包括，在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID和密钥；
所述利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息，将所述报文信息在所述车载CAN总线上广播，具体包括：利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息后，利用所述密钥对所述报文信息进行加密形成已加密的报文信息，再将所述已加密的报文信息在所述车载CAN总线上广播；
所述设备节点根据所述节点ID接收所述报文信息，具体包括：所述设备节点根据所述节点ID接收所述已加密的报文信息后，利用所述密钥对所述已加密的报文信息进行解密，得到所述报文信息。
优选地，在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID和密钥，具体为：将所述密钥写入到所述设备节点ECU的EEPROM区域中，将所述固定ID写入到所述设备节点ECU的CFLASH区域中。
本发明还提供一种车载CAN总线通信系统，其包括：
ID写入模块，用于在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID，并将所述固定ID作为所述设备节点的节点ID；
设置在所述中央网关中的报文生成模块，用于随机产生新帧ID，并利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息，将所述报文信息在所述车载CAN总线上广播；其中，所述原帧ID的初始值为所述固定ID，所述新帧ID符合帧ID的唯一性；
设置在所述设备节点中的报文处理模块，用于根据所述节点在接收所述报文信息之后，获取所述报文信息中的新帧ID，且将所述新帧ID作为所述设备节点的节点ID进行存储，并向所述中央网关发送成功应答；
设置在所述中央网关中的ID更新模块，用于在接收到所述成功应答后，将所述原帧ID的值更新为所述新帧ID的值。
优选地，还包括：
节点ID初始化模块，用于当所述设备节点掉电后上电重新唤醒时，将所述设备节点重新以所述固定ID作为当前的节点ID；
设置在所述中央网关中的报文重发模块，用于当所述中央网关在所述车载CAN总线上广播所述报文信息后，在设定时长内没有收到所述设备节点的成功应答时，所述中央网关则利用所述固定ID和所述新帧ID生成新的报文信息，将所述新的报文信息在所述车载CAN总线上广播。
优选地，还包括：
所述报文生成模块中还包括报文加密模块，用于利用密钥对所述报文信息进行加密形成已加密的报文信息，所述报文生产模块将所述已加密的报文信息在所述车载CAN总线上广播；所述报文处理模块还用于，利用所述密钥对所述已加密的报文信息进行解密，得到所述报文信息。
本发明还提供一种车辆，其包括上述的车载CAN总线通信系统。
本发明还提供一种车载CAN总线通信装置，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述存储器上运行的车载CAN总线通信程序，所述车载CAN总线通信程序被所述处理器执行时实现以上所述的车载CAN总线通信方法的步骤。
本发明还提供一种车辆，包括上述的车载CAN总线通信装置。
实施本发明，具有如下有益效果：本发明通过中央网关产生新帧ID，并利用原帧ID和新帧ID形成报文信息，其他节点接收到报文信息后，获取新帧ID，在下次中央网关发送报文信息至各节点时，可以利用上一次发送的新帧ID作为这一次的原帧ID，使得各节点ID可以动态变化，可以有效防止外部攻击，提高了CAN总线的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的车载CAN总线的通信方法的流程图。
图2是本发明提供的车载CAN总线上各设备节点的示意图。
图3是本发明提供的车载CAN总线的通信方法另一实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种车载CAN总线通信方法，如图1所示，其包括下述步骤：
S1：获取接入车载CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)总线的设备节点的固定ID(身份识别号码)，固定ID为设备节点初始状态的节点ID；
S2：中央网关随机产生新帧ID(可以利用随机数发生器，新帧ID符合帧ID的唯一性)，并利用原帧ID和新帧ID形成报文信息，将报文信息在车载CAN总线上广播，其中，原帧ID的初始值为固定ID，新帧ID符合帧ID的唯一性；
S3：设备节点根据节点ID接收报文信息之后，获取报文信息中的新帧ID，且将新帧ID作为设备节点的节点ID进行存储，并向中央网关发送成功应答；
S4：中央网关在接收成功应答后，将原帧ID的值更新为新帧ID的值。
如图2所示，设备节点包括车身控制器、智能进入启动系统、组合仪表、中央网关、电动尾门等，车身控制器的固定ID为0x420，智能进入启动系统的固定ID为0x427，组合仪表的固定ID为0x428，中央网关的固定ID为0x42B，电动尾门的固定ID为0x42C。当然，CAN总线上还有其他的节点，例如座椅控制模块、盲区监测系统、四驱系统等，具体的可以参见图2。
车身控制器的新帧ID为0x110，智能进入启动系统的新帧ID为0x612，组合仪表的新帧ID为0x523，中央网关的新帧ID为0x212，电动尾门的新帧ID为0x333。当一个节点利用新帧ID作为节点ID，就可以利用新帧ID发送应用报文，以及利用新帧ID接收报文信息。
车载CAN总线通信方法还包括下述步骤：
S5：当设备节点掉电后上电重新唤醒时，将设备节点重新以固定ID作为节点ID；
S6：当中央网关在车载CAN总线上广播报文信息后，在设定时长内没有收到设备节点的成功应答时，中央网关则利用固定ID和新帧ID生成新的报文信息，将新的报文信息在车载CAN总线上广播。
当中央网关接收到所有其他设备节点发出的休眠请求后，将已加密的报文信息发送至所有其他设备节点，并开始记录发送已加密的报文信息所耗费的时间，例如可以启动超时计数器，来判断是否达到设定时长。
例如，在一具体实施例中，如图3所示，首先，中央网关判断所有其他设备节点是否都已经休眠，若都已经休眠，则加密5个帧的报文信息，这5个帧的报文信息对应的原帧ID分别为0x0420，0x0427,0x0428，0x042B，0x042C，新帧ID均分别默认为0x0000，将5个帧的报文信息对应的原帧ID和默认的新ID构建一个数组CANID[10]，随机数发生器随机产生新帧ID，再判断新帧ID是否合法，若合法，则用随机数发生器产生的新帧ID替换CANID[10]默认的新帧ID，直至CANID[10]中的新帧ID全部采用了随机数发生器产生的新帧ID进行赋值。最后，利用CANID[10]这个数组中的原帧ID和新帧ID发送这5个帧的报文信息，完成这一次的数据通信。
当中央网关接收到所有其他设备节点的成功应答之后，对所有其他设备节点发出休眠请求，并停发报文信息。
在中央网关没有接受到所有其他设备节点的成功应答时，重新发送已加密的报文信息至中央网关没有接收到成功应答所对应的设备节点，以获取该节点的故障码。
例如，当中央网关没有接收到某个节点的成功应答时，则继续向该节点发送加密的应用报文，尝试三次后，记录故障码。这里，可以预先在各节点设置每一种可能出现的故障所对应的故障码，在中央网关重复发送已加密的应用报文至对应的节点时，对应的节点可以将对应的故障码发送至中央网关。
其中，
在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID，具体包括，在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID和密钥；
利用原帧ID和新帧ID形成报文信息，将报文信息在车载CAN总线上广播，具体包括：利用原帧ID和新帧ID形成报文信息后，利用密钥对报文信息进行加密形成已加密的报文信息，再将已加密的报文信息在车载CAN总线上广播；
设备节点根据节点ID接收报文信息，具体包括：设备节点根据节点ID接收已加密的报文信息后，利用密钥对已加密的报文信息进行解密，得到报文信息。
这里，可以利用对称加密技术或者非对称加密技术对未加密的应用报文进行加密，例如，对原始数据04200110 04270612 04280523 042B0212 042C0333进行加密。原帧ID或者新帧ID是用于定义节点身份的，原帧ID和新帧ID对应可以形成索引。
所有设备节点中写入的密钥为对称密钥或者非对称密钥，若所有节点中写入的密钥为非对称密钥时，则将该非对称密钥中的加密密钥和解密密钥均写入中央网关，且将解密密钥写入所有其他设备节点。
在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID和密钥，具体为：将密钥写入到设备节点ECU的EEPROM区域或者Ram区域中，将固定ID写入到设备节点ECU的CFLASH区域中。
例如，可以在各设备节点出厂时，将固定ID写入到各设备节点ECU的CFLASH区域中。各个设备节点在掉电之后上电时，会从ECU的CFLASH区域中读取固定ID进行初始化，也即是每个节点每次掉电之后上电时，都会恢复到一个固定ID的身份。
将密钥写入到所有设备节点ECU的EEPROM区域中；例如，可以到整车下线时，通过下线诊断仪将密钥(例如AES128)写入所有设备节点ECU的EEPROM区域中。
本发明还提供一种车载CAN总线通信系统，其包括：ID写入模块、设置在中央网关中的报文生成模块、设置在设备节点中的报文处理模块、设置在中央网关中的ID更新模块。
ID写入模块用于在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID，并将固定ID作为设备节点的节点ID。
报文生成模块用于随机产生新帧ID，并利用原帧ID和新帧ID形成报文信息，将报文信息在车载CAN总线上广播；其中，原帧ID的初始值为固定ID，新帧ID符合帧ID的唯一性。
报文处理模块用于根据节点在接收报文信息之后，获取报文信息中的新帧ID，且将新帧ID作为设备节点的节点ID进行存储，并向中央网关发送成功应答。
ID更新模块用于在接收到成功应答后，将原帧ID的值更新为新帧ID的值。
车载CAN总线通信系统还包括：节点ID初始化模块。
节点ID初始化模块用于当设备节点掉电后上电重新唤醒时，将设备节点重新以固定ID作为当前的节点ID。
设置在中央网关中的报文重发模块，用于当中央网关在车载CAN总线上广播报文信息后，在设定时长内没有收到设备节点的成功应答时，中央网关则利用固定ID和新帧ID生成新的报文信息，将新的报文信息在车载CAN总线上广播。
报文生成模块中还包括报文加密模块，报文加密模块用于利用密钥对报文信息进行加密形成已加密的报文信息，报文生产模块将已加密的报文信息在车载CAN总线上广播；报文处理模块还用于，利用密钥对已加密的报文信息进行解密，得到报文信息。
本发明还提供一种车辆，其包括上述的车载CAN总线通信系统。
本发明还提供一种车载CAN总线通信装置，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在存储器上运行的车载CAN总线通信程序，车载CAN总线通信程序被处理器执行时实现以上的车载CAN总线通信方法的步骤。
本发明还提供一种车辆，其包括上述的车载CAN总线通信装置。
综上所述，本发明可以在不影响CAN总线的传输效率和实时情况下，大大提高了CAN总线的安全性，有效防止外部攻击；对加密过程中出现的异常，容错性强。本发明不会对总线的数据传输效率和实时性有任何影响，因此也不会对整车的应用功能有任何影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车载CAN总线通信方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：获取接入车载CAN总线的设备节点的固定ID，所述固定ID为所述设备节点初始状态的节点ID；
S2：中央网关随机产生新帧ID，并利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息，将所述报文信息在所述车载CAN总线上广播，其中，所述原帧ID的初始值为所述固定ID，所述新帧ID符合帧ID的唯一性；
S3：所述设备节点根据所述节点ID接收所述报文信息之后，获取所述报文信息中的新帧ID，且将所述新帧ID作为所述设备节点的节点ID进行存储，并向所述中央网关发送成功应答；
S4：所述中央网关在接收所述成功应答后，将所述原帧ID的值更新为所述新帧ID的值。
2.根据权利要求1所述的车载CAN总线通信方法，其特征在于，还包括下述步骤：
S5：当所述设备节点掉电后上电重新唤醒时，将所述设备节点重新以所述固定ID作为节点ID；
S6：当所述中央网关在所述车载CAN总线上广播所述报文信息后，在设定时长内没有收到所述设备节点的成功应答时，所述中央网关则利用所述固定ID和所述新帧ID生成新的报文信息，将所述新的报文信息在所述车载CAN总线上广播。
3.根据权利要求1所述的车载CAN总线通信方法，其特征在于，
所述在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID，具体包括，在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID和密钥；
所述利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息，将所述报文信息在所述车载CAN总线上广播，具体包括：利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息后，利用所述密钥对所述报文信息进行加密形成已加密的报文信息，再将所述已加密的报文信息在所述车载CAN总线上广播；
所述设备节点根据所述节点ID接收所述报文信息，具体包括：所述设备节点根据所述节点ID接收所述已加密的报文信息后，利用所述密钥对所述已加密的报文信息进行解密，得到所述报文信息。
4.根据权利要求3所述的车载CAN总线通信方法，其特征在于，在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID和密钥，具体为：将所述密钥写入到所述设备节点ECU的EEPROM区域中，将所述固定ID写入到所述设备节点ECU的CFLASH区域中。
5.一种车载CAN总线通信系统，其特征在于，包括：
ID写入模块，用于在接入车载CAN总线的设备节点中写入固定ID，并将所述固定ID作为所述设备节点的节点ID；
设置在中央网关中的报文生成模块，用于随机产生新帧ID，并利用原帧ID和所述新帧ID形成报文信息，将所述报文信息在所述车载CAN总线上广播；其中，所述原帧ID的初始值为所述固定ID，所述新帧ID符合帧ID的唯一性；
设置在所述设备节点中的报文处理模块，用于根据所述节点在接收所述报文信息之后，获取所述报文信息中的新帧ID，且将所述新帧ID作为所述设备节点的节点ID进行存储，并向所述中央网关发送成功应答；
设置在所述中央网关中的ID更新模块，用于在接收到所述成功应答后，将所述原帧ID的值更新为所述新帧ID的值。
6.根据权利要求5所述的车载CAN总线通信系统，其特征在于，还包括：
节点ID初始化模块，用于当所述设备节点掉电后上电重新唤醒时，将所述设备节点重新以所述固定ID作为当前的节点ID；
设置在所述中央网关中的报文重发模块，用于当所述中央网关在所述车载CAN总线上广播所述报文信息后，在设定时长内没有收到所述设备节点的成功应答时，所述中央网关则利用所述固定ID和所述新帧ID生成新的报文信息，将所述新的报文信息在所述车载CAN总线上广播。
7.根据权利要求5所述的车载CAN总线通信系统，其特征在于，还包括：
所述报文生成模块中还包括报文加密模块，用于利用密钥对所述报文信息进行加密形成已加密的报文信息，所述报文生产模块将所述已加密的报文信息在所述车载CAN总线上广播；所述报文处理模块还用于，利用所述密钥对所述已加密的报文信息进行解密，得到所述报文信息。
8.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求5-7任一项所述的车载CAN总线通信系统。
9.一种车载CAN总线通信装置，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述存储器上运行的车载CAN总线通信程序，所述车载CAN总线通信程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的车载CAN总线通信方法的步骤。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求9所述的车载CAN总线通信装置。
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