CN113302885A - 车载网络的以太网和控制器区域网络协议转换 - Google Patents

Abstract

对于车载网络，本发明公开了控制器区域网络(Controller Area Network，简称为CAN)帧和以太网帧之间在数据链路层基于CAN标识符的值进行协议转换的方法，这样传输优先级可以在出口以太网帧中表示，反之亦然。其他方法包括基于对应入口帧的数据链路层字段的值，对在转换后出口帧对应的输出端口之间进行交换和/或执行访问控制。

Description

车载网络的以太网和控制器区域网络协议转换

技术领域

本发明涉及通信协议，尤其涉及不同通信协议之间的转换，例如汽车内部网络中使用的通信协议。更详细地，本发明涉及控制器区域网络(Controller Area Network，简称为CAN) 帧和以太网帧之间的OSI二层转换，其中入(源)帧的传输信息优先级在转换后的出(输出) 帧中表示。本发明还涉及基于入口帧信息的入口帧交换和访问控制。

背景技术

CAN网络简单、便于与车辆控制器通信，因此目前成为了主流的车载网络。

由于高级辅助驾驶系统(Advanced Driving Assistant System，简称为ADAS)或高分辨率导航系统等新应用需要高带宽，汽车以太网网络在更多场景下用作车载网络。可以参考如下描述的多个IEEE标准来定义汽车以太网。

但是，演进到这种车载网络需要时间。CAN和汽车以太网共存这种状态将持续几十年。

图1示出了在部署场景中CAN与汽车以太网共存的示例。例如在车载网络中，CAN网络处理核心车辆功能，汽车以太网支持外部连接和高级应用，如车载诊断系统II(On-BoardDiagnostics，简称为OBDI II)、高级辅助驾驶系统(Advanced Driving AssistantSystem，简称为ADAS)，和人机接口(Human Machine Interface，简称为HMI)。这些网络之间通过转换设备进行互连。例如有两个CAN总线，车辆控制器单元、车身控制器和可选的其他控制器通过第一CAN总线连接，而电池管理单元、电池控制器单元和可选的其他控制器通过第二CAN 总线连接。

CAN是车载通信的主要现场总线。CAN协议(ISO 11898)定义了物理层和数据链路层。

OSI模型中数据链路层的CAN帧格式如图2所示。如上所述，数据链路层的CAN帧格式包括起始帧(start of frame，简称为SOF)、标识符、远程传输请求(remotetransmission request，简称为RTR)码、控制区、数据区(即净荷)、循环冗余校验(cyclicredundancy check，简称为CRC)、响应(ACK)和结束帧(end of frame，简称为EOF)。

CAN标识符(CAN ID)有两种格式，即11位和29位。CAN标准中数据区最多8字节。

奥迪、丰田等汽车制造商可以定义CAN标识符。例如，他们可以定义引擎系统的CAN帧标识符为0x010。他们还可以给数据区下定义。例如，数据区的第一个字节说明标识符为0x010的CAN帧的当前速度。交换机网关至少需要知道其处理的CAN ID。汽车制造商还可以给数据区下定义。例如，数据区的第一个字节说明标识符为0x010的CAN帧的当前速度。

在CAN总线通信过程中，发送端发送CAN消息，总线上的接收端根据CAN标识符选择要接收的CAN消息。一个标识符对应的消息可以发送到至少两个接收端。当两个节点在总线上同时发送两个CAN帧时，CAN标识符值较小的CAN帧传输优先级更高。CAN ID决定了在CAN网络中的优先级。例如，当标识符值为0时，CAN帧的优先级最高。CAN ID 0x000 小于CAN ID0x001。传输优先级由硬件仲裁器来保证。因此，CAN标识符可以视为CAN帧中的优先级标记。

汽车以太网和传统以太网不同。汽车以太网旨在提供更精确的时间同步和更好的网络业务质量，例如保证最大时延和抖动。对于指定的一组数据流，还可以预先预留网络资源，以保证传输质量。IEEE提供了一套额外的汽车以太网标准，即音频/视频桥接(Audio/Video Bridging，简称为AVB)。最新的版本为AVB 2代或时间敏感网络(Time-SensitiveNetwork，简称为TSN)。下面的表1列出了传统以太网和汽车以太网在OSI模型各层上的对比。

表1

在AVB中，为了实现提供更好的网络业务质量的目标，定义了新的协议和额外帧头。IEEE 802.1Qat定义了流预留协议(stream reservation protocol，简称为SRP)。在标准中，流量划分为SR-Class A和SR-ClassB。流量有最多7跳，保证SR-Class A流量最大时延为2ms，而 SR-Class B流量最大时延为50ms。IEEE 802.1Qat也可以通过流ID来识别流量。流ID的流量可以分配有预留的网络资源，如整个传输路径的预留带宽，以保证网络业务的质量，包括低时延和抖动。IEEE 802.1Qav定义了传统以太网和汽车以太网流量各自的调度算法。

图3示出了汽车以太帧的格式，其中b代表比特，B代表字节。虚拟局域网(VirtualLocal Area Network，简称为VLAN)标签中的长度为3比特的用户优先级在以太网中有8个不同的优先级值。用户优先级越高，帧在网络中的优先级越高。汽车以太网可以使用8个优先级值中的2个值，即2个可能的优先级级别。其他值预留给传统以太网，得到至少6个优先级级别，可以有8个优先级级别，即0、1、2、3、……7。用户优先级0小于用户优先级1，依此类推。

传统方案

汽车以太网和CAN之间的协议转换没有国际标准或工业标准。

现有的传统方法主要集中在传统以太网和CAN之间的转换。使用以太网承载CAN进行协议转换，如图5所示。将CAN帧转换为以太网帧时，可以将一个或多个CAN帧封装到以太网帧的净荷部分。将多个CAN帧聚合成一个以太网帧可以进一步降低传输带宽开销。将以太网帧转换为CAN帧时，进行相应的解封装。

另一种现有的传统方法支持汽车以太网与CAN之间在应用层的转换，一个CAN帧映射为一个以太网帧。因此，网关交换机的时延很高，转换帧传输相关的命令选项也有限。

然而，另一种现有的传统方法支持CAN到AVB协议转换。固定数量的CAN帧可以聚合为一个以太网帧。然而，这种传统方案只解决了降低转换时延的调度问题。

发明内容

在传统的协议转换方法中，没有一种方法考虑在目标网络帧中保留源网络帧优先传输的属性。在不考虑传输优先级的情况下，会导致网络不可用。例如，当以太网网络中的流量较大时，如果需要从CAN网络向以太网网络中的另一个节点发送一些紧急信息，转换帧会因为访问以太网时网关交换机内部的调度和带宽竞争而导致延迟。

另一个安全问题来自非对称带宽。以太网的带宽(例如，至少100Mbps)比CAN总线大得多(一般使用500Kbps)。当所述网关交换机没有严格的访问控制时，攻击者很容易从以太网发起拒绝服务攻击，导致CAN总线瘫痪。

为了解决上述一个或多个问题，本发明实施例提供了CAN帧和以太网帧之间单独或互相进行协议转换的方法、装置和计算机程序。本发明实施例还提供了把入口帧转换而来的出口帧交换到指定端口的方法，也提供了入口帧的访问控制方法。这些方法是在数据链路层执行的。

一方面，本发明提供了一种用于车辆的协议转换方法，包括：

-获取入口控制器区域网络(Controller Area Network，简称为CAN)帧，其中所述入口CAN帧的帧头包括CAN标识符，所述CAN标识符的值表示传输优先级；以及

-根据所述CAN标识符的值，在所述数据链路层将所述入口CAN帧转换为出口以太网帧，使得传输优先级可以在所述出口以太网帧中表示。

正如在背景技术中所讨论的，传输优先级是根据CAN标识符的值在CAN网络中执行的。在所述CAN总线上同时存在两个或更多帧时，CAN标识符的值最小的帧会优先在所述CAN总线上传输。CAN标识符可以有很多值，每个CAN标识符对应CAN网络中的一个目标节点。

以太网帧中的传输优先级可以通过VLAN标签字段的值来表示。VLAN标签字段的值越高，VLAN标签值越高。比其他以太网帧的VLAN标签值更高的帧优先在以太网网络中传输。

协议转换可以由网关实体或功能执行，所述网关实体或功能在数据链路层(OSI二层) 而不是高层上运行。所述网关可以包括执行转换功能的子模块，例如安全映射控制器。所述网关可以通过硬件或软件实现，可以包括逻辑实体。所述网关可以设置在网络中，例如在车辆网络中，网络中互连的以太网网络和CAN网络同时存在。所述网关也可以是交换机，根据预配置信息和对入口帧二层的解析执行网络之间的访问控制和/或接口或端口交换功能。在本文中术语“网关”和“交换机”常被互换使用，或者二者结合来实施一般功能。

所述以太网网络可以包括传统以太网和/或汽车以太网。传统以太网是汽车以太网之外的以太网。

VLAN标签在传统以太网中是可选的。当所述以太网网络包括传统以太网时，所述以太网网络使用VLAN标签，从而提供传输优先级信息。

所述CAN网络可处理核心车辆功能，例如车辆控制器、车身控制器、电池管理单元、电池控制器单元等。所述汽车以太网网络可以支持外部连接和高级应用，例如人机接口(Human Machine Interface，简称为HMI)和高级辅助驾驶系统(Advanced DrivingAssistant System，简称为ADAS)等。本领域技术人员应了解还有其他的可能的应用场景。

所述网关或交换机可以有一个入口/出口以太网端口，一个入口/出口CAN端口。优选地，交换机上有两个入口/出口CAN端口。对于不同的控制器，每个CAN端口可以连接到不同的 CAN总线。所述网关或交换机可以有连接到每个端口的输入和输出缓冲区。

所述网关或交换机可以通过接收入口CAN端口上的CAN帧来获取入口CAN帧。通过在数据链路层进行转换，所述网关或交换机可以只在数据链路层或其以下的层解析帧。

CAN收发器/控制器可以支持CAN2.0A和B标准，以太网收发器可以同时支持传统和汽车以太网。

所述网关或交换机可以预配置关于CAN标识符的所有可能值或识别、分类或分组CAN 标识符的方法的信息。

在将入口CAN帧转换为以太网帧后，所述交换机可以在指定的出口以太网端口上输出出口以太网帧。

系统假设CAN收发器支持CAN2.0A和B标准，以太网收发器支持传统和汽车以太网。

如本领域技术人员所知道的，所述交换机或网关可以对帧执行传输、解析、组合功能。

在一种可能的设计中，所述转换包括：

将所述CAN标识符的值映射为所述出口以太网帧的一个或多个数据链路层字段，所述字段包括VLAN标签字段、以太网类型字段、流ID字段、源地址字段和目的地址字段。

可以根据所述网关或交换机通过表、规则或逻辑提供的预配置进行映射。

相对于11或29比特固定大小的CAN ID，考虑到每个可能的目标字段在比特数方面的差异，以及可能的字段组合，映射可以通过各种方式进行。本发明不限定于以上方式，只要目标网络中的实体知道映射的方式来解析传输优先级。

在一种可能的设计中，所述转换包括将所述CAN标识符的值映射为所述VLAN标签字段的用户优先级字段的值。

优选地，所述CAN标识符的值只映射为VLAN标签字段，同时考虑到以太网帧类型中可用的优先级级别。

同样，VLAN标签的值反过来可以映射为CAN ID。

在一种可能的设计中，所述转换包括将所述CAN标识符的较小值映射为所述用户优先级字段的较大值。

由于CAN标识的可能取值范围较大，因此CAN ID和以太网帧头中的表达之间的映射可以是多对少数的关系，或者是多对一的关系。对于VLAN ID映射为CAN ID，映射关系可以是少数对多的关系，或者是一对多的关系。对于VLAN ID映射为用户优先级字段，最多可以用有8个可能值的优先级来表示。

当用户优先级为0，且VLAN标识符为0时，可以映射为特定的CAN ID值，可以在特定CAN总线上优先广播CAN帧。

在一种可能的设计中，在所述映射过程中，所述CAN标识符所有可能的值为2个子组，每个子组分别映射为用户优先级字段的不同值。

这适用于AVB。

在一个可能的设计中，在所述映射过程中，所述CAN标识符所有可能的值为8个子组，每个子组分别映射为用户优先级字段的不同值。

这适用于传统以太网。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

将所述入口CAN帧数据字段中的数据传输到所述出口以太网帧的净荷字段；

或者

将所述入口CAN帧封装在所述出口以太网帧中；

或者

如果所述获取入口CAN帧包括获取第一和第二入口CAN帧，每个入口CAN帧包括第一和第二CAN帧头，其中所述第一和第二帧头相同，所述方法包括：

将所述入口CAN帧信息转移到所述出口以太网帧的元数据；以及

将每个所述入口CAN帧的数据字段中的数据转移到所述出口以太网帧的净荷字段；

或者

如果所述获取入口CAN帧包括获取第一和第二入口CAN帧，每个入口CAN帧包括第一和第二CAN标识符，所述第一和第二CAN标识符分别具有对应第一和第二CAN标识符的第一值和第二值，其中，所述第一和第二值均映射为用户优先级字段的相同值，所述方法包括：

将所述CAN标识符映射为用户优先级字段的相同值；

将所述入口CAN帧信息转移到所述出口以太网帧的元数据；以及

将每个入口CAN帧封装在所述出口以太网帧中。

可以通过多种方式实现从CAN到以太网的转换：(1)一个CAN帧封装在一个以太网帧中。(2)几个CAN帧封装在一个以太网帧中。(3)有共同帧头的几个CAN帧分解和聚合在一个以太网帧中。在出口以太网帧中内嵌元数据，这样网关交换机可以区分不同的封装。

将所述入口CAN帧数据字段中的数据转移到所述出口以太网帧的净荷字段时，其他字段可以被丢弃或忽略，从而节省净荷空间。所述CAN标识符的值按照本文所公开的方式进行映射。

多个入口CAN帧可以聚合成一个出口以太帧，从而提升效率。如果只保留数据，会进一步提升效率。进一步地，可以将相同传输优先级的入口CAN帧一起传输，从而提高以太网网络中的按照优先级来接收的效果。

在所述出口以太网帧中封装CAN帧时，提取并保留每个CAN ID。进一步地，通过将CAN ID映射为用户优先级(和其他可选字段)，可以保留CAN ID表示的优先级信息。因此，所有信息都得到保存。

在一种可能的设计中，所述出口以太网帧的元数据中的所述入口CAN帧信息包括一个入口CAN帧或每一个所述入口CAN帧的信息；

所述元数据包括以下一个或多个信息：

所述入口CAN帧或每一个所述入口CAN帧的帧头；

所述出口以太网帧中表示的部分或全部CAN帧数量；

所述出口以太网帧包括所述CAN帧的方式；以及

所述出口以太网帧的生成时间戳。

所述方式是指是否封装了CAN帧，或者只封装了其相关字段，例如净荷数据字段。

所述时间戳用于标记所述以太网帧生成的时间。所述时间戳提供已内嵌CAN帧之外的信息。所述元数据可以内嵌在以太网帧的净荷中。

在一种可能的设计中，入口或出口以太网帧包括具有VLAN标签的传统以太网帧或汽车以太网帧。

在本发明中，汽车以太网可以定义为网络二层(数据链路层)以上的AVB和传统以太网、以及可选的特殊物理层(100BASE-T1和IEEE 802.3bw)的一套标准。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

-获取入口以太网帧；

-基于所述入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，在所述数据链路层将所述入口以太网帧转换为出口CAN帧。

在以太网到CAN转换的过程中，用户优先级值可以确定优先级，和/或确定在哪些出口 CAN端口上进行广播的方式。

可以通过两种方式进行转换。例如，诊断例程可以指示包括CAN帧的入口以太网帧转换和交换到目标总线。返回的包括来自CAN网络控制器的报告信息的CAN帧可以转换为以太网帧。

在一种可能的设计中，所述入口以太网帧的所述多个数据链路层字段包括以下字段：目的地址字段、源地址字段、VLAN标签字段、以太网类型字段和IEEE 1722数据流字段。

所述目的地址字段和源地址字段包括MAC地址。

在一种可能的设计中，所述VLAN标签字段包括以下字段：标签协议ID、用户优先级、规范格式指示符、VLAN ID，和/或IEEE 1722数据流字段包括以下字段：帧头、流ID、时间戳、网关信息和报文信息。这些字段也可以部分或全部用于交换到出端口。

在一种可能的设计中，所述在所述数据链路层将所述入口以太网帧转换为出口CAN帧包括：

将所述入口以太网帧中的一个或每个CAN帧解封装为相应的出口CAN帧。

或包括：

将所述入口以太网帧中的数据转移到所述出口CAN帧的数据字段中，例如，所述数据是之前从一个CAN帧中提取并存储在所述入口以太网帧中的数据。

在一种可能的设计中，所述在所述数据链路层的转换包括仅在数据链路层进行转换。可以不在协议栈中的高层进行处理。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

-基于一个或每个入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，确定每个出口CAN帧的第一传输方式；和/或

-基于一个或每个入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和每个入口以太网帧中所述或每个CAN帧的CAN标识符的值，确定每个出口CAN 帧的第二传输方式；

-基于一个或每个入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和流ID的值，确定每个出口CAN帧的第三传输方式。

基于上述确定，交换机可以执行交换，即传输方式。优选地，用户优先级是与其他字段 (例如一个或多个MAC字段、流ID)一起使用的参考字段。可以使用预配置的规则表或逻辑等来确定传输方式。

可以分别对访问控制和协议转换进行交换。

可以通过在入口以太网帧中仅有数据和可选的各自的CAN ID来表示CAN帧。

流ID可以指AVB中的流ID。

在一种可能的设计中，所述第一或第二传输方式包括：

从对应的出口CAN端口单播传输所述出口CAN帧；

从对应的出口CAN端口广播传输；以及

从对应的出口CAN端口组播传输；

其中，每个CAN端口分别对应不同的CAN总线。

广播或多播利用交换机的帧复制。组播使用三个端口。广播或单播使用至少两个端口。在汽车以太网部署场景中，常见的配置为两个CAN端口。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

-基于所述或每个入口CAN帧的CAN标识符的值，确定每个对应的出口以太网帧的第三传输方式；

-其中，所述第三传输方式为以下方式之一：

ο从对应的出口以太网端口单播传输所述出口以太网帧；

ο从对应的出口以太网端口广播传输；以及

ο从对应的出口以太网端口组播传输。

端口可以连接到不同的总线或实体。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：

-基于入口CAN帧或入口以太网帧各自的数据链路层信息，对入口CAN帧或入口以太网帧进行访问控制。

访问控制可以使用黑名单和/或白名单进行过滤。如果入口帧被阻塞，则不做进一步处理。可以分别对交换和协议转换进行访问控制。

如果通过访问控制，则可以进行协议转换和(可选)交换。

访问控制提高了车辆网络防护攻击的安全性。车辆可能是在拥挤的环境中以一定速度移动的汽车、自行车、飞机、火车、公共汽车等，需要减少恶意攻击。

在一种可能的设计中，所述数据链路层信息包括所述入口CAN帧的CAN标识符或所述入口以太网帧的帧头信息。

帧头信息具体可以包括MAC地址信息。

另一方面，本发明提供了一种网络网关，用于连接车辆中的入口/出口以太网端口和入口 /出口CAN端口，其中，所述网关用于执行本文所公开的任何方法。

另一方面，本发明提供一种处理器，包括计算单元和存储器，所述存储器存储指示所述计算单元执行本文所公开的方法的指令。

本发明的另一个方面提供一种用于切换到目标CAN总线的方法，车载网络中入口以太网帧包括一个或多个CAN帧，所述方法包括：

-基于所述入口以太帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，确定每个出口CAN帧的第一传输方式；

和/或

-基于所述入口以太帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和每个入口以太网帧中所述或每个CAN帧的CAN标识符的值，确定每个出口CAN帧的第二传输方式；和/或

-基于所述入口以太帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和流ID的值，确定每个出口CAN帧的第三种传输方式。

-根据确定的传输方式，传输所述或每个出口CAN帧。

如本文所公开的，CAN帧用整个或部分封装来表示。所述方法可以根据本文中公开的其他方法进行适配，例如，在保持传输优先级的同时提供转换，或对入口帧进行访问控制。

与传统方案相比，本发明提供的方案可以高效地执行协议转换，而不需要遍历整个协议栈，并且可以保留传输优先级信息。从而提高车辆的网络安全性，可以将转换后的帧发送到目标网络中的目标总线，从而减少消息拥塞和资源浪费。

附图说明

图1a是现有技术中车载网络等部署场景下的CAN与汽车以太网共存的示意图；

图1b是现有技术中在车辆中CAN和汽车以太网网络互连的示意图

图2是数据链路层CAN帧格式的示意图；

图3是数据链路层汽车以太网帧的示意图；

图4示出了OSI模型、TCP/IP模型和汽车以太网中的层的对比；

图5是本发明提供的方法实施例的流程图；

图6是本发明提供的另一方法实施例的流程图；

图7a是本发明实施例提供的一种用于转换以太网帧和CAN帧格式的转换模块示意图；

图7b是本发明实施例提供的一种用于转换和交换以太网帧和CAN帧格式的网关交换机示意图；

图8是数据链路层的汽车以太网帧的、说明参考字段的分解图；

图9a至图9c是本发明实施例提供的将CAN帧转换为以太网帧的不同方式的说明图；以及

图10a和图10b是本发明实施例提供的以太网与CAN网络之间进行访问控制的不同方式的说明图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

因为背景技术部分详细描述了图1至3，下面仅对图1至3作简要说明。

图1示出了连接汽车以太网网络30和CAN网络23、27的转换设备。所述转换设备10具有本文所公开的现有技术中的功能。

图1b示出了现有技术中车辆40中的通过转换设备10互连的汽车以太网30和CAN网络 23、27。

图2示出了数据链路层的典型CAN帧50，包括CAN标识符字段60和数据字段70等各种字段。

图3示出了汽车以太网帧80的格式。虚拟局域网(Virtual Local Area Network，简称为 VLAN)标签90中的长度为3比特的用户优先级字段100在以太网中有8个不同的优先级值。在传统以太网帧中，所述VLAN标签90是可选的。

从图4所示的对比中可以看出，CAN标准ISO 11898-1和ISO 11898-2、3对应物理层和数据链路层。在以太网中，IEEE 802.3bw-2015的100BASE-T1对应物理层。如图所示，AVB对应好几层。和本发明特别相关的是数据链路层对应的AVB各层，包括IEEE 1722二层AVB传输协议(IEEE 1722Layer-2 AVB Transport Protocol)、IEEE 802.1AS精准时间同步协议(IEEE 802.1AS Precision Time Protocol)、IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qat。

图5示出了本发明提供的方法的第一实施例中可以执行的动作。在第一实施例中，可选动作用虚线表示。

通常情况下，该方法用于入口CAN帧，并通过将入口CAN帧转换为出口以太网帧来产生出口以太网帧。如本文所公开的，第一实施例的方法可以在多个入口CAN帧上执行。在存在多个入口CAN帧的情况下，通过提取相关信息，如CAN ID(可以转换和可选地保留)和数据字段，或者通过提取和转换CAN ID以及封装每个入口CAN帧，在出口以太网帧中表示入口CAN帧。

在所述获取500入口CAN帧的步骤中，其中，所述入口CAN帧的帧头包括CAN标识符，所述CAN标识符的值表示传输优先级，获取到所述入口CAN帧中的对应的CAN标识符。

可选地，所述方法的下一个步骤510是对所述入口CAN帧进行访问控制。可以根据所述 CAN帧头中的字段(例如CAN ID)、白名单或黑名单，对所述入口CAN帧进行解析。如果字段在白名单上，可以对所述CAN帧进行转换和/或交换。如果字段在黑名单上，所述CAN 帧不是目标网络的，不进行转换或交换。

然后执行在数据链路层上进行转换520的动作。根据所述CAN标识符的值将所述入口 CAN帧转换为出口以太网帧，使得传输优先级可以在所述出口以太网帧中表示。将获取到的 CAN标识符的值转换为对应的出口以太网帧的数据链路层的一个或多个帧头字段。可以根据映射关系进行转换。可以将所述CAN标识符的值映射为VLAN标签，特别是其中的用户优先级字段。映射的原理是，将较小的CAN ID值映射为用户优先级标签中的较大值。多个CAN ID可以映射为VLAN标签或用户优先级字段的一个值。例如，属于一个范围的多个CANID 映射为一个VLAN值，一个CAN ID映射为另一个VLAN值，属于另一个范围的多个CAN ID映射为另一个VLAN值。映射还有其他可能的排列和组合。

在转换520步骤中，净荷也进行了转换。图9a至图9c描述了三种不同的转换入口CAN 帧的方式。

然后输出转换后的以太网帧。

可选的，确定530转换后的以太网帧的传输方式。可以根据映射关系来确定，这样某些 CAN ID60可以映射为相应的出口以太网端口。

发明内容中提供了方法步骤的进一步实施细节。

所述方法也可以(或者结合相互转换)针对入口以太网帧来执行，并输出一个或多个出口CAN帧。所述入口以太网帧可以包括一个或多个CAN帧的表示或封装。在这种情况下，所述或每个CAN帧生成或解封装为出口CAN帧。

图6示出了本发明提供的方法的第二实施例中可以执行的动作。在第二实施例中，可选动作用虚线表示。

所述方法针对入口以太网帧来执行，通过将入口以太网帧转换为出口CAN帧来生成出口 CAN帧。

在入口以太网帧中可以表示多个CAN帧。例如，两个或多个CAN帧完全封装在入口以太网帧中。在另一个例子中，只有几个CAN帧的数据字段可以存储在入口以太网帧中。可选的，他们的CAN ID也可以存储在入口以太网帧中。否则，他们的CAN ID在本文所公开的以太网字段头中表示。可选地，以太网帧可以包括本文所公开的元数据。

在所述获取600入口以太网帧，其中所述入口以太网帧的帧头包括VLAN标识符，所述 VLAN标识符的值表示传输优先级的步骤中，获取了所述VLAN标签的值。所述VLAN标签的值，例如用户优先级，也可以通过映射或规则来指示CAN帧交换到哪些CAN端口。

可选的，第二实施例方法的下一个步骤610是对所述入口以太网帧进行访问控制。可以根据所述以太网帧头中的字段(例如VLAN标签、源地址或目的地址)、白名单或黑名单，对所述入口以太网帧进行解析。如果字段在白名单上，可以对所述以太网帧进行转换和/或交换。如果字段在黑名单上，所述以太网帧不是目标网络的，不进行转换或交换。因此，所述目标网络更安全。

然后执行在数据链路层上进行转换620的动作。所述入口以太网帧被转换为一个或多个 CAN帧，分别对应于所述入口以太网帧中表示的CAN帧。这可以包括根据数据和CANID 重新创建CAN帧，或解封装CAN帧。可选的，根据所述VLAN标签的值进行转换，使得传输优先级可以通过每个CAN帧的CAN ID在所述出口CAN帧中表示。可以根据映射关系进行转换。转换映射操作可以与第一实施例描述的操作相同。

然后，确定630转换后的CAN帧的传输方式。本实施例中的传输方式可以应用于本文所公开的其他实施例中的传输方式。所述传输方式可以根据映射关系来确定，这样表示的CAN 帧可以映射为某些相应的出口CAN端口。可以预配置映射规则。可以根据入口以太网帧的二层帧头中的参考信息进行映射，可选的，也可以根据表示的CAN帧中的信息进行映射。所述参考信息可以是图8所示的一个或多个字段。例如，使用入口以太网帧的VLAN标签字段的两个字段，即VLAN ID和用户优先级标记。例如，当VLAN ID的值为0，用户优先级的值为0时，将转换后的CAN帧广播到所有CAN总线。

所述确定630和所述转换620的顺序可以互换或并行执行。

然后输出转换后的以太网帧。

发明内容中提供了方法步骤进一步的实施细节。

图7a和图7b示出了入口帧190和出口帧210以及相应的转换后的出口帧190、210。转换可以是单向或双向的。在一个实施例中，转换由CAN-以太网网关交换机110或所述网关交换机110内部的安全映射控制器120等转换单元执行。所述网关交换机用于执行本文所公开的任一实施例的方法。

在图7a中，一个以太网总线通过数据缓冲区130与转换单元通信。所述转换单元通过各自的缓冲区140与两个CAN入口端口150/出口端口160进行通信，分别对应不同的CAN总线。

入口以太网帧可以通过与入口/出口以太网端口170、180通信的缓冲区130存储。在本实施例中，入口/出口是指双向的端口。在单向转换的情况下，端口可能是单向的，因此只能是入口或出口。

以太网帧190包括CAN帧的表示200。图中示出了两种表示方式：在第一种方式中，一个以太网帧包括一个CAN帧，而在第二种方式中，以太网帧190包括两个或多个CAN帧。

当所述以太网帧为入口以太网帧时，所述转换单元将所述入口以太网帧转换为本发明实施例公开的出口CAN帧。所述两个总线之间的交换也可以按照本文公开的方式来执行。

当所述CAN帧为入口CAN帧时，所述转换单元将所述入口CAN帧转换为本发明实施例公开的一个或多个出口以太网帧。

在图7b中，两个以太网总线通过端口170、180和数据缓冲区130与所述网关交换机110 通信。所述网关交换机通过各自的缓冲区140与两个CAN入口端口150/出口端口160进行通信，分别对应不同的CAN总线。

所述安全映射控制器120根据预配置的转换规则和预配置的交换规则，对入口报文和出口报文进行转换和/或交换。

与图7a相比，图7b是一种简化的表示形式，在总线上不显示多个帧或封装的CAN帧。但是，在本实施例中两者都可以使用。

图8示出了如本文所公开的可以作为参考信息的以太网帧头中的二层字段。图8示出了汽车以太网和传统以太网字段。所述字段包括：目的地址，源地址，VLAN标签，以太网类型，IEEE 1722数据流。所述VLAN标签字段包括标签协议、用户优先级、规范格式指示符、VLAN ID字段。IEEE 1722数据流字段包括帧头、流ID、时间戳、网关信息、报文信息。IEEE1722数据流字段的净荷不能作为参考字段之一。

图9a至图9c示出了将净荷部分或所有入口CAN帧转换为出口以太网帧的三种不同方式。

第一种方式是一对一映射，如图9a所示。其中，有数据字段70的一个CAN帧50映射为一个以太网帧220。通过这种方式，元数据250包括由所述网关交换机插入的时间戳和描述，所述描述说明在所述以太网帧中内嵌了多少CAN帧，以及他们是如何内嵌的。在这种情况下，所述元数据只指示一个。所述时间戳用于标记所述以太网帧生成的时间。所述时间戳提供已内嵌CAN帧之外的信息。CAN帧数是一个所述网关交换机用于区分封装类型的指标。

第二种方式，如图9b所示，在以太网帧230中内嵌多个CAN帧50。当封装了一个以上的CAN帧时，包括元数据的任何开销平均都相应地降低了。

第三种方式，如图9c所示。针对有相同帧头的多个CAN帧。在一个以太网帧240中内嵌多个CAN静荷70，而在所述元数据中包括所述入口CAN帧的相同或相似的CAN帧头。每个入口CAN帧可以有相同的CAN ID。第三种方式比第一种和第二种方式节省了开销。

图10a示出了本文所公开的由网络间网关交换机110执行的简单的一至一传输方式。交换机规则决定从哪个接口流向哪个或哪些接口。所述网关交换机也可以处理访问控制。对于所述网关交换机的接口150、160 170、180，都有一个基于二层信息的过滤器。过滤器可以是白名单、黑名单、两名单的组合或更灵活的设置，例如将流量传输到高层的进程。

所述网关交换机110的安全映射控制器120可以在确定交换方式时使用至少两个不同的交换规则。第一个交换规则是一对一。当入口帧允许流到另一个接口，即通过访问控制时，所述安全映射控制器进行转换，然后将转换后的帧放入目标接口的传输缓冲区。第二个交换规则是在每个方向一对多，如图10b所示。可以是组播，也可以是广播。所述安全映射控制器进行协议转换后，会对转换后的帧进行广播或多播。

为了进一步说明本文所公开的方法和网关交换机的应用，下面进一步描述四个实施例。

第三实施例涉及一种诊断服务。车辆提出诊断请求，以查询整个车辆的状态。所述车辆开始命令激活诊断过程。所述命令通过以太网和CAN网络发送到车辆中所有被诊断的控制器。这些控制器的状态信息返回给发送所述命令的源端。

在实施例三中，传输优先级不高。而本实施例的目的是要将命令广播或多播到所查询的控制器中。

下面的表2提供了一个确定如何将所述命令从以太网传输到CAN网络的示例。

所述命令以以太网帧(承载着具有代表性的CAN帧)的形式，从第一以太网接口进入所述网关交换机，然后转换为CAN帧。

接着，这些CAN帧被发送到第一CAN接口和第二CAN接口，如图10b左侧部分所示。

表2

更详细地，当以太网帧到达以太网口1时，所述网关交换机对头部进行分析，如果用户优先级值为3，且内嵌CAN帧的CAN ID为0x201，则解封装所述帧并广播给所有CAN总线。这里的优先级3指AVB流量的常用优先级。所述CAN ID值仅仅为示例，可忽略。

为了从所述以太网帧中内嵌的CAN帧中解析出CAN ID，所述网关交换机参考所述以太网帧的净荷部分。

从多个不同CAN ID的控制器上采集状态信息。为了进一步节省以太网中的带宽，不同 CAN ID的CAN帧可以聚合在少数几个以太网帧。此外，为了保证稳定性加强响应，生成的以太网帧分配了相同的流ID，这样所述流ID可以使用流预留协议。表3提供了聚合CAN帧和提供流ID的规则的示例。

表3

在交换规则中，可以将特定CAN ID的CAN帧交换到以太网口1上。以太网口2等其他接口可能不会使用。将CAN帧聚合成流ID为A的以太网帧。

第四实施例涉及一种车辆诊断请求，用于查询控制器在某一时间段的状态。车辆开始命令激活诊断过程。所述命令通过以太网和CAN网络发送到被诊断的控制器。因此，只涉及一对一映射和单播，如表4所示。

表4

在返回方向(CAN到以太网)，被诊断的控制器的状态信息传输回源端。承载状态信息的CAN帧可以有相同的CAN ID。因此为了进一步节省以太网带宽，可以通过帧净荷来聚合CAN帧，即返回的CAN帧不是整个封装的。这些帧的共同(即相同)帧头被内嵌到生成的出口以太网帧中的元数据部分。表5提供了聚合规则的示例。

表5

第五实施例涉及空中软件升级。批量数据进入车辆中，如进入控制器中。升级包从服务提供商处下载到车载以太网网络。升级中的控制器在CAN网络中。为了保证从以太网到CAN 的稳定传输，升级包传输使用流预留协议，每个以太网帧包括多个CAN帧和一个流ID。表 6说明了可执行的动作。

表6

第六实施例涉及访问控制。所述网关交换机的每一接口都有一个过滤器或一组过滤器。表7提供了所采取的过滤动作的示例。

表7

以上描述仅公开了较佳实施例，并不旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员应理解，上述实施例以及根据本发明权利要求的范围获得的所有或部分其他实施例和修改均在本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种用于车辆的协议转换方法，其特征在于，包括：

-获取入口控制器区域网络(Controller Area Network，简称为CAN)帧，其中，所述入口CAN帧的帧头包括CAN标识符，所述CAN标识符的值表示传输优先级；以及

-根据所述CAN标识符的值，在所述数据链路层将所述入口CAN帧转换为出口以太网帧，使得传输优先级可以在所述出口以太网帧中表示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转换包括：

将所述CAN标识符的值映射为所述出口以太网帧的一个或多个数据链路层字段，所述字段包括VLAN标签字段、以太网类型字段、流ID字段、源地址字段和目的地址字段。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述转换包括将所述CAN标识符的值映射为所述VLAN标签字段的用户优先级字段的值。

4.根据权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于，所述转换包括将所述CAN标识符的较小值映射未所述用户优先级字段的较大值。

5.根据权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于，在所述映射过程中，所述CAN标识符所有可能的值划分为2个子组，每个子组分别映射为所述用户优先级字段的不同值。

6.根据权利要求2至5任一项所述的方法，其特征在于，在所述映射过程中，所述CAN标识符所有可能的值划分为8个子组，每个子组分别映射为所述用户优先级字段的不同值。

7.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述入口CAN帧数据字段中的数据转移到所述出口以太网帧的净荷字段；

或者

将所述入口CAN帧封装在所述出口以太网帧中；

或者

如果所述获取入口CAN帧包括获取第一和第二入口CAN帧，其中，每个入口CAN帧包括第一和第二CAN帧头，所述第一和第二帧头相同，所述方法包括：

将所述入口CAN帧信息转移到所述出口以太网帧的元数据；以及

将每个所述入口CAN帧的数据字段中的数据转移到所述出口以太网帧的净荷字段；或者

如果所述获取入口CAN帧包括获取第一和第二入口CAN帧，其中，每个入口CAN帧包括第一和第二CAN标识符，所述第一和第二CAN标识符分别具有对应第一和第二CAN标识符的第一值和第二值，所述第一和第二值均映射为用户优先级字段的相同值，所述方法包括：

将所述CAN标识符映射为用户优先级字段的相同值；

将所述入口CAN帧信息转移到所述出口以太网帧的元数据；以及

将每个入口CAN帧封装在所述出口以太网帧中。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述出口以太网帧的元数据中的所述入口CAN帧信息包括一个入口CAN帧或每一个所述入口CAN帧的信息；

所述元数据包括以下一个或多个信息：

入口CAN帧的帧头；

所述出口以太网帧中的CAN帧数量；

所述出口以太网帧包括所述CAN帧的方式；以及

所述出口以太网帧的生成时间戳。

9.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，入口或出口以太网帧包括具有VLAN标签的传统以太网帧或汽车以太网帧。

10.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，还包括：

-获取入口以太网帧；

-基于所述入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，在所述数据链路层将所述入口以太网帧转换为出口CAN帧。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述入口以太网帧的所述多个数据链路层字段包括以下字段：目的地址字段、源地址字段、VLAN标签字段、以太网类型字段和IEEE1722数据流字段。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述VLAN标签字段包括以下字段：标签协议ID、用户优先级、规范格式指示符、VLAN ID，和/或IEEE 1722数据流字段包括以下字段：帧头、流ID、时间戳、网关信息和报文信息。

13.根据权利要求10至12任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述数据链路层将所述入口以太网帧转换为出口CAN帧包括：

将所述入口以太网帧中的一个或每个CAN帧解封装为相应的出口CAN帧。

或包括：

将所述入口以太网帧中的数据转移到所述出口CAN帧的数据字段中，例如，所述数据是之前从一个CAN帧中提取并存储在所述入口以太网帧中的数据。

14.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述在所述数据链路层的转换包括仅在数据链路层进行转换，例如不在协议栈中的高层进行处理。

15.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，还包括：

-基于一个或每个入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，确定每个出口CAN帧的第一传输方式；和/或

-基于一个或每个入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和每个入口以太网帧中所述或每个CAN帧的CAN标识符的值，确定每个出口CAN帧的第二传输方式；

-基于一个或每个入口以太网帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和流ID的值，确定每个出口CAN帧的第三传输方式。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一或第二传输方式包括：

从对应的出口CAN端口单播传输所述出口CAN帧；

从对应的出口CAN端口广播传输；以及

从对应的出口CAN端口组播传输；

其中，每个CAN端口分别对应不同的CAN总线。

17.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，还包括：

-基于所述或每个入口CAN帧的CAN标识符的值，确定每个对应的出口以太网帧的第三传输方式；

-其中，所述第三传输方式为以下方式之一：

o从对应的出口以太网端口单播传输所述出口以太网帧；

o从对应的出口以太网端口广播传输；以及

o从对应的出口以太网端口组播传输。

18.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，还包括：

-基于入口CAN帧或入口以太网帧各自的数据链路层信息，对入口CAN帧或入口以太网帧进行访问控制。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述数据链路层信息包括所述入口CAN帧的CAN标识符或所述入口以太网帧的帧头信息。

20.一种网络网关，其特征在于，用于连接车辆中的入口/出口以太网端口和入口/出口CAN端口，其中，所述网关用于执行上述权利要求任一项所述的方法。

21.一种处理器，其特征在于，包括计算单元和存储器，其中，所述存储器存储指令，用于指示所述计算单元执行上述权利要求任一项所述的方法。

22.一种用于切换到目标CAN总线的方法，其特征在于，车载网络中入口以太网帧包括一个或多个CAN帧，所述方法包括：

-基于所述入口以太帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，确定每个出口CAN帧的第一传输方式；

-和/或

-基于所述入口以太帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和每个入口以太网帧中所述或每个CAN帧的CAN标识符的值，确定每个出口CAN帧的第二传输方式；和/或

-基于所述入口以太帧的一个或多个数据链路层字段提供的参考信息，和流ID的值，确定每个出口CAN帧的第三种传输方式。

-根据确定的传输方式，传输所述或每个出口CAN帧。

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