EP4154476A1 - Teilnehmerstation für ein serielles bussystem und verfahren zur kommunikation in einem seriellen bussystem - Google Patents

Teilnehmerstation für ein serielles bussystem und verfahren zur kommunikation in einem seriellen bussystem

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Publication number
EP4154476A1
EP4154476A1 EP21720741.4A EP21720741A EP4154476A1 EP 4154476 A1 EP4154476 A1 EP 4154476A1 EP 21720741 A EP21720741 A EP 21720741A EP 4154476 A1 EP4154476 A1 EP 4154476A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frame
bus
subscriber station
marking
bus system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21720741.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Hartwich
Thomas Enderle
Ramona JUNG
Arthur Mutter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4154476A1 publication Critical patent/EP4154476A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/40006—Architecture of a communication node
    • H04L12/40032—Details regarding a bus interface enhancer
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00—Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/10—Network architectures or network communication protocols for network security for controlling access to devices or network resources
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40208—Bus networks characterized by the use of a particular bus standard
    • H04L2012/40215—Controller Area Network CAN
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L2012/40267—Bus for use in transportation systems
    • H04L2012/40273—Bus for use in transportation systems the transportation system being a vehicle

Definitions

  • Subscriber station for a serial bus system and method for communication in a serial bus system
  • the present invention relates to a subscriber station for a serial bus system and a method for communication in a serial bus system, which operate at a high data rate as well as great flexibility and great error resistance, with unauthorized manipulation of the operation of a higher-level technical system being prevented.
  • Bus systems for communication between sensors and control devices should enable the transmission of a large amount of data, depending on the number of functions of a technical system or a vehicle. It is often required that the data can be transmitted from the sender to the recipient faster than before and that large data packets can also be transmitted if necessary.
  • a bus system In vehicles, a bus system is currently in the introductory phase in which data is transmitted as messages in the ISO11898-l: 2015 standard as a CAN protocol specification with CAN FD. The messages are transmitted between the bus participants in the bus system, such as sensors, control units, transmitters, etc. Most manufacturers use CAN FD in the first step with 2Mbit / s data bit rate and 500kbit / s arbitration bit rate in the vehicle.
  • CAN XL In order to enable even higher data rates, a successor bus system for CAN FD is currently being developed, referred to below as CAN XL will. In addition to pure data transport via the CAN bus, CAN XL should also support other functions such as functional safety, data security and quality of service (QoS). These are elementary properties that are required, for example, in an autonomously driving vehicle.
  • QoS quality of service
  • OSI Open Systems Interconnection Model
  • the OSI layer model is a reference model for network protocols that is based on a layer architecture. In layer 2, network access is regulated in terms of frames. Due to the lack of security with CAN FD and Classical CAN on Layer 2, it is possible that manipulated frames are smuggled into the bus system that change the normal operation of the system without authorization. This can lead to undesirable results and possibly to a security risk for the higher-level technical system.
  • a subscriber station for a serial bus system and a method for communication in a serial bus system which solve the aforementioned problems.
  • a subscriber station for a serial bus system and a method for communication in a serial bus system are to be provided, which offer security against manipulation on layer 2 of the OSI layer model, so that even with a high data rate and an increase in the amount of user data per frame high error resistance of the communication to realize a safe operation of the bus system.
  • the object is achieved by a subscriber station for a serial bus system with the features of claim 1.
  • the subscriber station has a communication control device for controlling communication between the subscriber station and at least one other subscriber station of the bus system and for generating a transmission signal in accordance with a frame, a transmitting / receiving device which is designed for serial transmission of a transmission signal generated by the communication control device on a bus of the bus system , and which is designed for the serial reception of signals from the bus of the bus system, and a marking module for evaluating whether a frame received from the bus is allowed to occur on the bus or not, and for marking a frame with a marking in such a way that the transmission / Receiving device sends the marking on the bus in order to notify the result of the evaluation to the at least one other subscriber station of the bus system.
  • the design of the subscriber station (node) described can non-destructively mark a frame received from the bus as “strange”.
  • the marking is carried out in such a way that all other subscriber stations (nodes) receive the marking from the bus. In this way, the subscriber station can inform the other subscriber stations that the frame that has just been sent via the bus and has been marked accordingly should not have been sent.
  • the subscriber station can also be designed to use the marking for other things.
  • the marking can be used for at least one of the following items of information, namely information on the temporal and / or functional use of the frame, information on receiving the frame from the bus, or the like.
  • the method carried out by the subscriber station can also be used if the bus system also has at least one CAN subscriber station and / or at least one CAN FD subscriber station that send messages according to the CAN protocol and / or CAN FD protocol.
  • the marking module is optionally designed to mark a frame that must not appear on the bus.
  • the marking module is optionally designed to evaluate, by comparing it with a list, whether or not a frame received from the bus needs to be marked on the bus.
  • the marking module is designed to insert the marking into the frame without the frame being destroyed.
  • the marking module is designed to insert the marking into the frame after a data field in which the useful data of the frame are inserted.
  • the marking module is designed to insert the marking as an inverse bit in the frame at a position that is provided for the subscriber station of the bus system, incorrect reception of the frame display, wherein the marking module is designed to insert a temporally longer marking in the frame than a temporal length is provided for the display of the incorrect reception of the frame in the frame.
  • the marking module is designed to insert the marking as a marking with a time length of N bits in the frame, where N is a natural number greater than or equal to 1.
  • the marking module can be designed to select the length of the marking depending on the meaning of the marking.
  • the marking module is designed to insert the marking after the frame without the frame being destroyed.
  • the marking module can be designed to insert the marking after the frame starting with the second bit of an interframe distance.
  • the marking has a greater length than the maximum length of an overload identifier that can be sent in the interframe distance.
  • the transmitting / receiving device for the serial transmission of a transmission signal generated by the communication control device on a bus of the bus system is configured in such a way that the bit time of the signal sent to the bus in a first communication phase can differ from a bit time of the one in a frame second communication phase sent signal.
  • the frame prefferably be designed to be compatible with CAN FD, negotiating in a first communication phase which of the subscriber stations of the bus system will get an at least temporarily exclusive, collision-free access to the bus in a subsequent second communication phase.
  • the subscriber station described above can be part of a bus system which also comprises a bus and at least two subscriber stations which are connected to one another via the bus in such a way that they are connected to one another in series to be able to communicate.
  • at least one of the at least two subscriber stations is a previously described subscriber station.
  • the aforementioned object is also achieved by a method for communication in a serial bus system according to claim 15.
  • the method is carried out with a subscriber station of the bus system which has a communication control device, a transmitting / receiving device and a marking module, the method comprising the steps of controlling, with the communication control device, a communication of the subscriber station with at least one other subscriber station of the bus system, the Communication control device is designed for generating a transmission signal according to a frame, sending serially, with the transmission / reception device, a transmission signal generated by the communication control device on a bus of the bus system, serial reception, with the transmission / reception device, of signals from the bus of the bus system , Evaluate with the marking module whether a frame received from the bus is allowed to occur on the bus or not, and marking, with the marking module, a frame with a marking in such a way that the transmitting / receiving device sends the marking on the bus in order to avoid the E. to communicate the result of the evaluation of the at least one other subscriber station of
  • the method offers the same advantages as mentioned above with regard to the subscriber station.
  • FIG. 1 shows a simplified block diagram of a bus system according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a diagram to illustrate the structure of a message that can be sent by a subscriber station of the bus system according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a simplified schematic block diagram of a subscriber station of the bus system according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a time profile of a differential voltage VDIFF of the bus signals CAN-XL_H and CAN-XL_L at the subscriber station according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 10 shows a time profile of a signal TxD4 at the TXD connection of a fourth subscriber station of the bus system according to a second exemplary embodiment, which currently acts as an RX subscriber station and receives the frame according to the signal from FIG. 6 from the bus of the bus system.
  • FIG. 1 shows a bus system 1 which, in particular, is fundamentally designed for a CAN bus system, a CAN FD bus system, a CAN XL bus system, and / or modifications thereof, as described below.
  • That Bus system 1 can be used in a vehicle, in particular a motor vehicle, an airplane, etc., or in a hospital, etc. use.
  • the bus system 1 has a multiplicity of subscriber stations 10, 20, 30, each of which is connected to a bus 40 with a first bus wire 41 and a second bus wire 42.
  • the bus wires 41, 42 can also be called CAN_H and CAN_L or CAN-XL_H and CAN-XL_L and are used for electrical signal transmission after coupling in the dominant level or generating recessive levels or other levels for a signal in the transmission state.
  • Messages 45, 46 in the form of signals between the individual subscriber stations 10, 20, 30 can be transmitted serially via bus 40. If an error occurs during communication on bus 40, as shown by the jagged black block arrow in FIG. 1, an error frame 47 (error flag) can optionally be sent.
  • the subscriber stations 10, 20, 30 are, for example, control devices, sensors, display devices, etc. of a motor vehicle.
  • the subscriber station 10 has a
  • the subscriber station 20 has a
  • Subscriber station 30 has a communication control device 31, a transmitting / receiving device 32 and a marking module 35. Transmitting / receiving devices 12, 22, 32 of subscriber stations 10, 20, 30 are each connected directly connected to the bus 40, even if this is not illustrated in FIG.
  • the communication control devices 11, 21, 31 each serve to control communication between the respective subscriber station 10, 20, 30 via the bus 40 with at least one other subscriber station of the subscriber stations 10, 20, 30 that are connected to the bus 40.
  • the communication control devices 11, 31 create and read first messages 45, which are modified CAN messages 45, for example.
  • the modified CAN messages 45 are based on a CAN XL- Format, which is described in more detail with reference to FIG. 2, and in which the respective marking module 15, 35 is used.
  • the communication control devices 11, 31 can also be designed to provide or receive a CAN XL message 45 or a CAN FD message 46 for the transceiver 32 as required.
  • the communication control devices 11, 31 thus create and read a first message 45 or second message 46, the first and second messages 45, 46 differing in their data transmission standard, namely in this case CAN XL or CAN FD.
  • the communication control device 21 can be designed like a conventional CAN controller according to ISO 11898-1: 2015, i.e. like a CAN FD tolerant classical CAN controller or a CAN FD controller.
  • the communication control device 21 creates and reads second messages 46, for example CAN FD messages 46.
  • CAN FD messages 46 a number of 0 to 64 data bytes can be included, which also have a significantly faster data rate than with a Classical CAN Message to be transmitted.
  • the communication control device 21 is designed like a conventional CAN FD controller.
  • the transmitting / receiving device 22 can be designed like a conventional CAN transceiver according to ISO 11898-1: 2015 or CAN FD transceiver.
  • the transmitting / receiving devices 12, 32 can be designed to provide or receive messages 45 according to the CAN XL format or messages 46 according to the current CAN FD format for the associated communication control device 11, 31, as required.
  • FIG. 2 shows a CAN XL frame 450 for the message 45, as it is provided by the communication control device 11 for the transmitting / receiving device 12 for sending on the bus 40.
  • the Communication control device 11 defines the frame 450 in the present exemplary embodiment as being compatible with CAN FD, as also illustrated in FIG. 2. The same applies analogously to the communication control device 31 and the transmitting / receiving device 32 of the subscriber station 30.
  • the CAN XL frame 450 for CAN communication on the bus 40 is divided into different communication phases 451, 452, namely an arbitration phase 451 and a data phase 452.
  • the frame 450 has an arbitration field 453, a control field 454 Data field 455, a checksum field 456 for a checksum FCRC and a switchover sequence ADS and a confirmation field 457.
  • an identifier (ID) in the arbitration field 453 is used to negotiate bit by bit between the subscriber stations 10, 20, 30 which subscriber station 10, 20, 30 would like to send the message 45, 46 with the highest priority and therefore for the next Time for sending in the subsequent data phase 452 receives exclusive access to the bus 40 of the bus system 1.
  • a physical layer is used as in CAN and CAN-FD. The physical layer corresponds to the bit transmission layer or layer 1 of the well-known OSI model (Open Systems Interconnection Model).
  • phase 451 An important point during phase 451 is that the known CSMA / CR method is used, which allows subscriber stations 10, 20, 30 to access bus 40 at the same time without the higher-priority message 45, 46 being destroyed. As a result, further bus subscriber stations 10, 20, 30 can be added to bus system 1 relatively easily, which is very advantageous.
  • the user data of the CAN-XL frame or the message 45 from the data field 455 as well as the checksum field 456 for the checksum FCRC and also a field DAS, which is used to switch from the data phase 452 back to the arbitration phase 451.
  • a sender of the message 45 does not begin sending bits of the data phase 452 on the bus 40 until the subscriber station 10 as the sender has won the arbitration and the subscriber station 10 as the sender thus has exclusive access to the bus 40 of the bus system 1 for sending .
  • the following different properties can be implemented in the bus system with CAN XL compared to CAN or CAN FD: a) Adoption and, if necessary, adaptation of proven properties that are responsible for the robustness and user-friendliness of CAN and CAN FD, in particular the frame structure with identifier and arbitration according to the CSMA / CR method, b) increasing the net data transmission rate, in particular to around 10 megabits per second, c) increasing the size of the useful data per frame, in particular to around 4kbytes or any other value.
  • the subscriber station 10 uses as the first communication phase partially, in particular up to the FDF bit (inclusive), a format known from CAN / CAN-FD in accordance with ISO11898-1: 2015.
  • the subscriber station 10 uses a CAN XL format in the first communication phase and in the second communication phase, the data phase 452, which is described below.
  • CAN XL and CAN FD are compatible.
  • the res bit known from CAN FD which is called the XLF bit below, is used for switching from the CAN FD format to the CAN XL format used. Therefore the frame formats of CAN FD and CAN XL are the same up to the res bit.
  • a receiver only recognizes the format in which the frame is being sent from the res bit.
  • a CAN XL subscriber station that is to say here the subscriber stations 10, 30, also supports CAN FD.
  • CAN XL extended frame format is optionally possible, in which an identifier with 29 bits is used. Up to the FDF bit, this is identical to the known CAN FD extended frame format from ISO11898-l: 2015.
  • the frame 450 from the SOF bit up to and including the FDF bit is identical to the CAN FD Base Frame Format according to ISO11898-1: 2015. The known structure is therefore not explained further here.
  • Bits that have a fixed value, namely 0 or 1 are marked with a black line.
  • Bits shown with a thick line on their lower line in FIG. 2 are sent in frame 450 as dominant or "0‘ ".
  • Bits shown with a thick line on their top line in FIG. 2 are sent in frame 450 as recessive or, 1 ‘.
  • symmetrical 1 and 0 levels are used instead of recessive and dominant levels.
  • the dynamic bit stuffing rule of CAN FD applies up to the XLF bit in control field 454, so that an inverse stuff bit must be inserted after 5 identical bits in a row.
  • Such stuff bits are also referred to as dynamic stuff bits.
  • a fixed stuffing rule applies, so that a fixed stuff bit must be inserted after a fixed number of bits.
  • a number of 2 or more bits can be inserted as fixed stuff bits.
  • the XLF bit follows directly after the FDF bit, the position of which corresponds to the “res bit” in the CAN FD base frame format, as mentioned above. If the XLF bit is sent as 1, i.e. recessive, this is used to identify it the frame 450 as a CAN XL frame. For a CAN FD frame, the communication control device 11 sets the XLF bit as 0, that is to say dominant.
  • the XLF bit is followed in frame 450 by a resXL bit, which is a dominant bit for future use.
  • the resXL bit could be defined exactly the other way around, i.e. that it must be sent as 1, i.e. recessive. In this case the receiving subscriber station goes into the protocol exception state with a dominant resXL bit.
  • the resXL bit is followed in frame 450 by an ADS (Arbitration Data Switch) sequence in which a predetermined bit sequence is coded.
  • ADS Application Data Switch
  • This bit sequence allows a simple and reliable switchover from the bit rate of the arbitration phase 451 (arbitration bit rate) to the bit rate of the data phase 452 (data bit rate).
  • the bit sequence of the ADS sequence consists, among other things, of an AL1 bit that is sent dominantly, i.e. 0.
  • the AL1 bit is the last bit of the arbitration phase 451. In other words, the AL1 bit is the last bit before switching to the data phase 452 with the short bits.
  • the physical layer in the transmitting / receiving device 12, 22, 32 is switched within the AL1 bit.
  • the ALI bit could alternatively have the value 1, depending on which value (0 or 1) is more suitable for switching the physical layer in the transmitting / receiving device 12, 32 (transceiver).
  • the two following bits DH1 and DL1 are already sent with the data bit rate.
  • the bits DH1 and DL1 are therefore temporally short bits of the data phase 452 in CAN XL. If the ALI bit has the value 1, it is followed first by the DL1 bit and then the DH1 bit.
  • a PT field follows in frame 450, which identifies the content of data field 455.
  • the content indicates what type of information is contained in the data field 455.
  • the PT field indicates whether an “Internet Protocol” (IP) frame is located in the data field 455, or a tunneled Ethernet frame or something else.
  • IP Internet Protocol
  • a data field 455 of length 0 could be permitted, as is the case with CAN, for example.
  • DLC 0, for example, would encode the data field length with the number of 0 bytes.
  • the DLC field is followed in frame 450 by a header checksum HCRC.
  • the header checksum HCRC is a checksum to secure the header of the frame 450, i.e. all relevant bits from the beginning of the frame 450 with the SOF bit to the start of the header checksum HCRC, including all dynamic and optionally the fixed stuff bits up to at the beginning of the header checksum HCRC.
  • the relevant bits only include those bits of the frame header which have a changeable value. In other words, the relevant bits do not include bits that always have a fixed value in the frame 450. Such bits with a value that cannot be changed are therefore not protected because these bits have a fixed value.
  • the length of the header checksum HCRC and thus the checksum polynomial according to the cyclical redundancy check (CRC) must be selected according to the desired Hamming distance.
  • the data word to be protected by the header checksum HCRC is longer than 27 bits with a data length code (DLC) of 11 bits. Therefore, the polynomial of the head checksum HCRC must be at least 13 bits long in order to achieve a Hamming distance of 6.
  • the header checksum HCRC is followed in the frame 450 by the data field 455 (data field).
  • the data field 455 consists of 1 to n data bytes, where n for example, 2048 bytes or 4096 bytes, or any other value. Alternatively, a data field length of 0 is conceivable.
  • the length of the data field 455 is encoded in the DLC field as previously described.
  • the data field 455 is followed in the frame 450 by a frame checksum FCRC.
  • the frame checksum FCRC consists of the bits of the frame checksum FCRC.
  • the length of the frame checksum FCRC and thus the CRC polynomial must be selected according to the desired Hamming distance.
  • the framework checksum FCRC protects the entire framework 450. Alternatively, only the data field 455 is optionally secured with the FCRC frame checksum.
  • the frame checksum FCRC is followed in frame 450 by the sequence DAS (Data Arbitration Switch), in which a predetermined bit sequence is coded.
  • DAS Data Arbitration Switch
  • This bit sequence allows a simple and reliable switchover from the data bit rate of the data phase 452 to the arbitration bit rate of the arbitration phase 451.
  • the bit sequence begins with the data bits DH2, DH3 which are sent as 1 and the data bits DL2, DL3 which are sent as 0 as shown in FIG. These are the last 4 bits of the data phase 452.
  • the DL3 bit is therefore the last short bit, ie the last bit before switching to the arbitration phase 451 with the long bits.
  • the bits are followed by an AHI bit with the value 1 of the arbitration phase 451.
  • the physical layer in the transmitting / receiving device 12, 32 (transceiver) is switched within the AHI bit.
  • the AHl bit could alternatively have the value 0, depending on which value (0 or 1) is more suitable for switching over the physical layer in the transmitting / receiving device 12, 32 (transceiver).
  • An RX subscriber station 10, 30, which is only the recipient of the frame 450, ie has not sent the received frame 450, uses the bit sequence DH2, DH3, DL2, DL3 not only for synchronization, but also as a format check pattern. With this bit sequence, the RX subscriber station 10, 30 can recognize whether it is scanning the bit stream received from the bus 40 offset, for example by 1 bit or 2 bits, etc.
  • the DAS field has three bits, that is the DH2 bit, the DL2 bit and an AHl bit. Of the bits, the first and last bit are sent as 1 and the middle bit is sent as 0. In the above examples, the last synchronization before switching from the data phase 452 to the arbitration phase 451 can be carried out on the edge between the DH3 bit and the DL2 bit or the DH2 bit and the DL2 bit in the receiving subscriber station.
  • the sequence DAS is followed in the frame 450 by the confirmation field 457, which begins with an RP field.
  • a synchronization pattern (sync pattern) is held in the RP field, which allows a receiving subscriber station 10, 30 to recognize the beginning of the arbitration phase 451 after the data phase 452.
  • the synchronization pattern allows receiving subscriber stations 10, 30, which do not know the correct length of the data field 455, for example due to an incorrect header checksum HCRC, to synchronize. These subscriber stations can then send a “negative acknowledge” to report the incorrect reception. This is particularly important when CAN XL does not allow any error frames 47 (error flags) in data field 455.
  • the RP field is followed by several bits in the ACK field 457 to confirm or not confirm correct receipt of the frame 450.
  • an ACK bit, an ACK-dlm bit, a NACK- Bit and a NACK-dlm bit provided.
  • the receiving subscriber stations 10, 30 send the ACK bit as dominant if they have received the frame 450 correctly.
  • the sending subscriber station sends the ACK bit as recessive.
  • the bit originally sent to the bus 40 in the frame 450 can therefore be overwritten by the receiving subscriber stations 10, 30.
  • the ACK-dlm bit is sent as a recessive bit, which is used to separate it from other fields.
  • the NACK bit and the NACK-dlm bit enable a receiving subscriber station to signal incorrect reception of the frame 450 on the bus 40.
  • the function of the NACK-dlm bit is like that of the ACK-dlm bit.
  • the NACK bit can be used to mark frame 450, as described below.
  • the bit sequence of the end field (EOF) is used to mark the end of the frame 450.
  • the end field (EOF) ensures that a number of 8 recessive bits are sent at the end of the frame 450. This is a bit sequence that cannot occur within frame 450. As a result, the end of the frame 450 can be reliably recognized by the subscriber stations 10, 20, 30.
  • the end field (EOF) has a length that differs depending on whether a dominant bit or a recessive bit was seen in the NACK bit. If the sending subscriber station has received the NACK bit as dominant, then the end field (EOF) has a number of 7 recessive bits. Otherwise the end field (EOF) is only 5 recessive bits long.
  • the end field (EOF) is followed in the frame 450 by an interframe distance 458 (INT - Intermission Field), which is not shown in FIG. 2 but is only shown in FIGS. 9 and 10.
  • This interframe distance 458 (INT) is designed as with CAN FD in accordance with ISO11898-l: 2015.
  • FIG. 3 shows the basic structure of the subscriber station 10 with the communication control device 11, the transmitting / receiving device 12 and the marking module 15, which is part of the communication control device 11.
  • the subscriber station 30 is constructed in a similar manner to that shown in FIG. 3, but the marking module 35 according to FIG. 1 is arranged separately from the communication control device 31 and the transceiver 32. The subscriber station 30 is therefore not described separately.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • SBC system basis -Chip
  • a power supply device 17 is installed in the system ASIC 16, which transmits the / Receiving device 12 is supplied with electrical energy.
  • the energy supply device 17 usually supplies a voltage CAN_Supply of 5 V. However, depending on requirements, the energy supply device 17 can supply a different voltage with a different value. Additionally or alternatively, the energy supply device 17 can be configured as a power source.
  • the marking module 15 has an evaluation block 151 and an insertion block 152, which are described in more detail below.
  • the transmitter / receiver device 12 also has a transmitter module 121 and a receiver module 122. Even if the transmitter / receiver device 12 is always referred to below, it is alternatively possible to provide the receiver module 122 in a separate device external to the transmitter module 121.
  • the transmission module 121 and the reception module 122 can be constructed in the same way as in a conventional transmission / reception device 22.
  • the transmission module 121 can in particular have at least one operational amplifier and / or one transistor.
  • the receiving module 122 can in particular have at least one operational amplifier and / or one transistor.
  • the transmitting / receiving device 12 is connected to the bus 40, more precisely its first bus core 41 for CAN_H or CAN-XL_H and its second bus core 42 for CAN_L or CAN-XL_L.
  • the voltage supply for the energy supply device 17 for supplying the first and second bus wires 41, 42 with electrical energy, in particular with the CAN supply voltage, takes place via at least one connection 43.
  • the connection to ground or CAN_GND is implemented via a connection 44.
  • the first and second bus wires 41, 42 are terminated with a terminating resistor 49.
  • the first and second bus wires 41, 42 are connected in the transmitting / receiving device 12 not only to the transmitting module 121, which is also referred to as a transmitter, but also to the receiving module 122, which is also referred to as a receiver, even if the connections in 3 are not shown for the sake of simplicity.
  • the transmission module 121 converts a transmission signal TXD or TxD of the communication control device 11 into corresponding signals CAN-XL_H and CAN-XL_L for the bus wires 41, 42 and sends these signals to the connections for CAN_H and CAN_L on the bus 40.
  • An example for the signals CAN-XL_H and CAN-XL_L is shown in FIG.
  • a differential signal VDIFF CAN-XL_H - CAN-XL_L, which is shown in FIG. 5, is formed on bus 40.
  • the receiving module 122 of FIG. 3 forms a received signal RXD or RxD from signals CAN-XL_H and CAN-XL_L received from the bus 40 according to FIG. 4 or the difference signal VDIFF according to FIG. 5. As shown in FIG. 3, the reception module 122 forwards the reception signal RXD or RxD to the communication control device 11.
  • the transmitting / receiving device 12 with the receiving module 122 always listens to a transmission of data or messages 45, 46 on the bus 40 in normal operation, regardless of whether the transmission - / receiving device 12 is the sender of the message 45 or not.
  • the signals CAN-XL_H and CAN-XL_L have the dominant and recessive bus levels 401, 402, as known from CAN, at least in the arbitration phase 451.
  • the individual bits of the signal VDIFF with the bit time t_bt can be recognized by the receiving module 122 with a receiving threshold T_a of 0.7 V, for example, in the arbitration phase 451, as shown in FIG. 5.
  • the bits of the signals CAN-XL_H and CAN-XL_L are sent faster, i.e. with a shorter bit time t_bt, than in the arbitration phase 451.
  • the signals CAN-XL_H and CAN-XL_L therefore differ in the data phase 452 at least in their faster bit rate from the conventional signals CAN_H and CAN_L. If the signals CAN-XL_H and CAN-XL_L are also generated with a different physical layer in data phase 452, the reception threshold is also switched in reception module 122, for example to a reception threshold T_d of approximately 0.0 V in data phase 452.
  • the sequence of the states 401, 402 for the signals CAN-XL_H, CAN-XL_L in FIG. 4 and the resultant curve of the voltage VDIFF from FIG. 5 only serves to illustrate the function of the subscriber station 10.
  • the sequence of the data states for the bus states 401, 402 can be selected as required.
  • the transmission module 121 of FIG. 3 generates a first data state as bus state 402 with different bus levels for two bus wires 41, 42 of the bus line and a second data state as bus state 401 with the same bus level for the two bus wires in a first operating mode according to FIG. 4 41, 42 of the bus line of the bus 40.
  • the transmission module 121 of FIG Bus 40 the signals CAN-XL_H, CAN-XL_L in data phase 452 can also be generated with a different physical layer than with CAN FD. As a result, the bit rate in data phase 452 can be increased even further than with CAN FD.
  • the marking module 15 of FIG. 3, in particular its evaluation block 151, is used to evaluate whether the currently received frame 450 is to be marked or not.
  • the evaluation block 151 has a reception filter 1511, with which predetermined frames 450 can be filtered out.
  • the reception filter 1511 has filter criteria 151 B with which it can be determined whether the frame 450 has properties that are not allowed to occur on the bus 40.
  • the filter criteria 151B are created on the basis of features which represent a safety risk for the bus system 1.
  • the filter criteria 151 B are stored as a list, so that the evaluation block 151 carries out a comparison with the list.
  • Such a list can be referred to as a security feature black list.
  • the list can in particular have identifier ID for which the sending of predetermined frames 450 with predetermined content is not permitted. For example, a sensor that has a special identifier must not send a frame 450, which is usually expected from a control device or another sensor or an encoder or a drive device.
  • the black list of the subscriber station 10 contains all those identifiers ID that are only allowed to be sent exclusively by the subscriber station 10. This means that if the subscriber station 10 receives a message or frame 450 from the bus 40 and the receive filter 1511 with the filter criteria 151B finds such a property (hit) that must not appear on the bus 40, then it is an unauthorized transmission Message or frame 450 on bus 40.
  • the reception filter 1511 has filter criteria 151W with which it can be determined whether the frame 450 is of interest to the subscriber station 10.
  • the list thus corresponds to a so-called acceptance filter.
  • the filter criteria 151W are stored as a list. Such a list can be referred to as a white list.
  • the subscriber station 10 uses the receive filter 1511 in particular in a case in which the subscriber station 10 is not a sender of the frame 450 currently being sent on the bus 40, that is to say acts as an RX subscriber station.
  • the evaluation block 15 If the subscriber station 10 as an RX subscriber station with the evaluation block 151, more precisely its reception filter 1511 using the filter criteria 151 B, recognizes that the frame 450, which has just been transmitted on the bus 40, should not occur there, the evaluation block 15 signals this the insertion block 152. In particular, the evaluation block 15 instructs the insertion block 152 to mark the frame 450 on the bus 40 with a marking 48. In other words, in the case mentioned, the RX subscriber station (receiving node) can instruct its communication control device 11, in particular the CAN XL protocol controller, to mark the frame 450 on the bus 40 with a marker 48.
  • the communication control device sends N dominant bits in the NACK field in frame 450.
  • the dominant bits overwrite the NACK bit.
  • N is ideally 2 because the NACK bit is 1 bit long if it is sent.
  • one of the subscriber stations 10, 30, in particular its communication control device 11, 31 can be designed to discard the marked frame 450 even though it was received without errors.
  • one of the subscriber stations 10, 30, in particular its communication control device 11, 31 can be configured to go into a kind of emergency operation, since such an event, a frame 450 marked with the marker 48, should never occur. If such an event nevertheless occurs, namely a frame 450 marked with the marking 48, then there is most likely malware on one of the control devices of the subscriber stations 10, 30 on the bus 40.
  • malware tries to manipulate the behavior of the higher-level technical system, in particular a vehicle in that the malware sends frames 450, which actually only other subscriber stations 10, 20, 30 on bus 40 are allowed to send.
  • such an event can occur, namely a marked frame 450, if an incorrect configuration of a control device has occurred. In one in such a case this can lead to the same effect, namely a marked frame 450.
  • the marking 48 of a received frame 450 with the insertion block 152 can also help to detect misconfiguration (s).
  • FIGS. 6 to 9 show an example of transmit signals TxD that occur in four different subscriber stations 10 of bus system 1 during and after the transmission of a frame 450 at connection TXD of individual subscriber stations 10, 10, 30, 30. That is, it is assumed below that the bus system 1 has at least four identically structured subscriber stations 10. Of course, at least one of the subscriber stations 10 can alternatively be constructed like a subscriber station 30.
  • FIG. 6 shows a time profile of a transmission signal TxD1 at the TXD connection of a first subscriber station 10 of the bus system 1, which is currently sending a frame 450 to the bus 40 and thus acts as a TX subscriber station;
  • FIG. 7 shows a time profile of a transmission signal TxD2 at the TXD connection of a second subscriber station 10 of the bus system 1, which is currently acting as an RX subscriber station and receives the frame 450 according to the signal of FIG. 6 from the bus 40;
  • FIG. 8 shows a time profile of a transmit signal TxD3 at the TXD connection of a third subscriber station 10 of the bus system 1, which is currently acting as an RX subscriber station and receives the frame 450 according to the signal of FIG. 6 from the bus 40;
  • FIG. 9 shows a time profile of a signal TxD4 at the TXD connection of a fourth subscriber station 10 of the bus system 1, which currently acts as an RX subscriber station and receives the frame according to the signal of FIG. 6 from the bus of the bus system.
  • the first subscriber station 10 sends a frame 450 to the bus 40 with the transmit signal TxDl according to FIG. 6.
  • the frame 450 is from the other subscriber stations 10 received.
  • the frame 450 is sent in the arbitration phase 451 with bits with a first bit duration t_bl.
  • the frame 450 is sent with bits with a second bit duration t_b2.
  • the second bit duration t_b2 is shorter than the first bit duration t_bl, as described above.
  • the second subscriber station 10 has correctly received the frame 450 and confirms this with an ACK, as shown in FIG. 7 in the transmission signal TxD2.
  • the third subscriber station 10 did not receive the frame 450 correctly.
  • the third subscriber station 10 therefore confirms the receipt of the frame 450 with a NACK, as shown in FIG. 8 in the transmission signal TxD3.
  • the NACK is included in frame 450 as an inverse bit. In other words, the NACK is inserted as an inverse value to the value of the bit that was sent in the send signal TxD1.
  • the fourth subscriber station 10 has classified the frame 450 as a “strange” frame 450.
  • the fourth subscriber station 10 therefore marks the frame 450 with its marking module 15 with a marking 48, as described above with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the subscriber station 10 sends a transmit signal TxD4 with a marker 48 in the bits NACK and NCK dlm, as shown in FIG. 9.
  • the marking 48 is inserted into the frame 450 as inverse bits in the NACK and NCK dlm. In other words, the marker 48 is inserted as an inverse value to the value of the bits NACK and NCK dlm which was sent in the send signal TxDl.
  • the marking 48 which all subscriber stations 10 receive and thus see in their received signal RxD, the three RX subscriber stations 10, i.e. the second to fourth subscriber stations 10, proceed according to one of the options described above in order to react to the frame 450 .
  • the respectively selected option of reacting to the marking 48 more precisely the frame 450, can be permanently set at the factory or set beforehand when configuring the respective subscriber station 10.
  • the marking module 15, in particular the insertion block 152 is designed to overwrite the NACK bit as marking 48 with N bits in order to carry out the marking 48 of the frame 450.
  • N is a natural number greater than or equal to 1.
  • the marking module 15, in particular the insertion block 152 is designed to also carry out a type of arbitration during the superimposition.
  • the subscriber station 10 proceeds as follows.
  • the subscriber station 10 which has sent a NACK, as shown in FIG. 8, checks whether its NACK has been overwritten. If the NACK has been overwritten, then the subscriber station 10 sends its NACK again following the marking 48.
  • the bus system 1 in the bus system 1 according to the first exemplary embodiment and its variants and modifications described above, it can be reliably recognized and communicated to the other bus users when a “strange” frame 450 is sent in the bus system 1.
  • the data security of the operation of the bus system 1 can be increased compared to the prior art.
  • the safety of the operation of the higher-level technical system in particular a vehicle or an industrial system, or another technical system, can be increased in comparison with the prior art.
  • the 10 shows a type of marking 480 of a “strange” frame 450 according to a second exemplary embodiment.
  • At least one of the subscriber stations 10, 30 can be configured to carry out the marking 480 as an alternative or in addition to a marking 48 according to the preceding exemplary embodiment.
  • the marking module 15, in particular the insertion module 152 is designed to insert a marking 480 after the frame 450.
  • the marker 480 is not sent in the frame 450. Therefore, the NACK bit and the NACK-dlm bit can be optional bits. If the NACK bit and the NACK-dlm bit are present, the function of the bits NACK, NACK-dlm in the present exemplary embodiment is the same as the function of the ACK bit and the ACK-dlm bit.
  • the marking 480 begins at the interframe distance 458 (INT).
  • the interframe distance 458 (INT) has a minimum of 3 bits with CAN.
  • the marking module 15 is thus designed to insert the marking 480 in particular immediately after the frame 450.
  • the marker 480 is inserted from bit 2 of the interframe distance 458 (INT).
  • each of the subscriber stations 10, 30, in particular their communication control device 11, 31, more precisely their protocol controller is designed in such a way that, even after receiving the end of the frame 450 in the interframe distance 458 (INT), a search is made to see whether a marker 480 is present is or not.
  • the subscriber station 10, 20, 30, in particular its communication control device 11, 31, more precisely its protocol controller can determine whether the previously received frame 450 was classified as a “strange” frame 450 by any of the subscriber stations 10, 30.
  • At least one of the subscriber stations 10, 30, in particular its communication control device 11, 31, more precisely its protocol controller, can only recognize one marking 48 or one marking 480 for a frame. In this way, a distinction can be made between the meanings of the markings 48, 480. In addition, it has at least one of the subscriber stations 10, 20, 30, in particular theirs
  • Communication control device 11, 21, 31, more precisely its protocol controller can only distinguish part of the meanings of the markings 48, 480.
  • this at least one of the subscriber stations 10, 20, 30, in particular its communication control device 11, 21, 31, more precisely its protocol controller has fewer differentiation options for a reaction to the markings 48, 480.
  • the TX subscriber station which receives the frame 450 sent by it on the bus 40 from the bus 40, inserts a marker 48 or 480 in the frame 450 if the TX subscriber station is in the frame 450, which instead of the expected frame 450 (corresponds to the transmitted frame 450) is received, detects a strange frame. This can be the case in particular if defective software marks 48, 480 inserts, which the TX subscriber station classifies as "strange".
  • Such defective software can, for example, even if the associated subscriber station 10, 30 is an RX subscriber station and is therefore only the recipient of the frame in the current data phase 452, not only in the NACK bit but at another point in the frame 450 itself on the bus 40 and thus falsify the frame 450 sent by the TX subscriber station on the bus 40.
  • the TX subscriber station can recognize this and thus already provide the frame 450 with at least one corresponding marking 48, 480.
  • the defective software can even be active on the TX subscriber station and send falsified messages.
  • the marking module 15, which ideally cannot be manipulated by the defective software, inserts at least one of the markings 48, 480 if necessary or in such a case.
  • the invention can be used in any communication network and / or communication method in which two different communication phases are used in which the bus states that are generated for the different communication phases differ.
  • the invention can be used in the development of other serial communication networks, such as Ethernet and / or 10 Base-Tl S Ethernet, field bus systems, etc.
  • the bus system 1 can be a communication network in which data can be transmitted serially at two different bit rates. It is advantageous, but not a mandatory requirement, that in the bus system 1 an exclusive, collision-free access of a subscriber station 10, 20, 30 to a common channel is guaranteed at least for certain periods of time.
  • the number and arrangement of the subscriber stations 10, 20, 30 in the bus system 1 of the exemplary embodiments is arbitrary.
  • the subscriber station 20 in the bus system 1 can be omitted. It is possible for one or more of the subscriber stations 10 or 30 to be present in the bus system 1. It is conceivable that all subscriber stations in the bus system 1 are configured the same, so only subscriber station 10 or only subscriber station 30 are present.

Landscapes

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Abstract

Es ist eine Teilnehmerstation (10; 20; 30) für ein serielles Bussystem (1) und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem (1) bereitgestellt. Die Teilnehmerstation (10; 20; 30) hat eine Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation (10; 20; 30) mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30) des Bussystems (1) und zum Erzeugen eines Sendesignal (TxD; TxD1; TxD2; TxD3; TxD4) gemäß einem Rahmen (450), eine Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32), die zum seriellen Senden des von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TxD; TxD1; TxD2; TxD3; TxD4) auf einen Bus (40) des Bussystems (1) ausgestaltet ist, und die zum seriellen Empfangen von Signalen von dem Bus (40) ausgestaltet ist, und ein Markiermodul (15; 25; 35) zum Auswerten, ob ein vom Bus (40) empfangener Rahmen (450) auf dem Bus (40) vorkommen darf oder nicht, und zum Markieren eines Rahmens (450) mit einer Markierung (48; 480) derart, dass die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) die Markierung (48; 480) auf den Bus (40) sendet, um das Ergebnis der Auswertung der mindestens einen anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30) des Bussystems (1) mitzuteilen.

Description

Beschreibung
Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem, die mit hoher Datenrate sowie großer Flexibilität und großer Fehlerrobustheit arbeiten, wobei unautorisierte Manipulationen an dem Betrieb einer übergeordneten technischen Anlage verhindert werden.
Stand der Technik
Bussysteme für die Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten, beispielsweise in Fahrzeugen, sollen je nach der Anzahl an Funktionen einer technischen Anlage bzw. eines Fahrzeugs, die Übertragung einer großen Datenmenge ermöglichen. Dabei wird oft gefordert, dass die Daten schneller vom Sender zum Empfänger zu übertragen sind als bisher und bei Bedarf auch große Datenpakete übertragbar sind.
Bei Fahrzeugen ist derzeit ein Bussystem in der Einführungsphase, in welchem Daten als Nachrichten im Standard ISO11898-l:2015 als CAN Protokoll- Spezifikation mit CAN FD übertragen werden. Die Nachrichten werden zwischen den Busteilnehmern des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., übertragen. CAN FD wird von den meisten Herstellern im ersten Schritt mit 2Mbit/s Datenbitrate und 500kbit/s Arbitrationsbitrate im Fahrzeug eingesetzt.
Um noch größere Datenraten zu ermöglichen, wird derzeit ein Nachfolgebussystem für CAN FD entwickelt, das nachfolgend CAN XL genannt wird. CAN XL soll neben dem reinen Datentransport über den CAN-Bus auch andere Funktionen unterstützen, wie funktionale Sicherheit (Safety), Datensicherheit (Security) und Dienstgüte (QoS = Quality of Service). Dies sind elementare Eigenschaften, die beispielsweise in einem autonom fahrenden Fahrzeug benötigt werden.
Sehr vorteilhaft ist, wenn CAN XL und CAN FD sowie Classical CAN kompatibel sind, wobei CAN XL zumindest die Fehlerrobustheit wie CAN FD und Classical CAN hat. Für die Kompatibilität wird nach Abschluss der Arbitration mit Hilfe des res-Bits im CAN FD Rahmen zwischen CAN FD und CAN XL Rahmen unterschieden.
Problematisch ist jedoch, dass CAN FD sowie Classical CAN in der derzeitigen Ausgestaltung keine Sicherheit gegen Manipulation auf der Schicht 2 des OSI- Schichtenmodells bieten. Das OSI-Schichtenmodell (OSI = Open Systems Interconnection Model) ist ein Referenzmodell für Netzwerkprotokolle, bei dem eine Schichtenarchitektur zugrunde gelegt ist. In der Schicht 2 ist der Netzzugriff in Bezug auf Rahmen (Frames) geregelt. Durch die fehlende Sicherheit bei CAN FD sowie Classical CAN auf der Schicht 2 ist es möglich, dass in das Bussystem manipulierte Rahmen eingeschleust werden, die den Normalbetrieb der Anlage unautorisiert verändern. Dies kann zu unerwünschten Ergebnissen und gegebenenfalls zu einem Sicherheitsrisiko für die übergeordnete technische Anlage führen.
Offenbarung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme lösen. Insbesondere sollen eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem und ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem bereitgestellt werden, welche eine Sicherheit gegen Manipulation auf der Schicht 2 des OSI- Schichtenmodells bieten, um auch bei hoher Datenrate und einer Steigerung der Menge der Nutzdaten pro Rahmen neben großer Fehlerrobustheit der Kommunikation zudem einen sicheren Betrieb des Bussystems zu realisieren. Die Aufgabe wird durch eine Teilnehmerstation für ein serielles Bussystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Teilnehmerstation hat eine Kommunikationssteuereinrichtung zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems und zum Erzeugen eines Sendesignal gemäß einem Rahmen, einer Sende-/Empfangseinrichtung, die zum seriellen Senden eines von der Kommunikationssteuereinrichtung erzeugten Sendesignals auf einen Bus des Bussystems ausgestaltet ist, und die zum seriellen Empfangen von Signalen von dem Bus des Bussystems ausgestaltet ist, und einem Markiermodul zum Auswerten, ob ein vom Bus empfangener Rahmen auf dem Bus Vorkommen darf oder nicht, und zum Markieren eines Rahmens mit einer Markierung derart, dass die Sende-/Empfangseinrichtung die Markierung auf den Bus sendet, um das Ergebnis der Auswertung der mindestens einen anderen Teilnehmerstation des Bussystems mitzuteilen.
Die beschriebene Teilnehmerstation (Knoten) kann durch ihre Ausgestaltung einen vom Bus empfangenen Rahmen zerstörungsfrei als „merkwürdig“ markieren. Die Markierung wird derart ausgeführt, dass alle anderen Teilnehmerstationen (Knoten) die Markierung vom Bus empfangen. Damit kann die Teilnehmerstation die anderen Teilnehmerstationen darauf hinweisen, dass der soeben über den Bus gesendete und entsprechend markierte Rahmen nicht hätte gesendet werden dürfen.
Als Folge davon kann eine mit einem Schädling befallene Teilnehmerstation nicht unentdeckt Rahmen senden, die eigentlich normalerweise von anderen Knoten gesendet werden. Somit kann die Sicherheit (Security) im Bussystem erhöht werden.
Die Teilnehmerstation kann darüber hinaus ausgestaltet sein, die Markierung für andere Dinge zu verwenden. Insbesondere ist die Markierung für mindestens eine der folgenden Informationen verwendbar, nämlich Informationen zur zeitlichen und/oder funktionalen Verwendung des Rahmens, Informationen zum Empfang des Rahmens vom Bus, oder dergleichen. Infolgedessen kann mit der Teilnehmerstation auch bei Steigerung der Menge der Nutzdaten pro Rahmen ein Senden und Empfangen der Rahmen mit großer funktionaler Sicherheit bei großer Flexibilität im Hinblick auf aktuelle Ereignisse im Betrieb des Bussystems und mit geringer Fehlerquote gewährleistet werden.
Hierbei ist es mit der Teilnehmerstation in dem Bussystem insbesondere möglich, in einer ersten Kommunikationsphase eine von CAN bekannte Arbitration beizubehalten und dennoch die Übertragungsrate gegenüber CAN oder CAN FD nochmals beträchtlich zu steigern.
Das von der Teilnehmerstation durchgeführte Verfahren kann auch zum Einsatz kommen, wenn in dem Bussystem auch mindestens eine CAN-Teilnehmerstation und/oder mindestens eine CAN FD Teilnehmerstation vorhanden ist, die Nachrichten nach dem CAN-Protokoll und/oder CAN FD Protokoll senden.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Teilnehmerstation sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Optional ist das Markiermodul zum Markieren eines Rahmens ausgestaltet, der auf dem Bus nicht Vorkommen darf.
Optional ist das Markiermodul ausgestaltet, durch Vergleich mit einer Liste auszuwerten, ob ein vom Bus empfangener Rahmen auf dem Bus markiert werden muss oder nicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Markiermodul ausgestaltet, die Markierung in den Rahmen einzufügen, ohne dass der Rahmen zerstört wird.
Denkbar ist, dass das Markiermodul ausgestaltet ist, die Markierung in den Rahmen nach einem Datenfeld einzufügen, in dem Nutzdaten des Rahmens eingefügt sind.
Möglich ist, dass das Markiermodul ausgestaltet ist, die Markierung als inverses Bit in den Rahmen an einer Position einzufügen, die für die Teilnehmerstation des Bussystems vorgesehen ist, einen nicht korrekten Empfang des Rahmens anzuzeigen, wobei das Markiermodul ausgestaltet ist, eine zeitlich längere Markierung in den Rahmen einzufügen als eine zeitliche Länge für die Anzeige des nicht korrekten Empfangs des Rahmens in dem Rahmen vorgesehen ist.
In einer speziellen Variante ist das Markiermodul ausgestaltet, die Markierung als Markierung mit einer zeitlichen Länge von N Bits in den Rahmen einzufügen, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist. Hierbei kann das Markiermodul ausgestaltet sein, die Länge der Markierung abhängig davon auszuwählen, welche Bedeutung die Markierung hat.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Markiermodul ausgestaltet, die Markierung nach dem Rahmen einzufügen, ohne dass der Rahmen zerstört wird. Hierbei kann das Markiermodul ausgestaltet sein, die Markierung nach dem Rahmen beginnend mit dem zweiten Bit eines Zwischenrahmenabstands einzufügen. Alternativ oder zusätzlich hat die Markierung eine größere Länge als die maximale Länge einer Überlastkennung, die in dem Zwischenrahmenabstand gesendet werden kann.
Möglicherweise ist die Sende-/Empfangseinrichtung zum seriellen Senden eines von der Kommunikationssteuereinrichtung erzeugten Sendesignals auf einen Bus des Bussystems derart ausgestaltet, dass sich für eine den Rahmen die Bitzeit des in einer ersten Kommunikationsphase auf den Bus gesendeten Signals unterscheiden kann von einer Bitzeit des in einer zweiten Kommunikationsphase gesendeten Signals.
Möglich ist, dass der Rahmen kompatibel zu CAN FD aufgebaut ist, wobei in einer ersten Kommunikationsphase ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen des Bussystems in einer nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus bekommt.
Die zuvor beschriebene Teilnehmerstation kann Teil eines Bussystems sein, das zudem einen Bus und mindestens zwei Teilnehmerstationen umfasst, welche über den Bus derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können. Hierbei ist mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen eine zuvor beschriebene Teilnehmerstation.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem nach Anspruch 15 gelöst. Das Verfahren wird mit einer Teilnehmerstation des Bussystems ausgeführt, die eine Kommunikationssteuereinrichtung, eine Sende-/Empfangseinrichtung und ein Markiermodul aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist Steuern, mit der Kommunikationssteuereinrichtung, einer Kommunikation der Teilnehmerstation mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation des Bussystems, wobei die Kommunikationssteuereinrichtung zum Erzeugen eines Sendesignal gemäß einem Rahmen ausgestaltet ist, seriell Senden, mit der Sende-/Empfangseinrichtung, eines von der Kommunikationssteuereinrichtung erzeugten Sendesignals auf einen Bus des Bussystems, serielle Empfangen, mit der Sende-/Empfangseinrichtung, von Signalen von dem Bus des Bussystems, Auswerten, mit dem Markiermodul, ob ein vom Bus empfangener Rahmen auf dem Bus Vorkommen darf oder nicht, und Markieren, mit dem Markiermodul, eines Rahmens mit einer Markierung derart, dass die Sende- /Empfangseinrichtung die Markierung auf den Bus sendet, um das Ergebnis der Auswertung der mindestens einen anderen Teilnehmerstation des Bussystems mitzuteilen.
Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Teilnehmerstation genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Zeichnungen
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Bussystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Nachricht, die von einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gesendet werden kann;
Fig. 3 ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Teilnehmerstation des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf von Bussignalen CAN-XL_H und CAN-XL_L bei der Teilnehmerstation gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 einen zeitlichen Verlauf einer Differenzspannung VDIFF der Bussignale CAN-XL_H und CAN-XL_L bei der Teilnehmerstation gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen ein Beispiel für Sendesignale TxDl bis TxD4, die bei vier verschiedenen Teilnehmerstationen des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel während dem Senden eines Rahmens erzeugt werden; und
Fig. 10 einen zeitlichen Verlauf eines Signals TxD4 an dem TXD-Anschluss einer vierten Teilnehmerstation des Bussystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, die derzeit als RX-Teilnehmerstation agiert und den Rahmen gemäß dem Signal von Fig. 6 von dem Bus des Bussystems empfängt.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts Anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt als Beispiel ein Bussystem 1, das insbesondere grundlegend für ein CAN-Bussystem, ein CAN FD-Bussystem, ein CAN XL-Bussystem, und/oder Abwandlungen davon ausgestaltet ist, wie nachfolgend beschrieben. Das Bussystem 1 kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, usw., oder im Krankenhaus usw. Verwendung finden.
In Fig. 1 hat das Bussystem 1 eine Vielzahl von Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die jeweils an einen Bus 40 mit einer ersten Busader 41 und einer zweiten Busader 42 angeschlossen sind. Die Busadern 41, 42 können auch CAN_H und CAN_L oder CAN-XL_H und CAN-XL_L genannt werden und dienen zur elektrischen Signalübertragung nach Einkopplung der dominanten Pegel bzw. Erzeugung von rezessiven Pegeln oder anderen Pegeln für ein Signal im Sendezustand. Über den Bus 40 sind Nachrichten 45, 46 in der Form von Signalen zwischen den einzelnen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 seriell übertragbar. Tritt bei der Kommunikation auf dem Bus 40 ein Fehler auf, wie durch den gezackten schwarzen Blockpfeil in Fig. 1 dargestellt, kann optional ein Fehlerrahmen 47 (Error Flag) gesendet werden. Die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Anzeigevorrichtungen, usw. eines Kraftfahrzeugs.
Wie in Fig. 1 gezeigt, hat die Teilnehmerstation 10 eine
Kommunikationssteuereinrichtung 11, eine Sende-/Empfangseinrichtung 12 und ein Markiermodul 15. Die Teilnehmerstation 20 hat eine
Kommunikationssteuereinrichtung 21 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 22. Die Teilnehmerstation 30 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 31, eine Sende-/Empfangseinrichtung 32 und ein Markiermodul 35. Die Sende- /Empfangseinrichtungen 12, 22, 32 der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind jeweils direkt an den Bus 40 angeschlossen, auch wenn dies in Fig. 1 nicht veranschaulicht ist.
Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 21, 31 dienen jeweils zur Steuerung einer Kommunikation der jeweiligen Teilnehmerstation 10, 20, 30 über den Bus 40 mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die an den Bus 40 angeschlossen sind.
Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 erstellen und lesen erste Nachrichten 45, die beispielsweise modifizierte CAN Nachrichten 45 sind. Hierbei sind die modifizierten CAN Nachrichten 45 auf der Grundlage eines CAN XL- Formats aufgebaut, das in Bezug auf Fig. 2 detaillierter beschrieben ist, und bei welchem das jeweilige Markiermodul 15, 35 zum Einsatz kommt. Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 können zudem ausgeführt sein, um je nach Bedarf eine CAN XL-Nachricht 45 oder eine CAN FD-Nachricht 46 für die Sende-/Empfangseinrichtung 32 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen. Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 31 erstellen und lesen also eine erste Nachricht 45 oder zweite Nachricht 46, wobei sich die erste und zweite Nachricht 45, 46 durch ihren Datenübertragungsstandard unterscheiden, nämlich in diesem Fall CAN XL oder CAN FD.
Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 kann wie ein herkömmlicher CAN- Controller nach ISO 11898-1:2015 ausgeführt sein, d.h. wie ein CAN FD toleranter Classical CAN-Controller oder ein CAN FD Controller. Die Kommunikationssteuereinrichtung 21 erstellt und liest zweite Nachrichten 46, beispielsweise CAN FD-Nachrichten 46. Bei den CAN FD-Nachrichten 46 kann eine Anzahl von 0 bis zu 64 Datenbytes umfasst sein, die noch dazu mit einer deutlich schnelleren Datenrate als bei einer Classical CAN-Nachricht übertragen werden. Insbesondere ist die Kommunikationssteuereinrichtung 21 wie ein herkömmlicher CAN FD-Controller ausgeführt.
Die Sende-/Empfangseinrichtung 22 kann wie ein herkömmlicher CAN Transceiver nach ISO 11898-1:2015 oder CAN FD Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 32 können ausgeführt sein, um je nach Bedarf Nachrichten 45 gemäß dem CAN XL- Format oder Nachrichten 46 gemäß dem derzeitigen CAN FD- Format für die zugehörige Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31 bereitzustellen oder von dieser zu empfangen.
Mit den beiden Teilnehmerstationen 10, 30 ist eine Bildung und dann Übertragung von Nachrichten 45 mit dem CAN XL Format sowie der Empfang solcher Nachrichten 45 realisierbar.
Fig. 2 zeigt für die Nachricht 45 einen CAN XL Rahmen 450, wie er von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 für die Sende-/Empfangseinrichtung 12 zum Senden auf den Bus 40 bereitgestellt wird. Hierbei erstellt die Kommunikationssteuereinrichtung 11 den Rahmen 450 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als kompatibel mit CAN FD, wie auch in Fig. 2 veranschaulicht. Dasselbe gilt analog für die Kommunikationssteuereinrichtung 31 und die Sende-/Empfangseinrichtung 32 der Teilnehmerstation 30.
Gemäß Fig. 2 ist der CAN XL-Rahmen 450 für die CAN-Kommunikation auf dem Bus 40 in unterschiedliche Kommunikationsphasen 451, 452 unterteilt, nämlich eine Arbitrationsphase 451 und eine Datenphase 452. Der Rahmen 450 hat ein Arbitrationsfeld 453, ein Steuerfeld 454, ein Datenfeld 455, ein Prüfsummenfeld 456 für eine Prüfsumme FCRC und eine Umschaltsequenz ADS sowie ein Bestätigungsfeld 457.
In der Arbitrationsphase 451 wird mit Hilfe eines Identifizierers (ID) in dem Arbitrationsfeld 453 bitweise zwischen den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 ausgehandelt, welche Teilnehmerstation 10, 20, 30 die Nachricht 45, 46 mit der höchsten Priorität senden möchte und daher für die nächste Zeit zum Senden in der anschließenden Datenphase 452 einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 1 bekommt. In der Arbitrationsphase 451 wird ein Physical Layer wie bei CAN und CAN-FD verwendet. Der Physical Layer entspricht der Bitübertragungsschicht oder Schicht 1 des bekannten OSI-Modells (Open Systems Interconnection Modell).
Ein wichtiger Punkt während der Phase 451 ist, dass das bekannte CSMA/CR- Verfahren Verwendung findet, welches gleichzeitigen Zugriff der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 auf den Bus 40 erlaubt, ohne dass die höher priorisierte Nachricht 45, 46 zerstört wird. Dadurch können dem Bussystem 1 relativ einfach weitere Bus-Teilnehmerstationen 10, 20, 30 hinzugefügt werden, was sehr vorteilhaft ist.
Das CSMA/CR-Verfahren hat zur Folge, dass es sogenannte rezessive Zustände auf dem Bus 40 geben muss, welche von anderen Teilnehmerstationen 10, 20,
30 mit dominanten Zuständen auf dem Bus 40 überschrieben werden können. Im rezessiven Zustand herrschen an der einzelnen Teilnehmerstation 10, 20, 30 hochohmige Verhältnisse, was in Kombination mit den Parasiten der Busbeschaltung längere Zeitkonstanten zur Folge hat. Dies führt zu einer Begrenzung der maximalen Bitrate des heutigen CAN-FD-Physical-Layer auf derzeit etwa 2 Megabit pro Sekunde im realen Fahrzeug- Einsatz.
In der Datenphase 452 werden neben einem Teil des Steuerfelds 454 die Nutzdaten des CAN-XL-Rahmens bzw. der Nachricht 45 aus dem Datenfeld 455 sowie das Prüfsummenfeld 456 für die Prüfsumme FCRC und außerdem ein Feld DAS gesendet, das zur Umschaltung von der Datenphase 452 zurück zur Arbitrationsphase 451 dient.
Ein Sender der Nachricht 45 beginnt ein Senden von Bits der Datenphase 452 auf den Bus 40 erst, wenn die Teilnehmerstation 10 als der Sender die Arbitration gewonnen hat und die Teilnehmerstation 10 als Sender damit zum Senden einen exklusiven Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 1 hat.
Ganz allgemein können in dem Bussystem mit CAN XL im Vergleich zu CAN oder CAN FD folgende abweichenden Eigenschaften realisiert werden: a) Übernahme und ggf. Anpassung bewährter Eigenschaften, die für die Robustheit und Anwenderfreundlichkeit von CAN und CAN FD verantwortlich sind, insbesondere Rahmenstruktur mit Identifier und Arbitrierung nach dem CSMA/CR- Verfahren, b) Steigerung der Netto-Datenübertragungsrate, insbesondere auf etwa 10 Megabit pro Sekunde, c) Anheben der Größe der Nutzdaten pro Rahmen, insbesondere auf etwa 4kbyte oder einen beliebigen anderen Wert.
Wie in Fig. 2 dargestellt, verwendet die Teilnehmerstation 10 in der Arbitrationsphase 451 als erster Kommunikationsphase teilweise, insbesondere bis zum FDF-Bit (inklusive), ein von CAN/CAN-FD bekanntes Format gemäß der ISO11898-l:2015. Dagegen verwendet die Teilnehmerstation 10 ab dem FDF-Bit in der ersten Kommunikationsphase sowie in der zweiten Kommunikationsphase, der Datenphase 452, ein CAN XL Format, das nachfolgend beschrieben ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind CAN XL und CAN FD kompatibel. Hierbei wird das von CAN FD bekannte res-Bit, das nachfolgend XLF-Bit genannt ist, für die Umschaltung von dem CAN FD Format zu dem CAN XL Format genutzt. Daher sind die Rahmenformate von CAN FD und CAN XL bis zum res-Bit gleich. Ein Empfänger erkennt erst bei dem res-Bit, in welchem Format der Rahmen gesendet wird. Eine CAN XL Teilnehmerstation, also hier die Teilnehmerstationen 10, 30, unterstützt auch CAN FD.
Alternativ zu dem in Fig. 2 gezeigten Rahmen 450, bei welchem ein Identifizierer (Identifier) mit 11 Bit verwendet wird, ist optional ein CAN XL Erweitertes Rahmenformat möglich, bei dem ein Identifizierer (Identifier) mit 29 Bit verwendet wird. Dies ist bis zum FDF-Bit identisch zu dem bekannten CAN FD Erweiterten Rahmenformat aus der ISO11898-l:2015.
Gemäß Fig. 2 ist der Rahmen 450 vom SOF-Bit bis einschließlich zum FDF-Bit identisch zum CAN FD Base Frame Format gemäß der ISO11898-l:2015. Daher ist der bekannte Aufbau hier nicht weiter erläutert. Bits, die einen festen Wert haben, nämlich 0 oderl, sind mit einem schwarzen Strich gekennzeichnet. Bits, die an ihrer unteren Linie in Fig. 2 mit einem dicken Strich dargestellt sind, werden in dem Rahmen 450 als dominant oder ,0‘ gesendet. Bits, die an ihrer oberen Linie in Fig. 2 mit einem dicken Strich dargestellt sind, werden in dem Rahmen 450 als rezessiv oder ,1‘ gesendet. In der CAN XL Datenphase 452 werden symmetrische ,1‘ und ,0‘ Pegel verwendet, statt rezessiver und dominanter Pegel.
Allgemein werden bei der Erzeugung des Rahmens 450 zwei unterschiedliche Stuffing- Regeln angewendet. Bis zum XLF-Bit im Steuerfeld 454 gilt die dynamische Bit- Stuffing- Regel von CAN FD, so dass nach 5 gleichen Bits in Folge ein inverses Stuff-Bit einzufügen ist. Derartige Stuff-Bits werden auch als dynamische Stuff-Bits bezeichnet. Nach einem resXL-Bit im Steuerfeld 454 gilt eine feste Stuffing- Regel, so dass nach einer festen Zahl von Bits ein fixed Stuff- Bit einzufügen ist. Alternativ können statt nur einem Stuff-Bit eine Anzahl von 2 oder mehr Bits als fixed Stuff-Bits eingefügt werden.
In dem Rahmen 450 folgt direkt nach dem FDF-Bit das XLF-Bit, das von der Position her dem „res Bit“ im CAN FD Base Frame Format entspricht, wie zuvor erwähnt. Wird das XLF-Bit als 1, also rezessiv, gesendet, identifiziert es damit den Rahmen 450 als CAN XL-Rahmen. Für einen CAN FD Rahmen setzt die Kommunikationssteuereinrichtung 11 das XLF-Bit als 0, also dominant.
Nach dem XLF-Bit folgt in dem Rahmen 450 ein resXL-Bit, das ein dominantes Bit für die zukünftige Nutzung ist. Das resXL muss für den Rahmen 450 als 0, also dominant, gesendet werden. Empfängt die Teilnehmerstation 10 jedoch ein resXL-Bit als 1, also rezessiv, geht die empfangende Teilnehmerstation 10 beispielsweise in einen Protokollausnahmezustand (Protocol Exception State), so wie es bei einer CAN FD Nachricht 46 für ein res=l ausgeführt wird. Alternativ könnte das resXL-Bit genau umgekehrt definiert sein, also, dass es als 1, also rezessiv, gesendet werden muss. In diesem Fall geht die empfangende Teilnehmerstation bei einem dominanten resXL-Bit in den Protokollausnahmezustand.
Nach dem resXL-Bit folgt in dem Rahmen 450 eine Sequenz ADS (Arbitration Data Switch), in welcher eine vorbestimmte Bitsequenz codiert wird. Diese Bitsequenz erlaubt eine einfache und sichere Umschaltung von der Bitrate der Arbitrationsphase 451 (Arbitrationsbitrate) zu der Bitrate der Datenphase 452 (Datenbitrate). Beispielsweise besteht die Bitsequenz der ADS-Sequenz unter anderem aus einem ALl-Bit, das dominant, also 0, gesendet wird. Das ALl-Bit ist das letzte Bit der Arbitrationsphase 451. Mit anderen Worten, das ALl-Bit ist das letzte Bit vor der Umschaltung in die Datenphase 452 mit den kurzen Bits. Innerhalb des ALl-Bits wird der Physical Layer in der Sende- /Empfangseinrichtung 12, 22, 32 umgeschaltet. Das ALI Bit könnte alternativ den Wert 1 haben, je nachdem welcher Wert (0 oder 1) für die Umschaltung des Physical Layers in der Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 (Transceiver) besser geeignet ist. Die zwei folgenden Bits DH1 und DL1 werden bereits mit der Datenbitrate gesendet. Somit sind die Bits DH1 und DL1 bei CAN XL zeitlich kurze Bits der Datenphase 452. Hat das ALI Bit den Wert 1, folgt ihm zunächst das DLl-Bit und dann das DHl-Bit.
Nach der Sequenz ADS folgt in dem Rahmen 450 ein PT-Feld, das den Inhalt des Datenfeldes 455 kennzeichnet. Der Inhalt gibt an, welche Art von Information in dem Datenfeld 455 enthalten ist. Beispielsweise gibt das PT-Feld an, ob sich im Datenfeld 455 ein „Internet Protocol“ (IP) Rahmen befinden, oder ein getunnelter Ethernet- Rahmen oder Sonstiges.
An das PT-Feld schließt sich ein DLC-Feld an, in welchem der Datenlängencode (DLC = Data Length Code) eingefügt wird, welcher die Anzahl der Bytes im Datenfeld 455 des Rahmens 450 angibt. Der Datenlängencode (DLC) kann jeden Wert von 0 bis zur maximalen Länge des Datenfelds 455 bzw. Datenfeldlänge annehmen. Beträgt die maximale Datenfeldlänge insbesondere 2048 Bit, benötigt der Datenlängencode (DLC) eine Anzahl von 11 Bits unter den Annahmen, dass DLC = 0 eine Datenfeldlänge mit einer Anzahl von 1 Byte bedeutet und DLC = 2047 eine Datenfeldlänge mit einer Anzahl von 2048 Byte Datenfeldlänge bedeutet. Alternativ könnte ein Datenfeld 455 der Länge 0 erlaubt sein, wie beispielsweise bei CAN. Hierbei würde DLC = 0 beispielsweise die Datenfeldlänge mit der Anzahl von 0 Bytes codieren. Die maximale codierbare Datenfeldlänge ist mit beispielsweise 11 Bit dann (2n)-l = 2047.
Nach dem DLC-Feld folgt bei dem Beispiel von Fig. 2 in dem Rahmen 450 eine Kopfprüfsumme HCRC. Die Kopfprüfsumme HCRC ist eine Prüfsumme zur Absicherung des Kopfes (Headers) des Rahmens 450, das heißt aller relevanten Bits vom Beginn des Rahmens 450 mit dem SOF-Bit bis zum Beginn der Kopfprüfsumme HCRC, inklusive aller dynamischen und optional der fixed Stuff- Bits bis zum Beginn der Kopfprüfsumme HCRC. Die relevanten Bits umfassen nur die Bits des Rahmenkopfes, die einen veränderbaren Wert haben. Mit anderen Worten, die relevanten Bits umfassen keine Bits, die in dem Rahmen 450 immer einen festen Wert haben. Derartige Bits mit nicht veränderbarem Wert werden also nicht abgesichert, denn diese Bits haben einen festen Wert. Die Länge der Kopfprüfsumme HCRC und damit des Prüfsummen-Polynoms gemäß der zyklischen Redundanzprüfung (CRC) ist entsprechend der gewünschten Hamming-Distanz zu wählen. Das von der Kopfprüfsumme HCRC abzusichernde Datenwort ist bei einem Datenlängencode (DLC) von 11 Bit länger als 27 Bit. Daher muss das Polynom der Kopfprüfsumme HCRC, um eine Hamming-Distanz von 6 zu erreichen, mindestens 13 Bit lang sein.
Nach der Kopfprüfsumme HCRC folgt in dem Rahmen 450 das Datenfeld 455 (Data Field). Das Datenfeld 455 besteht aus 1 bis n Daten- Bytes, wobei n beispielsweise 2048 Byte oder 4096 Byte oder ein beliebiger anderer Wert ist. Alternativ ist eine Datenfeldlänge von 0 denkbar. Die Länge des Datenfelds 455 ist in dem DLC-Feld codiert, wie zuvor beschrieben.
Nach dem Datenfeld 455 folgt in dem Rahmen 450 eine Rahmenprüfsumme FCRC. Die Rahmenprüfsumme FCRC besteht aus den Bits der Rahmenprüfsumme FCRC. Die Länge der Rahmenprüfsumme FCRC und damit des CRC Polynoms ist entsprechend der gewünschten Hamming-Distanz zu wählen. Die Rahmenprüfsumme FCRC sichert den gesamten Rahmen 450 ab. Alternativ ist optional nur das Datenfeld 455 mit der Rahmenprüfsumme FCRC abgesichert.
Nach der Rahmenprüfsumme FCRC folgt in dem Rahmen 450 die Sequenz DAS (Data Arbitration Switch), in welcher eine vorbestimmte Bitsequenz codiert wird. Diese Bitsequenz erlaubt eine einfache und sichere Umschaltung von der Daten- Bitrate der Datenphase 452 zu der Arbitrations- Bitrate der Arbitrationsphase 451. Beispielsweise beginnt die Bit Sequenz mit den Datenbits DH2, DH3 die als 1 gesendet werden und den Datenbits DL2, DL3 die als 0 gesendet werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Das sind die letzten 4 Bits der Datenphase 452. Somit ist das DL3-Bit das letzte kurze Bit, d.h. das letzte Bit vor der Umschaltung in die Arbitrationsphase 451 mit den langen Bits. Die Bits werden gefolgt von einem AHl-Bit mit dem Wert 1 der Arbitrations- Phase 451. Innerhalb des AHl-Bits wird der Physical Layer in der Sende-/Empfangseinrichtung 12, 32 (Transceiver) umgeschaltet. Das AHl-Bit könnte alternativ den Wert 0 haben, je nachdem welcher Wert (0 oder 1) für die Umschaltung des Physical Layers in der Sende- /Empfangseinrichtung 12, 32 (Transceiver) besser geeignet ist. Eine RX- Teilnehmerstation 10, 30, die nur Empfänger des Rahmens 450 ist, also den empfangenen Rahmen 450 nicht gesendet hat, verwendet die Bitsequenz DH2, DH3, DL2, DL3 nicht nur zur Synchronisation, sondern auch als Formatprüfmuster (Format Check Pattern). Mit dieser Bitsequenz kann die RX- Teilnehmerstation 10, 30 erkennen, ob sie den von dem Bus 40 empfangenen Bitstrom versetzt abtastet, beispielsweise um 1 Bit oder 2 Bit, usw.. Gemäß noch einem anderen Beispiel hat das DAS-Feld drei Bits, also das DH2-Bit, das DL2- Bit und ein AHl-Bit. Von den Bits werden das erste und letzte Bit als 1 gesendet und das mittlere Bit als 0 gesendet. Bei den obigen Beispielen kann an der Flanke zwischen dem DH3-Bit und dem DL2-Bit bzw. dem DH2-Bit und dem DL2-Bit in der empfangenden Teilnehmerstation die letzte Synchronisation vor der Umschaltung von der Datenphase 452 in die Arbitrationsphase 451 durchgeführt werden.
Nach der Sequenz DAS folgt in dem Rahmen 450 das Bestätigungsfeld 457, das mit einem RP-Feld beginnt. In dem RP-Feld ist ein Synchronisationsmuster (Sync Pattern) vorgehalten, das einer empfangenden Teilnehmerstation 10, 30 erlaubt, den Beginn der Arbitrationsphase 451 nach der Datenphase 452 zu erkennen. Das Synchronisationsmuster erlaubt empfangenden Teilnehmerstationen 10, 30, die beispielsweise aufgrund einer falschen Kopfprüfsumme HCRC die korrekte Länge des Datenfelds 455 nicht kennen, sich aufzusynchronisieren. Anschließend können diese Teilnehmerstationen ein „Negativ Acknowledge“ senden, um den fehlerhaften Empfang mitzuteilen. Dies ist insbesondere dann sehr wichtig, wenn CAN XL im Datenfeld 455 keine Fehlerrahmen 47 (Error Flags) erlaubt.
Nach dem RP-Feld folgen in dem Bestätigungsfeld (ACK Field) 457 mehrere Bits zur Bestätigung oder Nichtbestätigung eines korrekten Empfangs des Rahmens 450. Bei dem Beispiel von Fig. 2 sind ein ACK-Bit, ein ACK-dlm-Bit, ein NACK-Bit und ein NACK-dlm-Bit vorgesehen. Das ACK-Bit senden die empfangenden Teilnehmerstationen 10, 30 als dominant, wenn sie den Rahmen 450 korrekt empfangen haben. Die sendende Teilnehmerstation sendet das ACK-Bit als rezessiv. Daher kann das ursprünglich in dem Rahmen 450 auf den Bus 40 gesendete Bit von den empfangenden Teilnehmerstationen 10, 30 überschrieben werden. Das ACK-dlm-Bit wird als ein rezessives Bit gesendet, welches zur Abtrennung zu anderen Feldern dient. Das NACK-Bit und das NACK-dlm Bit dienen dazu, dass eine empfangende Teilnehmerstation einen nicht korrekten Empfang des Rahmens 450 auf dem Bus 40 signalisieren kann. Die Funktion des Bits NACK-dlm ist wie die des ACK-dlm-Bits. Das NACK-Bit kann zur Markierung des Rahmens 450 verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben.
Nach dem Bestätigungsfeld (ACK Field) 457 folgt in dem Rahmen 450 ein Endefeld (EOF = End of Frame). Die Bitsequenz des Endefelds (EOF) dient dazu, das Ende des Rahmens 450 zu kennzeichnen. Das Endefeld (EOF) sorgt dafür, dass am Ende des Rahmens 450 eine Anzahl von 8 rezessiven Bits gesendet wird. Das ist eine Bitfolge, die innerhalb des Rahmens 450 nicht auftreten kann. Dadurch kann von den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 das Ende des Rahmens 450 sicher erkannt werden.
Das Endefeld (EOF) hat eine Länge, die abhängig davon unterschiedlich ist, ob im NACK-Bit ein dominantes Bit oder ein rezessives Bit gesehen wurde. Wenn die sendende Teilnehmerstation das NACK-Bit als dominant empfangen hat, dann hat das Endefeld (EOF) eine Anzahl von 7 rezessiven Bits. Ansonsten ist das Endefeld (EOF) nur 5 rezessive Bits lang.
Nach dem Endefeld (EOF) folgt in dem Rahmen 450 ein Zwischenrahmenabstand 458 (INT - Intermission Field), der in Fig. 2 nicht dargestellt ist, sondern nur in Fig. 9 und Fig. 10 dargestellt ist. Dieser Zwischenrahmenabstand 458 (INT) ist ausgestaltet wie bei CAN FD entsprechend der ISO11898-l:2015.
Fig. 3 zeigt den grundlegenden Aufbau der Teilnehmerstation 10 mit der Kommunikationssteuereinrichtung 11, der Sende-/Empfangseinrichtung 12 und dem Markiermodul 15, das Teil der Kommunikationssteuereinrichtung 11 ist. Die Teilnehmerstation 30 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, wie in Fig. 3 gezeigt, jedoch ist das Markiermodul 35 gemäß Fig. 1 separat von der Kommunikationssteuereinrichtung 31 und der Sende-/Empfangseinrichtung 32 angeordnet. Daher wird die Teilnehmerstation 30 nicht separat beschrieben.
Gemäß Fig. 3 hat die Teilnehmerstation 10 zusätzlich zu der Kommunikationssteuereinrichtung 11 und der Sende-/Empfangseinrichtung 12 einen Mikrocontroller 13, welchem die Kommunikationssteuereinrichtung 11 zugeordnet ist, und eine System-ASIC 16 (ASIC = Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung), die alternativ ein System Basis-Chip (SBC) sein kann, auf dem mehrere für eine Elektronik-Baugruppe der Teilnehmerstation 10 notwendige Funktionen zusammengefasst sind. In dem System-ASIC 16 ist zusätzlich zu der Sende-/Empfangseinrichtung 12 eine Energieversorgungseinrichtung 17 eingebaut, welche die Sende- /Empfangseinrichtung 12 mit elektrischer Energie versorgt. Die Energieversorgungseinrichtung 17 liefert üblicherweise eine Spannung CAN_Supply von 5 V. Je nach Bedarf kann die Energieversorgungseinrichtung 17 jedoch eine andere Spannung mit einem anderen Wert liefern. Zusätzlich oder alternativ kann die Energieversorgungseinrichtung 17 als Stromquelle ausgestaltet sein.
Das Markiermodul 15 hat einen Auswerteblock 151 und einen Einfügeblock 152, die nachfolgend noch genauer beschrieben sind.
Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 hat zudem ein Sendemodul 121 und ein Empfangsmodul 122. Auch wenn nachfolgend immer von der Sende- /Empfangseinrichtung 12 gesprochen ist, ist es alternativ möglich, das Empfangsmodul 122 in einer separaten Einrichtung extern von dem Sendemodul 121 vorzusehen. Das Sendemodul 121 und das Empfangsmodul 122 können wie bei einer herkömmlichen Sende-/Empfangseinrichtung 22 aufgebaut sein. Das Sendemodul 121 kann insbesondere mindestens einen Operationsverstärker und/oder einen Transistor aufweisen. Das Empfangsmodul 122 kann insbesondere mindestens einen Operationsverstärker und/oder einen Transistor aufweisen.
Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 ist an den Bus 40 angeschlossen, genauer gesagt dessen erste Busader 41 für CAN_H oder CAN-XL_H und dessen zweite Busader 42 für CAN_L oder CAN-XL_L. Über mindestens einen Anschluss 43 erfolgt die Spannungsversorgung für die Energieversorgungseinrichtung 17 zum Versorgen der ersten und zweiten Busader 41, 42 mit elektrischer Energie, insbesondere mit der Spannung CAN-Supply. Die Verbindung mit Masse bzw. CAN_GND ist über einen Anschluss 44 realisiert. Die erste und zweite Busader 41, 42 sind mit einem Abschlusswiderstand 49 terminiert.
Die erste und zweite Busader 41, 42 sind in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 nicht nur mit dem Sendemodul 121, das auch als Transmitter bezeichnet wird, sondern auch mit dem Empfangsmodul 122 verbunden, das auch als Receiver bezeichnet wird, auch wenn die Verbindungen in Fig. 3 zur Vereinfachung nicht gezeigt sind. Im Betrieb des Bussystems 1 setzt das Sendemodul 121 ein Sendesignal TXD oder TxD der Kommunikationssteuereinrichtung 11 in entsprechende Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L für die Busadern 41, 42 um und sendet diese Signale an den Anschlüssen für CAN_H und CAN_L auf den Bus 40. Ein Beispiel für die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L ist in Fig. 4 gezeigt. Auf dem Bus 40 bildet sich ein Differenzsignal VDIFF = CAN-XL_H - CAN-XL_L aus, das in Fig. 5 gezeigt ist.
Das Empfangsmodul 122 von Fig. 3 bildet aus von dem Bus 40 empfangenen Signalen CAN-XL_H und CAN-XL_L gemäß Fig. 4 bzw. dem Differenzsignal VDIFF gemäß Fig. 5 ein Empfangssignal RXD oder RxD. Wie in Fig. 3 gezeigt, gibt das Empfangsmodul 122 das Empfangssignal RXD oder RxD an die Kommunikationssteuereinrichtung 11 weiter.
Mit Ausnahme eines Leerlauf- oder Bereitschaftszustands (Idle oder Standby), hört die Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit dem Empfangsmodul 122 im Normalbetrieb immer auf eine Übertragung von Daten bzw. Nachrichten 45, 46 auf dem Bus 40 und zwar unabhängig davon, ob die Sende- /Empfangseinrichtung 12 Sender der Nachricht 45 ist oder nicht.
Gemäß dem Beispiel von Fig. 4 haben die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L zumindest in der Arbitrationsphase 451 die dominanten und rezessiven Buspegel 401, 402, wie von CAN bekannt. Die einzelnen Bits des Signals VDIFF mit der Bitzeit t_bt können mit dem Empfangsmodul 122 mit einer Empfangsschwelle T_a von beispielsweise 0,7 V in der Arbitrationsphase 451 erkannt werden, wie in Fig. 5 gezeigt. In der Datenphase 452 werden die Bits der Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L schneller, also mit einer kürzeren Bitzeit t_bt, gesendet als in der Arbitrationsphase 451. Somit unterscheiden sich die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L in der Datenphase 452 zumindest in deren schnelleren Bitrate von den herkömmlichen Signalen CAN_H und CAN_L. Sind die Signale CAN-XL_H und CAN-XL_L in der Datenphase 452 zudem mit einem anderen Physical Layer erzeugt, wird auch in dem Empfangsmodul 122 die Empfangsschwelle umgeschaltet beispielsweise auf eine Empfangsschwelle T_d von etwa 0,0 V in der Datenphase 452. Die Abfolge der Zustände 401, 402 für die Signale CAN-XL_H, CAN-XL_L in Fig. 4 und der daraus resultierende Verlauf der Spannung VDIFF von Fig. 5 dient nur der Veranschaulichung der Funktion der Teilnehmerstation 10. Die Abfolge der Datenzustände für die Buszustände 401, 402 ist je nach Bedarf wählbar.
Mit anderen Worten erzeugt das Sendemodul 121 von Fig. 3 in einer ersten Betriebsart gemäß Fig. 4 einen ersten Datenzustand als Buszustand 402 mit unterschiedlichen Buspegeln für zwei Busadern 41, 42 der Busleitung und einen zweiten Datenzustand als Buszustand 401 mit demselben Buspegel für die zwei Busadern 41, 42 der Busleitung des Busses 40. Außerdem sendet das Sendemodul 121 von Fig. 3 für die zeitlichen Verläufe der Signale CAN-XL_H, CAN-XL_L in einer zweiten Betriebsart, welche die Datenphase 452 umfasst, die Bits mit einer höheren Bitrate auf den Bus 40. Wie erwähnt, können die Signale CAN-XL_H, CAN-XL_L in der Datenphase 452 zudem mit einem anderen Physical Layer als bei CAN FD erzeugt werden. Dadurch kann die Bitrate in der Datenphase 452 noch weiter erhöht werden als bei CAN FD.
Das Markiermodul 15 von Fig. 3, insbesondere dessen Auswerteblock 151, dient zum Auswerten, ob der derzeit empfangene Rahmen 450 markiert werden soll oder nicht. Hierfür hat der Auswerteblock 151 ein Empfangsfilter 1511, mit welchem vorbestimmte Rahmen 450 herausfilterbar sind.
Hierfür hat das Empfangsfilter 1511 Filterkriterien 151 B, mit welchen feststellbar ist, ob der Rahmen 450 Eigenschaften hat, die auf dem Bus 40 nicht Vorkommen dürfen. Die Filterkriterien 151B sind anhand von Merkmalen erstellt, welche ein Sicherheitsrisiko für das Bussystem 1 darstellen. Insbesondere sind die Filterkriterien 151 B als Liste gespeichert, so dass der Auswerteblock 151 einen Vergleich mit der Liste ausführt. Eine solche Liste kann als Schwarze Liste für Sicherheitsmerkmale (Security Feature Black-List) bezeichnet werden. Die Liste kann insbesondere Identifizierer ID aufweisen, für die das Senden von vorbestimmten Rahmen 450 mit vorbestimmtem Inhalt nicht zulässig ist. Beispielsweise darf ein Sensor, der einen speziellen Identifizierer hat, keinen Rahmen 450 senden, der üblicherweise von einem Steuergerät oder einem anderen Sensor oder einem Geber oder einem Antriebsgerät erwartet wird. Hier sind beliebige Varianten denkbar und in der Liste oder in den Filterkriterien 151B speicherbar. Beispielsweise enthält die Schwarze Liste (Black List) der Teilnehmerstation 10 alle diejenigen Identifizierer ID, die nur exklusiv von der Teilnehmerstation 10 gesendet werden dürfen. Das bedeutet, wenn die Teilnehmerstation 10 eine Nachricht bzw. Rahmen 450 vom Bus 40 empfängt und der Empfangsfilter 1511 mit den Filterkriterien 151B eine solche Eigenschaft (Treffer) findet, die auf dem Bus 40 nicht Vorkommen darf, dann handelt es sich um eine unerlaubt gesendete Nachricht bzw. Rahmen 450 auf dem Bus 40.
Außerdem hat das Empfangsfilter 1511 Filterkriterien 151W, mit welchen feststellbar ist, ob der Rahmen 450 für die Teilnehmerstation 10 interessant ist. Die Liste entspricht somit einem sogenannten Akzeptanzfilter. Insbesondere sind die Filterkriterien 151W als Liste gespeichert. Eine solche Liste kann als Weiße Liste bezeichnet werden.
Die Teilnehmerstation 10 verwendet das Empfangsfilter 1511 insbesondere in einem Fall, in dem die Teilnehmerstation 10 kein Sender des derzeit auf dem Bus 40 gesendeten Rahmens 450 ist, also als RX-Teilnehmerstation agiert.
Erkennt die Teilnehmerstation 10 als RX-Teilnehmerstation mit dem Auswerteblock 151, genauer dessen Empfangsfilter 1511 unter Verwendung der Filterkriterien 151 B, dass der Rahmen 450, der soeben noch auf dem Bus 40 übertragen wird, dort nicht Vorkommen dürfte, so signalisiert der Auswerteblock 15 dies dem Einfügeblock 152. Insbesondere weist der Auswerteblock 15 dabei den Einfügeblock 152 an, den Rahmen 450 auf dem Bus 40 mit einer Markierung 48 zu markieren. Mit anderen Worten, in dem genannten Fall kann die RX- Teilnehmerstation (Empfangsknoten) ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, insbesondere der CAN XL Protocol-Controlleranweisen, den Rahmen 450 auf dem Bus 40 mit einer Markierung 48 zu markieren.
Hierfür sendet die Kommunikationssteuereinrichtung 11, insbesondere der CAN XL Protocol-Controller, im Rahmen 450 in dem NACK- Feld N dominante Bits. Die dominanten Bits überschreiben das Bit NACK. N ist idealerweise 2, weil das NACK-Bit 1 Bit lang ist, falls es gesendet wird. Alternativ kann der Einfügeblock 152 ausgestaltet sein, zwischen mehreren verschiedenen Markierungen 48 zu unterscheiden, insbesondere eine Markierung 48 mit N = 2 Bits, eine Markierung 48 mit N = 3 Bits und optional zusätzlich eine Markierung 48 mit N = 4 Bits. Selbstverständlich sind andere Beispiele denkbar. Kann der Einfügeblock 152 zwischen unterschiedlichen Markierungen 48 unterscheiden, haben die unterschiedlichen Markierungen 48 unterschiedliche Bedeutungen. Die unterschiedlichen Markierungen 48 überschreiben jeweils die andere. Grund dafür ist, dass die Anzahl der Bits der Markierungen 48 und damit die Länge der Markierungen 48 unterschiedlich ist. Alternativ kann, falls im Bussystem 1 kein NACK-Bit benötigt wird, eine Markierung 48 mit N=1 Bit Länge erfolgen.
Nach Markierung eines empfangenen Rahmens 450 mit dem Einfügeblock 152 sehen alle anderen Teilnehmerstationen 20, 30 am Bus 40, dass mindestens eine Teilnehmerstation der Meinung ist, dass dieser Rahmen 450 auf dem Bus 40 „merkwürdig“ ist, mit anderen Worten nicht in ein vorbestimmtes Muster passt und gegebenenfalls ein Sicherheitsrisiko darstellt oder darstellen könnte. Jede der Teilnehmerstationen 10, 30 am Bus 40 kann diesen markierten Rahmen 450 besonders behandeln.
Beispielsweise kann eine der Teilnehmerstationen 10, 30, insbesondere ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31 (Protocol-Controller), derart ausgestaltet sein, den markierten Rahmen 450 zu verwerfen, obwohl er fehlerfrei empfangen wurde.
Alternativ kann eine der Teilnehmerstationen 10, 30, insbesondere ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31 (Protocol-Controller), ausgestaltet sein, in eine Art Notlauf überzugehen, da ein solches Ereignis, ein mit der Markierung 48 markierter Rahmen 450, nie Vorkommen sollte. Tritt dennoch ein solches Ereignis auf, nämlich ein mit der Markierung 48 markierter Rahmen 450, dann ist höchstwahrscheinlich Schadsoftware auf einem der Steuergeräte der Teilnehmerstationen 10, 30 am Bus 40. Derartige Schadsoftware versucht das Verhalten der übergeordneten technischen Anlage, insbesondere eines Fahrzeugs, zu manipulieren, indem die Schadsoftware Rahmen 450 sendet, die eigentlich nur andere Teilnehmerstationen 10, 20, 30 am Bus 40 senden dürfen. Alternativ kann ein solches Ereignis auftreten, nämlich ein markierter Rahmen 450, wenn eine Fehlkonfiguration eines Steuergeräts vorgekommen ist. In einem solchen Fall kann dies zu dem gleichen Effekt führen, nämlich einem markierten Rahmen 450.
Somit kann die Markierung 48 eines empfangenen Rahmens 450 mit dem Einfügeblock 152 auch helfen, Fehlkonfiguration(en) zu detektieren.
Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen ein Beispiel für Sendesignale TxD, die bei vier verschiedenen Teilnehmerstationen 10 des Bussystems 1 während und nach dem Senden eines Rahmens 450 an dem Anschluss TXD der einzelnen Teilnehmerstationen 10, 10, 30, 30 auftreten. Das heißt, es wird nachfolgend davon ausgegangen, dass das Bussystem 1 zumindest vier gleich aufgebaute Teilnehmerstationen 10 hat. Selbstverständlich kann alternativ zumindest eine der Teilnehmerstationen 10 aufgebaut sein, wie eine Teilnehmerstation 30.
Fig. 6 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Sendesignals TxDl an dem TXD- Anschluss einer ersten Teilnehmerstation 10 des Bussystems 1, die derzeit einen Rahmen 450 auf den Bus 40 sendet und somit als TX-Teilnehmerstation agiert;
Fig. 7 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Sendesignals TxD2 an dem TXD- Anschluss einer zweiten Teilnehmerstation 10 des Bussystems 1, die derzeit als RX-Teilnehmerstation agiert und den Rahmen 450 gemäß dem Signal von Fig. 6 von dem Bus 40 empfängt;
Fig. 8 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Sendesignals TxD3 an dem TXD- Anschluss einer dritten Teilnehmerstation 10 des Bussystems 1, die derzeit als RX-Teilnehmerstation agiert und den Rahmen 450 gemäß dem Signal von Fig. 6 von dem Bus 40 empfängt;
Fig. 9 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Signals TxD4 an dem TXD-Anschluss einer vierten Teilnehmerstation 10 des Bussystems 1, die derzeit als RX- Teilnehmerstation agiert und den Rahmen gemäß dem Signal von Fig. 6 von dem Bus des Bussystems empfängt.
Somit sendet die erste Teilnehmerstation 10 mit dem Sendesignal TxDl gemäß Fig. 6 einen Rahmen 450 auf den Bus 40. Der Rahmen 450 wird von den anderen Teilnehmerstationen 10 empfangen. Der Rahmen 450 wird in der Arbitrationsphase 451 mit Bits mit einer ersten Bitdauer t_bl gesendet. In der Datenphase 452 wird der Rahmen 450 mit Bits mit einer zweiten Bitdauer t_b2 gesendet. Die zweite Bitdauer t_b2 ist kürzer als die erste Bitdauer t_bl, wie zuvor beschrieben.
Die zweite Teilnehmerstation 10 hat den Rahmen 450 korrekt empfangen und bestätigt dies mit einem ACK, wie in Fig. 7 in dem Sendesignal TxD2 gezeigt.
Dagegen hat die dritte Teilnehmerstation 10 den Rahmen 450 nicht korrekt empfangen. Daher bestätigt die dritte Teilnehmerstation 10 den Empfang des Rahmens 450 mit einem NACK, wie in Fig. 8 in dem Sendesignal TxD3 gezeigt. Das NACK ist als inverses Bit in den Rahmen 450 eingefügt. Mit anderen Worten, das NACK ist als inverser Wert zu dem Wert des Bits eingefügt, der in dem Sendesignal TxDl gesendet wurde.
Außerdem hat die vierte Teilnehmerstation 10 den Rahmen 450 als „merkwürdigen“ Rahmen 450 eingestuft. Daher markiert die vierte Teilnehmerstation 10 den Rahmen 450 mit ihrem Markiermodul 15 mit einer Markierung 48, wie zuvor in Bezug auf Fig. 3 bis Fig. 5 beschrieben. Hierfür sendet die Teilnehmerstation 10 ein Sendesignal TxD4 mit einer Markierung 48 in den Bits NACK und NCK dlm, wie in Fig. 9 gezeigt. Die Markierung 48 hat bei dem Beispiel von Fig. 9 zwei dominante Bits. Somit gilt N = 2. Zudem ist die Markierung 48 bei dem NACK und NCK dlm als inverse Bits in den Rahmen 450 eingefügt. Mit anderen Worten, die Markierung 48 ist als inverser Wert zu dem Wert der Bits NACK und NCK dlm eingefügt, der in dem Sendesignal TxDl gesendet wurde.
In Folge der Markierung 48, welche alle Teilnehmerstationen 10 in ihrem Empfangssignal RxD empfangen und somit sehen, gehen die drei RX- Teilnehmerstationen 10, also die zweite bis vierte Teilnehmerstation 10, gemäß einer der zuvor beschriebenen Möglichkeiten vor, um auf den Rahmen 450 zu reagieren. Die jeweils gewählte Möglichkeit der Reaktion auf die Markierung 48, genauer gesagt den Rahmen 450, kann ab Werk fest eingestellt sein oder zuvor bei der Konfiguration der jeweiligen Teilnehmerstation 10 eingestellt worden sein. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Markiermodul 15, insbesondere der Einfügeblock 152, ausgestaltet, das Bit NACK als Markierung 48 mit N Bits zu überschreiben, um die Markierung 48 des Rahmens 450 durchzuführen. Hierbei ist N eine natürliche Zahl größer oder gleich 1.
Gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ist das Markiermodul 15, insbesondere der Einfügeblock 152, ausgestaltet, bei der Überlagerung auch eine Art Arbitration durchzuführen. Hierfür geht die Teilnehmerstation 10 folgendermaßen vor.
Die Teilnehmerstation 10, die ein NACK gesendet hat, wie in Fig. 8 gezeigt, überprüft, ob ihr NACK überschrieben wurde. Wurde das NACK überschrieben, dann sendet die Teilnehmerstation 10 ihr NACK im Anschluss an die Markierung 48 nochmals.
Somit kann in dem Bussystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dessen zuvor beschriebenen Varianten und Modifikationen zuverlässig erkannt und den anderen Busteilnehmern mitgeteilt werden, wenn ein „merkwürdiger“ Rahmen 450 im Bussystem 1 gesendet wird. Dadurch kann bei hoher Datenübertragungsrate die Datensicherheit des Betriebs des Bussystems 1 im Vergleich zu dem Stand der Technik erhöht werden. Dadurch kann auch die Sicherheit des Betriebs der übergeordneten technischen Anlage, insbesondere eines Fahrzeugs oder einer industriellen Anlage, oder einer sonstigen technischen Anlage, im Vergleich zu dem Stand der Technik erhöht werden.
Fig. 10 zeigt eine Art der Markierung 480 eines „merkwürdigen“ Rahmens 450 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Zumindest eine der Teilnehmerstationen 10, 30 kann ausgestaltet sein, die Markierung 480 alternativ oder zusätzlich zu einer Markierung 48 gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel vorzunehmen. Nachfolgend wird zur Vereinfachung nur Bezug auf die Teilnehmerstation 10 genommen, auch wenn die nachfolgende Beschreibung analog bei der Teilnehmerstation 30 einsetzbar ist. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Markiermodul 15, insbesondere das Einfügemodul 152, ausgestaltet, eine Markierung 480 nach dem Rahmen 450 einzufügen. Somit wird die Markierung 480 nicht in dem Rahmen 450 gesendet. Daher können das NACK-Bit und das NACK-dlm-Bit optionale Bits sein. Sind das NACK-Bit und das NACK-dlm-Bit vorhanden, ist die Funktion der Bits NACK, NACK-dlm bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dieselbe wie die Funktion des ACK-Bits und des ACK-dlm-Bits.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beginnt die Markierung 480 im Zwischenrahmenabstand 458 (INT). Der Zwischenrahmenabstand 458 (INT) hat bei CAN minimal 3 Bits.
Das Markiermodul 15 ist somit ausgestaltet, die Markierung 480 insbesondere unmittelbar nach dem Rahmen 450 einzufügen. Bei dem Beispiel von Fig. 10 ist die Markierung 480 ab Bit 2 des Zwischenrahmenabstands 458 (INT) eingefügt. Somit ist jede der Teilnehmerstationen 10, 30, insbesondere ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31, genauer ihr Protocol-Controller, derart ausgestaltet, auch noch nach dem Empfang des Endes des Rahmens 450 in dem Zwischenrahmenabstand 458 (INT) zu suchen, ob eine Markierung 480 vorhanden ist oder nicht. Dadurch kann die Teilnehmerstation 10, 20, 30, insbesondere ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31, genauer ihr Protocol-Controller, feststellen, ob der zuvor empfangene Rahmen 450 von irgendeiner der Teilnehmerstationen 10, 30 als „merkwürdiger“ Rahmen 450 eingestuft wurde.
Bei dem Beispiel von Fig. 10 hat der Einfügeblock 152 in das Sendesignal TxD4 im Zwischenrahmenabstand 458 (Intermission Feld) eine Markierung 480 (Overload- Flag = Überlast- Kennung) eingefügt, die eine Länge M = 8 Bit hat. Da zwei Markierungen 480 (Overload- Flags) sich nicht zu dieser Länge M = 8 Bit überlagern können, ist die Art der Markierung 480 eine Variante, einen „merkwürdigen“ Rahmen 450 zerstörungsfrei zu markieren. Jede andere Länge M ist auch möglich, die sich nicht durch Überlagerung von Markierungen 480 (Overload- Flags) ergeben kann. Ein normaler Overload- Flag hat die Länge von 6 Bit. Im Übrigen sind die Module 15, 35 auf die gleiche Weise aufgebaut, wie zuvor für das erste Ausführungsbeispiel oder eine deren Modifikationen beschrieben.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, des Bussystems 1 und des darin ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder deren Modifikationen beliebig kombiniert werden. Zusätzlich oder alternativ sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Möglich ist, dass mindestens eine der Teilnehmerstationen 10, 30, insbesondere ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, 31, genauer ihr Protocol-Controller, nur eine Markierung 48 oder eine Markierung 480 für einen Rahmen erkennen kann. Auf diese Weise kann zwischen den Bedeutungen der Markierungen 48, 480 unterschieden werden. Zudem hat diese mindestens eine der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, insbesondere ihre
Kommunikationssteuereinrichtung 11, 21, 31, genauer ihr Protocol-Controller, weniger Unterscheidungsmöglichkeiten für eine Reaktion auf die Markierungen 48, 480.
Möglich ist alternativ oder zusätzlich, dass mindestens eine der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, insbesondere ihre
Kommunikationssteuereinrichtung 11, 21, 31, genauer ihr Protocol-Controller, nur einen Teil der Bedeutungen der Markierungen 48, 480 unterscheiden kann. Dadurch hat diese mindestens eine der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, insbesondere ihre Kommunikationssteuereinrichtung 11, 21, 31, genauer ihr Protocol-Controller, weniger Unterscheidungsmöglichkeiten für eine Reaktion auf die Markierungen 48, 480.
Denkbar ist zudem, dass die TX-Teilnehmerstation, die den von ihr auf den Bus 40 gesendeten Rahmen 450 vom Bus 40 empfängt, eine Markierung 48 oder 480 in den Rahmen 450 einfügt, wenn die TX-Teilnehmerstation in dem Rahmen 450, der anstelle des erwarteten Rahmens 450 (entspricht dem gesendeten Rahmen 450) empfangen wird, einen merkwürdigen Rahmen erkennt. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn eine schadhafte Software Markierungen 48, 480 einfügt, die die TX-Teilnehmerstation als „merkwürdig“ einstuft. Eine solche schadhafte Software kann beispielsweise, auch wenn die zugehörige Teilnehmerstation 10, 30 eine RX-Teilnehmerstation und daher in der laufenden Datenphase 452 nur Empfänger des Rahmens ist, nicht nur im NACK-Bit, sondern an einer anderen Stelle in dem Rahmen 450 selbst etwas auf den Bus 40 senden und damit den von der TX-Teilnehmerstation auf den Bus 40 gesendeten Rahmen 450 verfälschen. Die TX-Teilnehmerstation kann dies erkennen und somit den Rahmen 450 bereits mit mindestens einer entsprechenden Markierung 48, 480 versehen. Zudem oder alternativ kann die schadhafte Software sogar auf der TX-Teilnehmerstation aktiv sein und verfälsche Nachrichten senden. Das Markiermodul 15, welches idealerweise von der schadhaften Software nicht manipuliert werden kann, fügt bei Bedarf bzw. in einem solchen Fall mindestens eine der Markierungen 48, 480 ein.
Auch wenn die Erfindung zuvor am Beispiel des CAN-Bussystems beschrieben ist, kann die Erfindung bei jedem Kommunikationsnetzwerk und/oder Kommunikationsverfahren eingesetzt werden, bei welchem zwei verschiedene Kommunikationsphasen verwendet werden, in denen sich die Buszustände unterscheiden, die für die unterschiedlichen Kommunikationsphasen erzeugt werden. Insbesondere ist die Erfindung bei Entwicklungen von sonstigen seriellen Kommunikationsnetzwerken, wie Ethernet und/oder 10 Base-Tl S Ethernet, Feldbussystemen, usw. einsetzbar.
Insbesondere kann das Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen ein Kommunikationsnetzwerk sein, bei welchem Daten seriell mit zwei verschiedenen Bitraten übertragbar sind. Es ist vorteilhaft, jedoch nicht zwangsläufige Voraussetzung, dass bei dem Bussystem 1 zumindest für bestimmte Zeitspannen ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff einer Teilnehmerstation 10, 20, 30 auf einen gemeinsamen Kanal gewährleistet ist.
Die Anzahl und Anordnung der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in dem Bussystem 1 der Ausführungsbeispiele ist beliebig. Insbesondere kann die Teilnehmerstation 20 in dem Bussystem 1 entfallen. Es ist möglich, dass eine oder mehrere der Teilnehmerstationen 10 oder 30 in dem Bussystem 1 vorhanden sind. Denkbar ist, dass alle Teilnehmerstationen in dem Bussystem 1 gleich ausgestaltet sind, also nur Teilnehmerstation 10 oder nur Teilnehmerstation 30 vorhanden sind.

Claims

Ansprüche
1) Teilnehmerstation (10; 20; 30) für ein serielles Bussystem (1), mit einer Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) zum Steuern einer Kommunikation der Teilnehmerstation (10; 20; 30) mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30) des Bussystems (1) und zum Erzeugen eines Sendesignals (TxD; TxDl; TxD2; TxD3; TxD4) gemäß einem Rahmen (450), einer Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32), die zum seriellen Senden des von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TxD; TxDl; TxD2; TxD3; TxD4) auf einen Bus (40) des Bussystems (1) ausgestaltet ist, und die zum seriellen Empfangen von Signalen von dem Bus (40) ausgestaltet ist, und einem Markiermodul (15; 35) zum Auswerten, ob ein vom Bus (40) empfangener Rahmen (450) auf dem Bus (40) Vorkommen darf oder nicht, und zum Markieren eines Rahmens (450), mit einer Markierung (48; 480) derart, dass die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 32) die Markierung (48; 480) auf den Bus (40) sendet, um das Ergebnis der Auswertung der mindestens einen anderen Teilnehmerstation (10; 30) des Bussystems (1) mitzuteilen.
2) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach Anspruch 1, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) zum Markieren eines Rahmens (450) ausgestaltet ist, der auf dem Bus (40) nicht Vorkommen darf.
3) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, durch Vergleich mit einer Liste auszuwerten, ob ein vom Bus (40) empfangener Rahmen (450) auf dem Bus (40) markiert werden muss oder nicht. 4) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, die Markierung (48) in den Rahmen (450) einzufügen, ohne dass der Rahmen (450) zerstört wird.
5) Teilnehmerstation (10; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Markiermodul (15; 35) ausgestaltet ist, die Markierung (48) in den Rahmen (450) nach einem Datenfeld (455) einzufügen, in dem Nutzdaten des Rahmens (450) eingefügt sind.
6) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, die Markierung (48) als Markierung mit einer zeitlichen Länge von N Bits in den Rahmen (450) einzufügen, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 1 ist.
7) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach Anspruch 6, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, die Länge der Markierung (48) abhängig davon auszuwählen, welche Bedeutung die Markierung (48) hat.
8) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, die Markierung (48) als inverses Bit in den Rahmen (450) an einer Position (NACK) einzufügen, die für die Teilnehmerstation (10; 20; 30) des Bussystems (1) vorgesehen ist, einen nicht korrekten Empfang des Rahmens (450) anzuzeigen, und wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, eine zeitlich längere Markierung (48) in den Rahmen (450) einzufügen als eine zeitliche Länge für die Anzeige des nicht korrekten Empfangs des Rahmens (450) in dem Rahmen (450) vorgesehen ist. 9) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach Anspruch 1 bis 3, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, die Markierung (480) nach dem Rahmen (450) einzufügen, ohne dass der Rahmen (450) zerstört wird.
10) Teilnehmerstation (10; 30) nach Anspruch 9, wobei das Markiermodul (15; 25; 35) ausgestaltet ist, die Markierung (480) nach dem Rahmen (450) beginnend mit dem zweiten Bit eines Zwischenrahmenabstands (458) einzufügen.
11) Teilnehmerstation (10; 30) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Markierung (480) eine größere Länge hat als die maximale Länge einer Überlastkennung, die in dem Zwischenrahmenabstand (458) gesendet werden kann.
12) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum seriellen Senden eines von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TxD; TxDl; TxD2; TxD3; TxD4) auf einen Bus (40) des Bussystems (1) derart ausgestaltet ist, dass sich für den Rahmen (450) die Bitzeit (t_btl) des in einer ersten Kommunikationsphase (451) auf den Bus (40) gesendeten Signals unterscheiden kann von einer Bitzeit (t_bt2) des in einer zweiten Kommunikationsphase (452) gesendeten Signals.
13) Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (450) kompatibel zu CAN FD aufgebaut ist, und wobei in einer ersten Kommunikationsphase (451) ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen (10, 20, 30) des Bussystems (1) in einer nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase (452) einen zumindest zeitweise exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus (40) bekommt. 14) Bussystem (1), mit einem Bus (40), und mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30), welche über den Bus (40) derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können und von denen mindestens eine Teilnehmerstation (10; 30) eine Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der vorangehenden Ansprüche ist.
15) Verfahren zur Kommunikation in einem seriellen Bussystem (1), wobei das Verfahren mit einer Teilnehmerstation (10; 20; 30) des Bussystems (1) ausgeführt wird, die eine Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21;
31), eine Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32) und ein Markiermodul (15; 35) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist,
Steuern, mit der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31), einer Kommunikation der Teilnehmerstation (10; 20; 30) mit mindestens einer anderen Teilnehmerstation (10; 20; 30) des Bussystems (1), wobei die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) zum Erzeugen eines Sendesignals (TxD; TxDl; TxD2; TxD3; TxD4) gemäß einem Rahmen (450) ausgestaltet ist, seriell Senden, mit der Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22; 32), eines von der Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) erzeugten Sendesignals (TXD) auf einen Bus (40) des Bussystems (1), seriell Empfangen, mit der Sende-/Empfangseinrichtung (12; 22;
32), von Signalen von dem Bus (40) des Bussystems (1),
Auswerten, mit dem Markiermodul (15; 35), ob ein vom Bus (40) empfangener Rahmen (450) auf dem Bus (40) Vorkommen darf oder nicht, und
Markieren, mit dem Markiermodul (15; 35), eines Rahmens (450), mit einer Markierung (48; 480) derart, dass die Sende- /Empfangseinrichtung (12; 32) die Markierung (48; 480) auf den Bus (40) sendet, um das Ergebnis der Auswertung der mindestens einen anderen Teilnehmerstation (10; 30) des Bussystems (1) mitzuteilen.
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