關(guān)于車用迢信協(xié)議中的假冒錯

摘要 假冒錯是指一條消息被誤收為另一條消息，它有很大的危害性。本文討論了產(chǎn)生此類錯的可能原因，分析了FlexRay協(xié)議對抗假冒錯的機(jī)制，針對CAN協(xié)議提出了一種解決方案。在無需增加軟硬件的條件下，CAN協(xié)議也可以獲得良好的抗假冒錯能力，對CAN協(xié)議在安全性要求高的系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要的價值。
關(guān)鍵詞 假冒錯 FlexRay CAN

在嵌入式系統(tǒng)里，通信是骨干部分，通信系統(tǒng)的錯會引起整個嵌入式系統(tǒng)的故障。在通信系統(tǒng)里，假冒錯(Masquerade fault)是指一種冒名頂替性質(zhì)的故障，即發(fā)送時的一條消息被誤收為另一種格式上合法的消息。此種錯的后果顯然是不能接受的，因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)會把完全無關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，例如把制動踏板的位置解釋為加速踏板的位置。在這種類型的應(yīng)用中，由于控制方案對信號的突變有安全設(shè)計，機(jī)器本身的慣性也有濾波的效果，而且在很短的周期內(nèi)又有正確的消息送來，在大多數(shù)情況下除了造成不適感覺外，不會造成很嚴(yán)重的后果。但如果這是會影響到最終執(zhí)行的信號，那么如果在需要剎車時變?yōu)榧佑?，就會造成事故。在有些平時信號更新較慢的系統(tǒng)里，誤信號也可能造成新的問題。例如為了在啟動瞬間防止電池電壓跌落過大，要錯開負(fù)荷，像汽車把空調(diào)暫時關(guān)閉，若誤認(rèn)為是打開信號，就會違背設(shè)計意圖，造成新的干擾源。又如行車中誤開車鎖，則會帶來新的風(fēng)險。診斷系統(tǒng)中的誤信號也會帶來令人難以解釋的現(xiàn)象，浪費(fèi)維修的人力物力，且損害品牌的聲譽(yù)。在安全攸關(guān)的需要冗余的系統(tǒng)里，這種冒名錯會使表決機(jī)制失效。因此對車用通信協(xié)議中的假冒錯進(jìn)行研究有重要的意義，它是解決車用嵌入式系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵之一?，F(xiàn)有的主流車內(nèi)通信協(xié)議是CAN，它還沒有采用足夠的措施可對抗假冒錯。新的FlexRay協(xié)議有了這方面的措施，但是否足夠還有待商榷。

1 假冒錯
一條消息在整個發(fā)送／接收的過程中會受到干擾，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)位的改變。為了不被誤收，現(xiàn)有的通信協(xié)議都有一些檢錯的措施，例如在傳送的幀尾部附加校驗(yàn)數(shù)據(jù)。一般來說，較多采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)方法，CRC生成多項(xiàng)式的長度與需要的檢錯Hamming距離以及需要處理的數(shù)據(jù)長度有關(guān)。CRC算法的Hamming距離是指碼MIDP2．O基礎(chǔ)上擴(kuò)充實(shí)現(xiàn)了JSRl20、JSRl35部分功能。該平臺已經(jīng)在多款MTK6225平臺手機(jī)上運(yùn)行。字中無法用CRC算法檢測出的出錯位的個數(shù)。因此一個協(xié)議選用的CRC多項(xiàng)式反映了它要保證的Hamming距離。如果發(fā)生的位錯誤太多，CRC檢驗(yàn)會產(chǎn)生漏判，把錯誤幀判為正常幀。例如CAN協(xié)議采用的15位CRC生成多項(xiàng)式在CAN的最大數(shù)據(jù)幀長度內(nèi)Hamming距離為6。即CRC可檢驗(yàn)幀內(nèi)5位錯誤。不過CAN的CRC是在去掉填充位后計算的，由于填充位而造成Hamming距離下降是一個設(shè)計上的失誤，這在后面介紹。
當(dāng)考慮假冒錯時，要分析漏檢的情況。第一種是干擾時間很長，出錯位數(shù)太多，超出了CRC檢驗(yàn)的能力；第二種是通信控制器在發(fā)幀以前數(shù)據(jù)已有變化，而變化后的數(shù)據(jù)有了合法的身份，CRC檢驗(yàn)只是保證這一假冒者不被錯發(fā)。在這二種情況下，都可能產(chǎn)生假冒錯。在CAN中如果數(shù)據(jù)位錯誤發(fā)生在消息的ID部分就產(chǎn)生了假冒錯，就有可能把剎車當(dāng)成加油。下面進(jìn)一步討論產(chǎn)生假冒錯的情況。
1．1 數(shù)據(jù)傳送鏈
從數(shù)據(jù)的產(chǎn)生到數(shù)據(jù)的利用的角度來看，通信不只是由一個通信控制器(cc)到另一個通信控制器的過程，它還包括由主機(jī)(host)到通信控制器的來回過程，這個過程同樣會出錯。一般的通信干擾分析大多數(shù)著眼于來自空間的幅射干擾對串行傳輸?shù)挠绊懀@當(dāng)然是很重要的途徑，但在采取一定措施后，可以得到緩解，例如用屏蔽電纜、雙絞線、屏蔽的ECU外殼等。在汽車環(huán)境里電源的傳導(dǎo)干擾很大，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7637列出了典型的傳導(dǎo)干擾形式，它們的波形上升或下降沿很陡，不但在正電壓方向超出電源電壓很多倍，而且會在負(fù)電壓方向超出很多倍。電源的用)程序走飛的例子常有所聞，這說明在電源部分防范不夠的主機(jī)，完全有可能失常，包括將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絚c的過程。所以車用控制器組件要通過抗電源傳導(dǎo)干擾的測試。大部分host到cc的傳送用的是并行方式，例如以字節(jié)方式把內(nèi)容(ID、數(shù)據(jù)等)寫入cc的有關(guān)寄存器里。也有少數(shù)采用串行方式，例如Microchip公司的MCP2515型號CAN通信控制器，它采用SPI串行接口來傳送。即使將來大量使用32位MCU，這二種方式很可能依然會并存：帶cc的host在MCU內(nèi)部用字節(jié)交換數(shù)據(jù)；分立的host與cc可以采用并行或串行方式。但是host在計算時用的最小單位是字節(jié)，即使用串口送到cc，它也要有用并行方式寫入的部分。當(dāng)電源傳導(dǎo)干擾引起傳送失常時，這二種傳送可能出錯的位數(shù)是不同的。由于并行方式時l字節(jié)8位同時受干擾，出錯的位數(shù)就較多，其后果看來就像突發(fā)錯(burst error)。串行時可能先錯一位，但如果干擾的持續(xù)時間長，就可能形成多位錯，其后果也是突發(fā)錯。當(dāng)然，一般host并行讀寫的過程較快，同樣的干擾持續(xù)時間內(nèi)可能有多次寫入，出錯就較多。
對于空間干擾，例如電磁場或重粒子流干擾，對傳送出錯的影響與上述分析不同，需要進(jìn)一步研究，但后果是一樣的。
1．2 出錯位數(shù)
既然大部分host到cc的傳送總經(jīng)過并行方式，那么非常短時的干擾有可能引起的錯就是1個字節(jié)的錯。并行傳送時由于各位線路電路結(jié)構(gòu)的同一性，同一極性信號的出錯可能性相同，不同極性信號則不太可能同時翻轉(zhuǎn)，所以傳送內(nèi)容的不同會影響出錯位數(shù)。此時最壞的情形就是8位全為1或全為O，同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)。Host寫一條消息一般不止寫1字節(jié)到cc。由此看來，對抗假冒錯的CRC Hamming距離最好為9。當(dāng)然，即使能保證8位錯能檢出，由于要保護(hù)的數(shù)據(jù)不止1字節(jié)，這種對抗假冒錯的CRC只是消除了一次干擾。從實(shí)際數(shù)據(jù)來看全O或全1的數(shù)據(jù)只占極少數(shù)，所以較小的Hamming距離仍有較大的攔截錯誤的概率。