CN115412396A - 一种车载以太环网诊断方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载以太环网诊断方法及系统，包括车载以太环网节点、车载以太环网诊断节点；车载以太环网节点具备采集自身状态信息的能力，实现控制数据和流量数据的标准以太封装，并具备ERPS环网冗余功能，通过控制数据的交互实现车载以太环网的冗余；车载以太环网诊断节点，通过串联入车载以太环网中，实现对车载以太环网节点的状态信息、控制数据和流量数据的监控；具备车载以太环网的策略功能，实现监控信息的策略分析，并将分析结果输出到诊断功能模块，诊断出车载以太环网的异常情况。本发明实现车载以太环形组网下异常情况的诊断，大大提高了车载以太环网的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化以及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种车载以太环网诊断方法及系统。
背景技术
当前以太网通信技术快速发展，在工业自动化、航空航天、自动驾驶等众多领域，都有了较大规模的应用和实践。尤其车载领域，对于控制流量、数据流量需要高可靠性传输的场景，以太环网冗余协议ERPS有广泛应用。但是，目前基于以太环网冗余协议的网络传输路径的异常探测，发生异常情况只是简单切换通信流量的传输路径，无法做到用户及时感知链路异常的发生。所以，迫切需要引入一种车载以太环网诊断机制，保障车载以太环网异常情况的及时反馈。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种车载以太环网诊断方法及系统，在车载以太环网节点部署环网冗余协议ERPS，在车载以太环网诊断节点部署车载以太环网诊断机制，利用车载以太环网诊断系统的监控模块进行信息采集和数据透传，实现车载以太环网的诊断，确保工业自动化以及自动驾驶领域网络的可靠性。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种车载以太环网诊断系统，包括车载以太环网节点、车载以太环网诊断节点；车载以太环网节点，采集自身状态信息，实现控制数据和流量数据的标准以太封装，具备环网冗余功能，通过控制数据的交互实现车载以太环网的冗余；
车载以太环网诊断节点，包括监控模块、策略模块和诊断模块；监控模块具备车载以太环网的监控功能，实现车载以太环网节点状态信息数据的采集，实现对车载以太环网节点的控制数据和流量数据的监控；策略模块具备车载以太环网的策略功能，实现监控信息的策略分析，并将分析结果输出到诊断模块；诊断模块具备车载以太环网的诊断功能，基于策略功能的分析输出，诊断出车载以太环网的异常情况。
进一步地，车载以太环网节点，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给一个车载以太环网节点，并通过备用以太链路发送另一个车载以太环网节点。
进一步地，车载以太环网诊断节点，部署车载以太环网诊断机制，基于全量的车载以太环网节点的状态信息、控制数据和流量数据，做出整个车载以太环网的诊断结果。
一种车载以太环网诊断方法，包括步骤：
步骤1，车载以太环网节点，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给一个车载以太环网节点，并通过备用以太链路发送另一个车载以太环网节点；
步骤2，车载以太环网节点发起数据传输，给流量数据报文封装ETH报文头，以标准以太网数据帧的形式发送，并通过以太链路传输到其他的车载以太环网节点；
步骤3，车载以太环网诊断节点，部署车载以太环网诊断机制，串联在备用以太网链路上，并透传所有数据，监控全量的车载以太环网节点的状态信息、控制数据和流量数据；
步骤4，车载以太环网诊断节点，基于步骤3监控得到的信息，匹配车载以太环网诊断策略；
步骤5，车载以太环网诊断节点，结合步骤4中匹配到的策略，做出车载以太环网的异常诊断。
进一步地，步骤3中，监控模块，监控车载以太环网上的所有流量，根据报文类型判断是控制报文还是数据报文；
若为控制报文，记录控制报文收发的周期，控制报文是否存在重复帧，控制报文二层数据头的信息，控制报文的载荷信息；若为数据报文，记录数据报文收发的周期，数据报文是否存在重复帧，数据报文的统计信息。
进一步地，步骤4和5中，根据监控模块记录数据，结合策略模块判断异常场景的策略，联动诊断模块，输出车载以太环网的诊断信息；
当策略模块判断控制报文的收发周期不符合标准协议的规定时，诊断模块输出环网协议栈异常的诊断信息；当策略模块发现整个网络中存在控制报文的重复帧或数据报文的重复帧时，诊断模块输出环网形成网络风暴的诊断信息；当策略模块发现控制报文中的源MAC、目的MAC、VLAN或协议号信息不符合预先的环网配置时，诊断模块输出车载以太环网配置错误的诊断消息；当策略模块发现控制报文的载荷信息与预期结果不匹配时，诊断模块输出环网协议栈协商错误的诊断信息；当策略模块发现数据报文的统计信息异常时，诊断模块输出非法报文攻击的诊断信息。
进一步地，步骤3中，状态信息包括节点的标识，拥塞状态，端口状态，VLAN配置，FDB表信息。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明采用环网冗余协议，完美解决了在环形组网的拓扑下，发生广播风暴、协议协商错误、以及错误报文攻击等异常情况，车载以太环网的诊断机制对这些异常情况进行诊断并上报，增加对车载以太环网故障诊断和定位的方法，也提高了工业自动化以及自动驾驶领域的网络可靠性。
本发明通过环网冗余协议ERPS和车载以太环网诊断的机制有效融合，在全路径所有车载以太环网节点上，部署ERPS和节点状态采集功能，实现工业自动化以及自动驾驶控制的车载以太环网异常诊断，也为工业4.0和自动驾驶技术提供了功能安全的重要保障。
本发明适用于通过车载以太环网节点实现基于ERPS协议的环网异常诊断的系统，保证了工业控制以及自动驾驶控制的数据安全可达以及控制指令可以正确执行。
附图说明
图1是车载以太环网诊断系统拓扑图；
图2是车载以太环网诊断方法时序图；
图3是车载以太环网诊断协议封装图；
图4是车载以太环网诊断节点监控模块具体处理流程；
图5是车载以太环网诊断节点策略模块和诊断模块具体处理流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明所述的车载以太环网诊断系统，基于以太环网冗余协议ERPS，实现工业自动化及自动驾驶领域控制数据的可靠传输和实时异常诊断。
车载网络是安全性、可靠性要求极高的一种通信环境，在使用环形组网的情况下，当发生广播风暴、协议协商错误、以及错误报文攻击等异常情况，需要及时发现并进行上报。通过此车载以太环网诊断系统，增加对车载以太环网故障诊断和定位的方法，大大提高车载以太环网的可靠性。
具体地，包括车载以太环网节点、车载以太环网诊断节点。
车载以太环网节点具备采集自身状态信息的能力，实现控制数据和流量数据的标准以太封装，并具备环网冗余功能，可以通过控制数据的交互，实现车载以太环网的冗余。
车载以太环网诊断节点包括监控模块、策略模块和诊断模块，用于实现监控功能、策略功能、诊断功能。
监控模块具备车载以太环网的监控功能，实现车载以太环网节点状态数据的采集，实现对车载以太环网节点的ETH报文头、ERPS报文头、控制数据和流量数据的监控；策略模块具备车载以太环网的策略功能，实现监控信息的策略分析，并将分析结果输出到诊断模块；诊断模块具备车载以太环网的诊断功能，基于策略功能的分析输出，诊断出车载以太环网的异常情况。
在工业自动化及自动驾驶领域，很多场景下，以太网节点之间的数据传输需要保证高可靠性。本发明基于以太环网冗余协议，依靠车载以太环网节点的双链路冗余备份传输，实现车载以太环网节点之间数据传输的高可靠性。进一步地，结合车载以太环网的诊断机制，实现环网冗余协议缺失的异常诊断机制。
具体地，车载以太环网节点，基于标准以太网协议进行控制数据报文的封装处理，并通过以太链路传输到其他节点。车载以太环网节点，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给一个车载以太环网节点，并通过备用以太链路发送另一个车载以太环网节点。
车载以太环网节点1，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过备用以太链路发送给车载以太环网节点2；同时通过以太链路1发送给车载以太环网节点3。车载以太环网节点2，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过备用以太链路发送给车载以太环网节点1；同时通过以太链路2发送给车载以太环网节点3。车载以太环网节点3，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路1发送给车载以太环网节点1；同时通过以太链路2发送给车载以太环网节点2。
车载以太环网诊断节点，基于配置部署车载以太环网的诊断机制，串联在以太网链路2上，并透传所有数据，基于全量的环网节点1的控制数据，环网节点2的控制数据，环网节点3的控制数据，做出整个车载以太环网的诊断结果。
车载以太环网诊断节点，监控环网上的数据报文流量和控制报文流量，根据报文收发的周期以及报文中的信息等内容，依靠诊断系统中的策略模块进行分析，最后由诊断模块实时输出基于车载以太环网的诊断结果。
如图2所示，基于以太环网冗余协议ERPS实现车载以太环网诊断方法的时序图，包括车载以太环网节点1、2、3，车载以太环网诊断节点。具体包括：
步骤1，车载以太环网节点，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给一个车载以太环网节点，并通过备用以太链路发送另一个车载以太环网节点；
具体地，车载以太环网节点1，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过备用以太链路发送给车载以太环网节点2；同时通过以太链路1发送给车载以太环网节点3；车载以太环网节点2，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过备用以太链路发送给车载以太环网节点1；同时通过以太链路2发送给车载以太环网节点3；车载以太环网节点3，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路1发送给车载以太环网节点1；同时通过以太链路2发送给车载以太环网节点2；
步骤2，车载以太环网节点发起数据传输，给流量数据报文封装ETH报文头，以标准以太网数据帧的形式发送，并通过以太链路传输到其他的车载以太环网节点；
步骤3，车载以太环网诊断节点，基于配置部署车载以太环网的诊断系统机制，串联在以太网链路2上，并透传所有数据，监控全量的环网节点1的状态信息、控制流量、数据流量，环网节点2的状态信息、控制流量、数据流量，环网节点3的状态信息、控制流量、数据流量；
步骤4，车载以太环网诊断节点，部署车载以太环网的诊断系统机制，基于步骤3监控得到的信息，匹配车载以太环网诊断系统的策略；
步骤5，车载以太环网诊断节点，部署车载以太环网的诊断系统机制，结合步骤4中匹配到的策略，做出车载以太环网的异常诊断。
步骤3中，监控模块具体处理流程如图4所示，当此诊断机制接入车载以太环网后，监控模块启动，开始监控车载以太环网上的所有流量；首先根据报文类型判断，是控制报文还是数据报文。
若为控制报文，首先记录控制报文收发的周期，其次记录控制报文是否存在重复帧，随后记录控制报文二层数据头的信息，包含源MAC、目的MAC和VLAN信息，最后分析记录控制报文的载荷信息。
若为数据报文，首先记录数据报文收发的周期，然后记录数据报文是否存在重复帧，最后根据数据报文信息记录报文的统计信息，如协议号、收发数量等。
步骤4和5中，策略模块和诊断模块配套使用，具体处理流程如图5所示，根据监控模块记录数据，结合策略模块判断异常场景的策略，联动诊断模块，输出车载以太环网的诊断信息。
当策略模块判断控制报文的收发周期不符合标准协议的规定时，诊断模块输出环网协议栈异常的诊断信息；当策略模块发现整个网络中存在控制报文的重复帧或数据报文的重复帧时，诊断模块输出环网形成网络风暴的诊断信息；当策略模块发现控制报文中的源MAC、目的MAC、VLAN或协议号等信息不符合预先的环网配置时，诊断模块输出车载以太环网配置错误的诊断消息；当策略模块发现控制报文的载荷信息与预期结果不匹配时，诊断模块输出环网协议栈协商错误的诊断信息；当策略模块发现数据报文的统计信息异常时，如发现正常业务以外的协议号、数据流量猛增，诊断模块输出非法报文攻击的诊断信息。
通过此诊断方法，判断整个车载以太环网的监控信息是否正确，结合系统的策略模块进行诊断，最后由诊断模块输出基于车载以太环网的诊断结果。
通过对车载环形以太网中每个节点的协议报文进行监控分析，识别错误协议报文，避免浪费车载以太网的资源。通过对车载环形以太网中每个节点的所有报文进行监控分析，根据发送周期、频率以及重复率，判断是否形成网络风暴，防止车载以太环网陷入瘫痪。通过对车载环形以太网中每个节点的特性协议报文进行监控分析，判断车载以太环网的状态是否发生错误，保证车载以太环网数据的正常通信。通过此车载以太环网的诊断方法及系统，增加对车载以太环网故障诊断和定位的方法，大大提高车载以太环网的可靠性。
如图3所示，基于环网冗余协议ERPS实现车载以太环网诊断的协议封装图。
车载以太环网节点，封装状态信息、控制流量、数据流量，ERPS报文头，ETH报文头，形成标准以太数据报文发送。
车载以太环网节点1，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给车载以太环网节点2；同时通过以太链路发送给车载以太环网节点3。
车载以太环网节点2，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给车载以太环网节点1；同时通过以太链路发送给车载以太环网节点3。
车载以太环网节点3，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给车载以太环网节点1；同时通过以太链路发送给车载以太环网节点2。
车载以太环网诊断节点，基于配置部署车载以太环网的诊断系统机制，基于全量的环网节点1的控制数据、流量数据、状态信息，环网节点2的控制数据、流量数据、状态信息，环网节点3的控制数据、流量数据、状态信息，做出整个车载以太环网的诊断结果。
异常信息的诊断包括全路径节点状态信息、基于ERPS协议的控制数据报文、基于标准以太格式的流量数据报文，诊断出异常情况。
其中，自身状态信息包括节点的标识，拥塞状态，端口状态，VLAN配置，FDB表信息，状态报文携带定义如下：
表一
表二
表三
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明通过在车载以太环网节点部署环网冗余协议ERPS，在车载以太环网诊断节点部署车载以太环网诊断机制，实现了车载以太环网的故障诊断，既有效利用了冗余网络的传输链路，又有效解决了ERPS协议不支持异常或故障点检测的问题。
本发明通过在车载以太环网诊断节点部署车载以太环网诊断机制，既保障了控制流量和数据流量的可靠接收，又保障了对车载以太环网的异常诊断能力，极大地提高了工业自动化以及车辆自动驾驶控制的安全性和可靠性。
本发明适用于通过ERPS协议搭建的车载以太环网，实现工业4.0以及车载自动驾驶系统的数据传输安全，保证自动驾驶感知数据准确可靠，以及工业自动化控制指令可以正确执行。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种车载以太环网诊断系统，其特征在于，包括车载以太环网节点、车载以太环网诊断节点；
车载以太环网节点，采集自身状态信息，实现控制数据和流量数据的标准以太封装，具备环网冗余功能，通过控制数据的交互实现车载以太环网的冗余；
车载以太环网诊断节点，包括监控模块、策略模块和诊断模块；
监控模块具备车载以太环网的监控功能，实现车载以太环网节点状态信息数据的采集，实现对车载以太环网节点的控制数据和流量数据的监控；策略模块具备车载以太环网的策略功能，实现监控信息的策略分析，并将分析结果输出到诊断模块；诊断模块具备车载以太环网的诊断功能，基于策略功能的分析输出，诊断出车载以太环网的异常情况。
2.根据权利要求1所述的车载以太环网诊断系统，其特征在于，车载以太环网节点，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给一个车载以太环网节点，并通过备用以太链路发送另一个车载以太环网节点。
3.根据权利要求1所述的车载以太环网诊断系统，其特征在于，车载以太环网诊断节点，部署车载以太环网诊断机制，基于全量的车载以太环网节点的状态信息、控制数据和流量数据，做出整个车载以太环网的诊断结果。
4.一种车载以太环网诊断方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，车载以太环网节点，采集自身状态信息，基于配置使能ERPS功能，将自身状态信息添加在控制数据报文中，并封装ERPS报文头和ETH报文头，生成新的控制数据报文，通过以太链路发送给一个车载以太环网节点，并通过备用以太链路发送另一个车载以太环网节点；
步骤2，车载以太环网节点发起数据传输，给流量数据报文封装ETH报文头，以标准以太网数据帧的形式发送，并通过以太链路传输到其他的车载以太环网节点；
步骤3，车载以太环网诊断节点，部署车载以太环网诊断机制，串联在备用以太网链路上，并透传所有数据，监控全量的车载以太环网节点的状态信息、控制数据和流量数据；
步骤4，车载以太环网诊断节点，基于步骤3监控得到的信息，匹配车载以太环网诊断策略；
步骤5，车载以太环网诊断节点，结合步骤4中匹配到的策略，做出车载以太环网的异常诊断。
5.根据权利要求4所述的车载以太环网诊断方法，其特征在于，步骤3中，监控模块，监控车载以太环网上的所有流量，根据报文类型判断是控制报文还是数据报文；
若为控制报文，记录控制报文收发的周期，控制报文是否存在重复帧，控制报文二层数据头的信息，控制报文的载荷信息；若为数据报文，记录数据报文收发的周期，数据报文是否存在重复帧，数据报文的统计信息。
6.根据权利要求4所述的车载以太环网诊断方法，其特征在于，步骤4和5中，根据监控模块记录数据，结合策略模块判断异常场景的策略，联动诊断模块，输出车载以太环网的诊断信息；
当策略模块判断控制报文的收发周期不符合标准协议的规定时，诊断模块输出环网协议栈异常的诊断信息；当策略模块发现整个网络中存在控制报文的重复帧或数据报文的重复帧时，诊断模块输出环网形成网络风暴的诊断信息；当策略模块发现控制报文中的源MAC、目的MAC、VLAN或协议号信息不符合预先的环网配置时，诊断模块输出车载以太环网配置错误的诊断消息；当策略模块发现控制报文的载荷信息与预期结果不匹配时，诊断模块输出环网协议栈协商错误的诊断信息；当策略模块发现数据报文的统计信息异常时，诊断模块输出非法报文攻击的诊断信息。
7.根据权利要求4所述的车载以太环网诊断方法，其特征在于，步骤3中，状态信息包括节点的标识，拥塞状态，端口状态，VLAN配置，FDB表信息。
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