CN112637029A - 一种车辆内can数据帧信号提取方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆内CAN数据帧信号提取方式与装置，所述方法包括：在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧；对数据进行预处理，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵；确定数据帧各比特位的翻转频率；确定该标识符ID数据帧的编码格式以及各信号的起止边界；根据各信号的起止边界，确定信号的时间序列，完成信号的数值提取，测量各信号的相关程度，确定相似信号聚类子集，完成相似信号的提取。本发明采用非监督学习的方式，并结合信号的编码规范，能够对Motorola和Intel两种编码格式的CAN数据帧进行信号提取，避免了手动标记标签分析的繁琐。

Description

一种车辆内CAN数据帧信号提取方法与装置

技术领域

本发明涉及车辆内网络协议逆向技术，具体涉及一种车辆内CAN数据帧信号提取方法与装置。

背景技术

随着汽车产业的快速发展，汽车已经不再只是单纯的机械设备，今天的汽车包含多个不同的电子组件，比如防抱死制动模块、仪表盘、远程信息处理模块等，它们通过总线连接在一起，每个组件间都可以进行实时通信，它们作为一个整体负责监控和控制车辆的状态。平均来说，目前的汽车大约采用25到50个电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)，但一些高端型号已经采用超过100个ECU，车辆的整体安全性依赖于这些ECU之间的实时通信。车辆内ECU之间的通信主要采用控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)。CAN2.0标准规定了物理层和数据链路层的标准，但数据的编码方式由汽车厂商自定义，不同厂商、不同型号、不同地区以及不同年份的车辆内部CAN数据域编码格式不相同，并且不对外公开。理解车辆内通信网络的编码格式具有广泛应用场景，如入侵检测、渗透测试和逆向工程等。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供了一种车辆内CAN数据帧信号提取方法与装置。

根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种车辆内CAN数据帧信号提取方法，包括：

在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧，记录各数据帧的接收时间戳；

根据所述数据帧，进行数据预处理，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID；

根据所述布尔矩阵，确定数据帧各比特位的翻转频率bf；

根据所述各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式；

根据所述各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定各信号的起止边界，完成信号的提取。

在一种可能的实现方式中，所述车辆正常状态包括车辆静止、开关车门、车辆正常行驶和车辆倒车等尽可能多的车辆状态；所述数据帧包括标准帧或者扩展帧，数据帧格式为标识符ID、帧长度和数据段；所述CAN总线为车辆内OBD接口所连接的CAN总线。

在一种可能的实现方式中，数据预处理包括：检查同一标识符ID的帧长度字段值是否一致，不一致则舍弃该标识符ID的所有数据帧；检查帧长度字段与数据段长度是否一致，不一致则只舍弃该数据帧。

在一种可能的实现方式中，根据各标识符ID的数据帧布尔矩阵，确定数据帧各个比特位的翻转频率bf，包括：

对数据帧布尔矩阵相邻两行的数据进行异或操作，得到该ID数据帧的异或矩阵XOR_ID，即：

其中X_ID,i、X_ID,i+1分别为布尔矩阵X_ID中的第i、i+1行数据；

根据所述的异或矩阵XOR_ID，确定该ID中每一个比特位的翻转频率bf，计算公式为：

其中XOR_ID[i,j]为异或矩阵XOR_ID中的第i行第j列数据。

在一种可能的实现方式中，根据各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式，包括：

根据数据帧内各个字节的起止比特位翻转频率确定该数据帧的编码格式，其中编码格式为Motorola和Intel格式。Motorola格式为大端字节序，高字节在前；Intel格式为小端字节序，低字节在前。

(a)对于Intel格式的跨字节的信号，具有如下特征：

bf[8×j]＞bf[8×j+15]＞0,(j＝[0,1,2,3,4,5,6])

(b)对于Motorola格式的跨字节的信号，具有如下特征：

0＜bf[8×j+7]＜bf[8×j+8],(j＝[0,1,2,3,4,5,6])

统计各数据帧的比特位翻转频率满足(a)和(b)的个数，若符合特征(a)的个数多于符合特征(b)的个数，则该数据帧的编码格式为Intel格式，否则为Motorola格式。

在一种可能的实现方式中，根据各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定该标识符ID数据帧内各个信号的起止边界，完成信号的抽取，包括：

对于编码格式为Intel的数据帧，翻转各个字节的顺序，即：

bf_new[8×j:8×j+8]＝bf[56-8×j:64-8×j],(j＝[0,1,2,3,4,5,6,7]

对于编码格式为Motorola的数据帧，其字节顺序不变，即：

bf_new＝bf

根据更新后的各比特位翻转频率bf_new，按照比特位翻转频率递增的顺序进行信号的分割，即若满足bf_new[p-1]＞bf_new[p]＜bf_new[q]＞bf_new[q+1]，则比特位[p:q]可被定义为一个信号。

在一种可能的实现方式中，根据提取的所述数据帧中各信号的边界，确定其信号的编码值，并根据编码值建立各个信号的时间序列，完成信号数值的提取。

在一种可能的实现方式中，提取信号后，利用皮尔逊相关系数计算各信号序列的两两之间相关程度，根据信号间相关程度，采用层次聚类方法对信号进行聚类，完成相似信号子集的提取。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种车辆内CAN数据帧信号提取装置，包括：

数据采集单元，用于在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧；

数据预处理单元，用于根据所述数据帧，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID；

信号分割单元，用于根据所述布尔矩阵，确定数据帧各比特位的翻转频率bf；根据所述各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式；根据所述各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定各信号的起止边界；

信号提取单元，用于根据所述各信号的起止边界，建立各信号的时间序列，测量各信号的相关程度，确定相似信号聚类子集。

本发明的有益效果是：

采用非监督学习的方式，并结合信号的编码规范，能够对Motorola和Intel两种编码格式的CAN数据帧进行信号分割，并建立信号的时间序列，完成了信号的数值提取，避免了手动标记标签和分析的繁琐；同时测量各个信号的相似性，完成相似信号子集的提取。本发明有助于理解车辆内通信网络的协议与结构，便于车辆售后市场的二次开发与渗透测试。同于，由于采用非监督的方法，便于在工控领域的CAN通信网络及其它私有网络协议中应用，完成未知协议解析与网络结构分析等功能。

应当理解的是，以上的一般性描述和后文的细节描述仅是示范性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

图1是根据一示范性实施例示出的一种CAN数据帧信号提取流程图。

图2是根据一示范性实施例示出的CAN数据帧数据预处理的流程图。

图3是根据一示范性实施例示出的各比特位的翻转频率计算流程图。

图4是根据一示范性实施例示出的Motorola格式和Intel格式的信号各比特位的翻转频率图。

图5是根据一示范性实施例示出的一种CAN数据帧信号提取装置框图。

具体实施方式

这里将详细地对示范性实施例进行说明，其示范表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表述，不同附图中的相同数字表示相同或者相似的要素。以下示范性实施例中所描述的实施方式并不表示与本公开的所有实施方式一致。相反，它们只是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面一致的装置和方法的例子。

图1是根据一示范性实施例示出的一种车辆内CAN数据帧信号提取方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括：

步骤100，在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧，并记录各个数据帧的接收时间戳；

步骤101，根据所述的数据帧，进行数据预处理，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID；

步骤102，根据所述各标识符ID的数据帧布尔矩阵，确定数据帧各个比特位的翻转频率bf；

步骤103，根据所述的各个比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式；

步骤104，根据所述的各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定各信号的起止边界，完成信号的提取。

在步骤100中所述的车辆正常状态应当包括车辆静止、开关车门、车辆正常行驶、车辆倒车等尽可能多的车辆状态；所述的数据帧包括标准帧或者扩展帧，数据帧格式为标识符ID、帧长度和数据段；所述的CAN总线为车辆内OBD接口所连接的CAN总线。

图2是根据一示范性实施例示出的CAN数据帧数据预处理的流程图，如图2所示，数据预处理可以包括：

步骤1011，CAN总线上的数据帧。

步骤1012，对具有相同ID的数据帧建立时间序列。

步骤1013，将时间序列中的数据帧按照接收时间戳进行排序。

步骤1014，对数据帧的长度进行一致性检查，包括：

检查同一标识符ID的帧长度字段值是否一致，不一致则舍弃该标识符ID的所有数据帧；

检查帧长度字段与数据段长度是否一致，不一致则只舍弃该数据帧。

步骤1015，对相同ID的数据帧的数据段按照二进制展开生成布尔矩阵X_ID。

图3是根据一示范性实施例示出的CAN数据帧各比特位的翻转频率计算流程图。如图3所示，确定数据帧各个比特位的翻转频率bf可以包括：

对数据帧布尔矩阵相邻两行的数据进行异或操作，得到该ID数据帧的异或矩阵XOR_ID，即

其中X_ID,i、X_ID,i+1分别为布尔矩阵X_ID中的第i、i+1行数据；

根据所述的异或矩阵XOR_ID，确定该ID中每一个比特位的翻转频率bf，计算公式为：

其中XOR_ID[i,j]为异或矩阵XOR_ID中的第i行第j列数据。

在一示范性实施例中，如图4所示，有一个跨字节的信号，左图为Motorola格式，右图为Intel格式，其中：

(a)对于Intel格式的跨字节的信号，具有如下特征：

bf[8×j]＞bf[8×j+15]＞0,(j＝[0,1,2,3,4,5,6])

(b)对于Motorola格式的跨字节的信号，具有如下特征：

0＜bf[8×j+7]＜bf[8×j+8],(j＝[0,1,2,3,4,5,6])

从图中可以看出，对于Motorola编码格式的信号，其比特位翻转频率的变化趋势一致，即信号连续编码；对于Intel编码格式的信号，其比特位翻转频率的变化趋势不一致，即信号编码不连续。

在一示范性实施例中，步骤103中根据各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式，包括：

统计各数据帧的比特位翻转频率满足(a)和(b)的个数，若符合特征(a)的个数多于符合特征(b)的个数，则该数据帧的编码格式为Intel格式，否则为Motorola格式。

在一示范性实施例中，步骤104中根据各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定该标识符ID数据帧内各个信号的起止边界，完成信号的抽取，包括：

对于编码格式为Intel的数据帧，翻转各个字节的顺序，即：

bf_new[8×j:8×j+8]＝bf[56-8×j:64-8×j],(j＝[0,1,2,3,4,5,6,7]

对于编码格式为Motorola的数据帧，其字节顺序不变，即：

bf_new＝bf

根据更新后的各比特位翻转频率bf_new，按照比特位翻转频率递增的顺序进行信号的分割，即若满足bf_new[p-1]＞bf_new[p]＜bf_new[q]＞bf_new[q+1]，则比特位[p:q]可被定义为一个信号。

在一示范性实施例中，步骤104中根据各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定该标识符ID数据帧内各个信号的起止边界，完成信号的抽取，包括：

根据所述的数据帧中各信号的边界，确定其信号的编码值，并根据编码值建立各个信号的时间序列，完成信号数值的提取；

利用皮尔逊相关系数计算各信号序列的两两之间相关程度，根据信号间相关程度，采用层次聚类方法对信号进行聚类，完成相似信号子集的提取。

例如，在车辆的左前轮速、右前轮速、左后轮速和右后轮速信号具有非常高的相关程度，通过聚类之后可以被划分为一个相似信号子集，只需要手工标记一个信号的物理含义就能推测子集内其它信号的物理含义。

图5是根据一示范性实施例示出的一种车辆内CAN数据帧信号提取装置框图，该装置包括：

501数据采集单元，用于在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧；

502数据预处理单元，用于根据所述的数据帧，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID；

503信号分割单元，用于根据所述布尔矩阵，确定数据帧各比特位的翻转频率bf；根据所述各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式；根据所述各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定各信号的起止边界；

504信号提取单元，用于根据所述的各信号的起止边界，建立各个信号的时间序列，测量各信号的相关程度，确定相似信号聚类子集。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆内CAN数据帧信号提取方法，其特征在于，包括：

在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧，记录各数据帧的接收时间戳；

根据所述数据帧，进行数据预处理，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID；

根据所述布尔矩阵，确定数据帧各比特位的翻转频率bf；

根据所述各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式；

根据所述各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定各信号的起止边界，完成信号的提取。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车辆正常状态包括车辆静止、开关车门、车辆正常行驶和车辆倒车；所述数据帧包括标准帧或者扩展帧，数据帧格式为标识符ID、帧长度和数据段；所述CAN总线为车辆内OBD接口所连接的CAN总线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据预处理包括：

检查同一标识符ID的帧长度字段值是否一致，不一致则舍弃该标识符ID的所有数据帧；

检查帧长度字段与数据段长度是否一致，不一致则只舍弃该数据帧。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID，矩阵大小为I×J，I为所采集的该ID的数据帧个数，J为该数据帧数据段的二进制位宽。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定数据帧各比特位的翻转频率bf，包括：

对数据帧布尔矩阵相邻两行的数据进行异或操作，得到该ID数据帧的异或矩阵XOR_ID，即：

其中X_ID,i、X_ID,i+1分别为布尔矩阵X_ID中的第i、i+1行数据；

根据所述异或矩阵XOR_ID，确定该ID中每一个比特位的翻转频率bf，计算公式为：

其中XOR_ID[i,j]为异或矩阵XOR_ID中的第i行第j列数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式，包括：

根据数据帧内各个字节的起止比特位翻转频率确定该数据帧的编码格式，其中编码格式为Motorola和Intel格式；

(a)对于Intel格式的跨字节的信号，具有如下特征：

bf[8×j]＞bf[8×j+15]＞0,(j＝[0,1,2,3,4,5,6])

(b)对于Motorola格式的跨字节的信号，具有如下特征：

0＜bf[8×j+7]＜bf[8×j+8],(j＝[0,1,2,3,4,5,6])

统计各数据帧的比特位翻转频率满足(a)和(b)的个数，若符合特征(a)的个数多于符合特征(b)的个数，则该数据帧的编码格式为Intel格式，否则为Motorola格式。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定该标识符ID数据帧内各信号的起止边界，包括：

对于编码格式为Intel的数据帧，翻转各个字节的顺序，即：

bf_new[8×j:8×j+8]＝bf[56-8×j:64-8×j],(j＝[0,1,2,3,4,5,6,7])

对于编码格式为Motorola的数据帧，其字节顺序不变，即：

bf_new＝bf

根据更新后的各比特位翻转频率bf_new，按照比特位翻转频率递增的顺序进行信号的分割。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据提取的所述数据帧中各信号的边界，确定其信号的编码值，并根据编码值建立各个信号的时间序列，完成信号数值的提取。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，提取信号后，利用皮尔逊相关系数计算各信号序列的两两之间相关程度，根据信号间相关程度，采用层次聚类方法对信号进行聚类，完成相似信号子集的提取。

10.一种车辆内CAN数据帧信号提取装置，其特征在于，包括：

数据采集单元，用于在车辆正常状态下采集CAN总线上的数据帧；

数据预处理单元，用于根据所述数据帧，确定各标识符ID的数据帧各比特位组成的布尔矩阵X_ID；

信号分割单元，用于根据所述布尔矩阵，确定数据帧各比特位的翻转频率bf；根据所述各比特位的翻转频率bf，确定该标识符ID数据帧的编码格式；根据所述各比特位的翻转频率bf和编码格式，确定各信号的起止边界；

信号提取单元，用于根据所述各信号的起止边界，建立各信号的时间序列，测量各信号的相关程度，确定相似信号聚类子集。

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