本發(fā)明涉及一種在CAN總線上傳輸IP報文的方法，利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建IP局域網(wǎng)的方法，屬于網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通訊技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

CAN總線介紹：

傳統(tǒng)上CAN(Controller Area Network,ISO 11898)網(wǎng)絡(luò)是一種用于局域性實時控制的網(wǎng)絡(luò)，在交通工具、智能建筑和工業(yè)現(xiàn)場有較多應(yīng)用，特別在汽車領(lǐng)域目前是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。CAN總線使用一對雙絞線連接多個節(jié)點，任意節(jié)點之間均可進行通訊。

CAN總線上的數(shù)據(jù)幀(CAN Frame)主要包含這些信息：報文ID(Message ID)、數(shù)據(jù)長度字段(DLC，Data Length Code)、數(shù)據(jù)域(Data)，其中數(shù)據(jù)域為0到8個字節(jié)。當(dāng)總線空閑時，任意節(jié)點均可發(fā)送數(shù)據(jù)幀，當(dāng)兩個或多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，通過總線上的競爭機制，報文ID最小的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先發(fā)送，其余的數(shù)據(jù)幀延遲到總線再次空閑時進行發(fā)送。

在CAN網(wǎng)絡(luò)中不存在節(jié)點“地址”的概念。每個節(jié)點將自身的數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上?？偩€上的任意節(jié)點均能夠接收到總線上的全部數(shù)據(jù)幀。根據(jù)本節(jié)點的功能需求，每個節(jié)點對這些數(shù)據(jù)幀進行過濾，僅對自身關(guān)心的數(shù)據(jù)幀進行處理。

在CAN網(wǎng)絡(luò)上不同節(jié)點之間的競爭機制，依賴于不同數(shù)據(jù)幀報文ID的差異。因此一個設(shè)計良好的CAN網(wǎng)絡(luò)上，任意兩個節(jié)點不應(yīng)發(fā)出相同報文ID的數(shù)據(jù)幀。CAN網(wǎng)絡(luò)上的報文ID分為11位(標(biāo)準(zhǔn)格式，Standard Format)和29位(擴展格式，Extended Format)兩種格式。在同一個網(wǎng)絡(luò)中，可以同時使用這兩種格式的CAN數(shù)據(jù)幀。

IP局域網(wǎng)：

IP(Internet Protocol)局域網(wǎng)(LAN，Local Area Network)是互聯(lián)網(wǎng)的最小網(wǎng)絡(luò)。一般意義上，在一個IP局域網(wǎng)中，所有主機處于相同的網(wǎng)段，互相之間能夠直接進行通訊，而不需要路由器進行轉(zhuǎn)發(fā)。IP局域網(wǎng)的類型有很多種，目前最常見的 是以太網(wǎng)(Ethernet)。由以太網(wǎng)構(gòu)成的IP局域網(wǎng)中，各主機(host)通過以太網(wǎng)線鏈接到中央的交換機(switch)或集線器(hub)。

在IP網(wǎng)絡(luò)中每一個主機的每一個接口必須擁有至少一個IP地址(IP Address)。IP報文中包含有報文的源地址和目的地址，源地址是數(shù)據(jù)的發(fā)送方，目的地址是數(shù)據(jù)的接收方。當(dāng)一個主機需要向另一個主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，它必須知曉目的主機的IP地址，也就是IP報文的目的地址。通常IP報文的目的地址是由發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)用層程序指定的。

如果IP數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方不在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，中間應(yīng)該有一個或多個路由器負責(zé)進行報文的轉(zhuǎn)發(fā)。路由器是一類特殊的主機，有兩個或更多的接口，可在不同接口之間轉(zhuǎn)發(fā)IP報文。每個路由器上存在一個路由表，根據(jù)報文的目的地址，在路由表中查找這個報文的發(fā)送接口和下一跳主機的IP地址。

主機的以太網(wǎng)接口還必須擁有自己的物理地址(MAC Address，Media Access Control)。當(dāng)IP報文經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸時，通過ARP(Address Resolution Protocol)協(xié)議查找出IP報文下一跳的IP地址所對應(yīng)主機的物理地址。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，目的物理地址會附帶在報文之前。報文以定向(使用交換機)或廣播(使用集線器)的方式發(fā)送出去，接收方只接收目的物理地址與自身物理地址匹配的報文，其他報文被丟棄。

以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀中還包含報文發(fā)送方的物理地址，稱為源物理地址。報文的目的物理地址和源物理地址同時參與網(wǎng)絡(luò)競爭，由于每臺主機的物理地址都不相同，因此即使多臺主機同時發(fā)送目的物理地址相同的報文，網(wǎng)絡(luò)競爭機制也能夠順利達成。

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，汽車上已經(jīng)出現(xiàn)了能夠通過無線通訊鏈接到互聯(lián)網(wǎng)的裝置，如果能夠?qū)⑵嚿系钠渌刂破饕策B接到互聯(lián)網(wǎng)，將會極大的拓展整車的智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平。

但是一般的(商業(yè)或消費級)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)均無法滿足整車使用條件下的環(huán)境和可靠性要求，而滿足汽車相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)成本仍居高不下，在汽車行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗極為欠缺，導(dǎo)致車載以太網(wǎng)只能應(yīng)用在少數(shù)高端豪華的轎車上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種在CAN總線上傳輸IP報文的方法及利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 的IP局域網(wǎng)，其利用車上現(xiàn)有的CAN總線網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成一個IP局域網(wǎng)，在維持硬件成本不變的前提下，給CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供互聯(lián)網(wǎng)連接的能力。

本發(fā)明內(nèi)容涉及IP報文的傳輸。本發(fā)明解決了在現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)上傳輸IP報文的問題，賦予車內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點訪問互聯(lián)網(wǎng)的能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種在CAN總線上傳輸IP報文的方法，基于ISO 15765-2的協(xié)議在CAN總線上傳輸IP報文，采用如下方法：

a)為實現(xiàn)利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)進行IP通訊，為參與通訊的各方分配至少一個物理地址；

b)各主機使用ISO 15765-2所定義的方法來傳輸IP報文，通訊時所使用的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID由局域網(wǎng)描述字加上通訊雙方的物理地址組成；

c)每個參與通訊的節(jié)點建立一個從目標(biāo)IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表。

進一步地，為每一個需要加入IP局域網(wǎng)的CAN總線節(jié)點分配物理地址的方法為：

a)物理地址是一串固定長度的二進制編碼；

b)物理地址長度小于所使用的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID長度的一半，即如果使用標(biāo)準(zhǔn)格式CAN數(shù)據(jù)幀來傳輸IP報文，物理地址長度最長為5；如果是使用擴展格式CAN數(shù)據(jù)幀來傳輸IP報文，物理地址長度最長為14；

c)物理地址長度最小為2；

d)每個節(jié)點可選擇的物理地址取值范圍為十進制的0至2ⁿ-2，n為物理地址長度；

e)十進制的2ⁿ-1，n為物理地址長度，也就是二進制的全1，不應(yīng)分配給任意節(jié)點，這個數(shù)值保留用于未來的其他用途；

f)當(dāng)一組CAN節(jié)點被分配至同一IP局域網(wǎng)時，它們的物理地址長度應(yīng)相同，任意兩個節(jié)點之間的物理地址取值均應(yīng)不同；

g)每一個CAN節(jié)點可以擁有多個物理地址，這些物理地址可用于加入一個IP局域網(wǎng)或多個IP局域網(wǎng)，加入同一個IP局域網(wǎng)的多個物理地址長度相同，且取值不同。

進一步地，所述的物理地址長度符合：如果使用標(biāo)準(zhǔn)格式CAN數(shù)據(jù)幀，即使用報文ID長度為11位的CAN數(shù)據(jù)幀，來傳輸IP報文，則物理地址長度最長為5； 如果是使用擴展格式CAN數(shù)據(jù)幀，即報文ID長度為29位的CAN數(shù)據(jù)幀，來傳輸IP報文，物理地址長度最長為14。

進一步地，利用ISO 15765-2所規(guī)定之協(xié)議，在CAN總線上傳輸IP報文：

a)在IP協(xié)議棧中增加一個鏈路層接口，當(dāng)IP層通過此接口收發(fā)IP報文時，IP報文通過ISO 15765-2所規(guī)定的協(xié)議在CAN總線上傳輸；

b)當(dāng)通過ISO 15765-2所規(guī)定的協(xié)議在CAN總線上傳輸IP報文時，所使用的CAN數(shù)據(jù)幀ID由局域網(wǎng)描述字和收發(fā)雙方的物理地址組成；

進一步地，為每一個加入IP局域網(wǎng)的CAN節(jié)點建立一個從目標(biāo)IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表，該轉(zhuǎn)換表中包含了所有IP局域網(wǎng)中其他節(jié)點的IP地址與物理地址的對應(yīng)關(guān)系。

進一步地，報文接收過程為：某個節(jié)點接收到一個CAN數(shù)據(jù)幀后，應(yīng)首先判斷報文ID中的局域網(wǎng)描述字是否與自身所處的局域網(wǎng)相同，并且目的物理地址是否等于自身的物理地址；如果局域網(wǎng)描述字和目的物理地址均與本節(jié)點相符，應(yīng)將該CAN數(shù)據(jù)幀視為承載IP報文的TP協(xié)議報文并送入TP協(xié)議處理，經(jīng)過TP協(xié)議接收到所有后續(xù)幀之后，TP協(xié)議將組裝好的IP報文通過IP層的收到IP報文接口上送到IP層。

一種利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的IP局域網(wǎng)，各主機使用ISO 15765-2所定義的方法來傳輸IP報文，采用以下傳輸方法：

S1：為參與通訊的各方分配至少一個物理地址；每個參與通訊的節(jié)點建立一個從目標(biāo)IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表；

S2：通訊時所使用的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID由局域網(wǎng)描述字加上數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡匚锢淼刂芬约皵?shù)據(jù)傳輸?shù)脑次锢淼刂方M成。

進一步地，為每一個需要加入IP局域網(wǎng)的CAN總線節(jié)點分配物理地址的方法為：

a)物理地址是一串固定長度的二進制編碼；

b)物理地址長度小于所使用的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID長度的一半，即如果使用標(biāo)準(zhǔn)格式CAN數(shù)據(jù)幀來傳輸IP報文，物理地址長度最長為5；如果是使用擴展格式CAN數(shù)據(jù)幀來傳輸IP報文，物理地址長度最長為14；

c)物理地址長度最小為2；

d)每個節(jié)點可選擇的物理地址取值范圍為十進制的0至2ⁿ-2，n為物理地址長 度；

e)十進制的2ⁿ-1，n為物理地址長度，也就是二進制的全1，不應(yīng)分配給任意節(jié)點，這個數(shù)值保留用于未來的其他用途；

f)當(dāng)一組CAN節(jié)點被分配至同一IP局域網(wǎng)時，它們的物理地址長度應(yīng)相同，任意兩個節(jié)點之間的物理地址取值均應(yīng)不同；

g)每一個CAN節(jié)點可以擁有多個物理地址，這些物理地址可用于加入一個IP局域網(wǎng)或多個IP局域網(wǎng)，加入同一個IP局域網(wǎng)的多個物理地址長度相同，且取值不同。

進一步地，報文接收過程為：某個節(jié)點接收到一個CAN數(shù)據(jù)幀后，應(yīng)首先判斷報文ID中的局域網(wǎng)描述字是否與自身所處的局域網(wǎng)相同，并且目的物理地址是否等于自身的物理地址；如果局域網(wǎng)描述字和目的物理地址均與本節(jié)點相符，應(yīng)將該CAN數(shù)據(jù)幀視為承載IP報文的TP協(xié)議報文并送入TP協(xié)議處理，經(jīng)過TP協(xié)議接收到所有后續(xù)幀之后，TP協(xié)議將組裝好的IP報文通過IP層的收到IP報文接口上送到IP層。

進一步地，利用ISO 15765-2所規(guī)定之協(xié)議，在CAN總線上傳輸IP報文：

a)在IP協(xié)議棧中增加一個鏈路層接口，當(dāng)IP層通過此接口收發(fā)IP報文時，IP報文通過ISO 15765-2所規(guī)定的協(xié)議在CAN總線上傳輸；

b)當(dāng)通過ISO 15765-2所規(guī)定的協(xié)議在CAN總線上傳輸IP報文時，所使用的CAN數(shù)據(jù)幀ID由局域網(wǎng)描述字和收發(fā)雙方的物理地址組成。

建議當(dāng)局域網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)量超過2時，各節(jié)點對ISO 15765-2的實現(xiàn)應(yīng)能夠支持同一時間的多路會話，以便于同時與多個目標(biāo)通訊。

附圖說明

圖1是ISO 15765-2所定義的用多個CAN數(shù)據(jù)幀傳輸一個大數(shù)據(jù)分組的方法；

圖2是本發(fā)明應(yīng)用ISO 15765-2所定義的協(xié)議傳輸IP報文時確定標(biāo)準(zhǔn)格式CAN數(shù)據(jù)幀報文ID的示意圖；

圖3是本發(fā)明應(yīng)用ISO 15765-2所定義的協(xié)議傳輸IP報文時確定擴展格式CAN數(shù)據(jù)幀報文ID的示意圖；

圖4是本發(fā)明所描述的內(nèi)容在IP協(xié)議棧中的位置；

圖5是本發(fā)明的利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的IP局域網(wǎng)的步驟圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步地說明：

地址分配：

當(dāng)一個CAN總線上的節(jié)點加入到IP局域網(wǎng)時，除了其自身必須擁有一個IP地址外，還必須給它分配一個物理地址。

一個物理地址是一串二進制編碼，其長度小于CAN數(shù)據(jù)幀報文ID長度的一半。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)格式(11位報文ID)CAN數(shù)據(jù)幀傳輸IP報文時，物理地址最長為5位；當(dāng)使用擴展格式(29位報文ID)CAN數(shù)據(jù)幀傳輸IP報文時，物理地址最長為14位。無論使用何種CAN數(shù)據(jù)幀格式，物理地址的最小長度為2位。當(dāng)一個節(jié)點的物理地址長度為n位時，可使用0到2ⁿ-2(10進制，n為物理地址長度)作為它的物理地址。2ⁿ-1(2進制的全1，n為物理地址長度)作為一個特殊的物理地址，不應(yīng)當(dāng)分配給任意一個節(jié)點。

在一個CAN網(wǎng)絡(luò)中，可以組成多個IP局域網(wǎng)。在同一個IP局域網(wǎng)中，必須使用相同格式的CAN數(shù)據(jù)幀來傳輸IP報文。即，要么所有節(jié)點都使用標(biāo)準(zhǔn)格式CAN數(shù)據(jù)幀，要么所有節(jié)點都使用擴展格式CAN數(shù)據(jù)幀。此外同一個IP局域網(wǎng)中的所有節(jié)點必須使用相同長度的物理地址，同一個IP局域網(wǎng)中的任意兩個節(jié)點物理地址均不相同。

TP協(xié)議與CAN數(shù)據(jù)幀的報文ID定義：

ISO 15765-2定義了一種使用多個CAN數(shù)據(jù)幀來傳輸一個較大數(shù)據(jù)分組的方法，簡稱為TP協(xié)議。用這個方法可將最大4095字節(jié)的數(shù)據(jù)從一個CAN節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點。TP協(xié)議的通訊過程大致如圖1所示，更詳細的內(nèi)容請參考該標(biāo)準(zhǔn)的原始文件。

TP協(xié)議所定義的傳輸方式必須為通訊的雙方定義一對CAN數(shù)據(jù)幀的報文ID，即報文ID為x的CAN數(shù)據(jù)幀和報文ID為y的CAN數(shù)據(jù)幀。通訊雙方中的一方發(fā)送報文ID為x的CAN數(shù)據(jù)幀并接收報文ID為y的CAN數(shù)據(jù)幀，另一方發(fā)送報文ID為y的CAN數(shù)據(jù)幀并接收報文ID為x的CAN數(shù)據(jù)幀。

前文所述，每個CAN節(jié)點都已經(jīng)擁有了一個物理地址，當(dāng)應(yīng)用TP協(xié)議來傳輸IP報文時，通訊雙方使用局域網(wǎng)描述字和物理地址來組成CAN數(shù)據(jù)幀的報文ID：

TP協(xié)議發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID＝局域網(wǎng)描述字+目的物理地址+源物理地址

如圖2所示，假設(shè)節(jié)點A的物理地址為m，節(jié)點B的物理地址為n。那么節(jié)點A和節(jié)點B通訊時的報文ID定義為:

A發(fā)往B的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID：x＝局域網(wǎng)描述字+n+m

B發(fā)往A的CAN數(shù)據(jù)幀報文ID：y＝局域網(wǎng)描述字+m+n

局域網(wǎng)描述字由具體的實現(xiàn)者定義，用于將傳輸IP報文的CAN數(shù)據(jù)幀與其他CAN數(shù)據(jù)幀區(qū)分開，并標(biāo)明所屬的IP局域網(wǎng)。在同一個IP局域網(wǎng)中的節(jié)點使用相同的局域網(wǎng)描述字。在同一個CAN網(wǎng)絡(luò)中可以定義多個局域網(wǎng)描述字，這樣可在單一CAN網(wǎng)絡(luò)中建立多個IP局域網(wǎng)。同樣的，一個CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可使用多個不同局域網(wǎng)描述字來加入多個不同的IP局域網(wǎng)，此時該CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)視為具有多個IP接口。

報文發(fā)送過程：

如圖3，本發(fā)明所描述的方法為IP協(xié)議棧增加了一種新的鏈路層協(xié)議。該鏈路層實際上是用TP協(xié)議來將IP報文拆分成多個CAN數(shù)據(jù)幀，這些CAN數(shù)據(jù)幀的報文ID按照前文描述的方式設(shè)定。這種新的鏈路層在IP協(xié)議棧中表現(xiàn)為一個鏈路層接口。

IP層在發(fā)送IP報文時，根據(jù)報文中的目的地址在路由表中查找該報文的發(fā)送接口和下一跳IP地址。當(dāng)發(fā)送接口為本發(fā)明所定義的接口時，按照前文所定義的規(guī)則設(shè)定CAN數(shù)據(jù)幀的報文ID。此處應(yīng)建立一個地址轉(zhuǎn)換表，用于將下一跳IP地址轉(zhuǎn)換為其對應(yīng)的目的物理地址，并以此作為將要發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)幀的目的物理地址，而本節(jié)點的物理地址作為源物理地址，再加上預(yù)定義的局域網(wǎng)描述字，就可組成完整的CAN數(shù)據(jù)幀ID。之后可通過更底層的CAN驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

這里描述的“地址轉(zhuǎn)換表”指的是建立一種從IP地址到物理地址的對應(yīng)關(guān)系，在實現(xiàn)時可能不是以“表格”的形式，而是以其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或過程調(diào)用的形式存在。這個地址轉(zhuǎn)換表在設(shè)計上應(yīng)保證能夠盡快的用IP地址找到對應(yīng)的物理地址。

在某些IP協(xié)議棧的實現(xiàn)中，要求鏈路層必須將發(fā)送狀態(tài)上報。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)將發(fā)送成功或發(fā)送失敗的信息上報給IP層。判斷發(fā)送成功或失敗的方法在ISO15765-2中有定義。

如果在TP層正在發(fā)送一幀IP報文期間，IP層再次發(fā)送另一幀IP報文，分為兩種情況：

a.如果新的報文和當(dāng)前正在發(fā)送報文的下一跳相同(也就是目的物理地址相 同)，此時可以有兩種選擇：將新的報文直接丟棄(并上報發(fā)送失敗，如果需要)，或者將新的報文在隊列中緩存，等當(dāng)前報文發(fā)送成功后再發(fā)送新報文；

b.如果新的報文和當(dāng)前正在發(fā)送報文的下一跳不同，此時可以有三種選擇：1.將新的報文直接丟棄(并上報發(fā)送失敗，如果需要)；2.將新的報文在隊列中緩存，等當(dāng)前報文發(fā)送成功后再發(fā)送新報文；3.可直接啟動一個新的TP會話來發(fā)送新的IP報文，在這種情況下，TP協(xié)議必須支持同一時刻的多路會話。

報文接收過程：

某個節(jié)點接收到一個CAN數(shù)據(jù)幀后，應(yīng)首先判斷報文ID中的局域網(wǎng)描述字是否與自身所處的局域網(wǎng)相同，并且目的物理地址是否等于自身的物理地址。如果局域網(wǎng)描述字和目的物理地址均與本節(jié)點相符，應(yīng)將該CAN數(shù)據(jù)幀視為承載IP報文的TP協(xié)議報文。并送入TP協(xié)議處理。經(jīng)過TP協(xié)議接收到所有后續(xù)幀(ConsecutiveFrame，見ISO15765-2)之后，TP協(xié)議將組裝好的IP報文通過IP層的“收到IP報文”接口上送到IP層。

TP協(xié)議的實現(xiàn)應(yīng)當(dāng)允許雙工通訊，即可以分別同時發(fā)送和接收不同的IP報文。

由上述報文的發(fā)送和接收過程可知，在一個CAN網(wǎng)絡(luò)中，如果有超過2個節(jié)點需要組成IP局域網(wǎng)，那么用于承載IP報文的TP協(xié)議應(yīng)當(dāng)支持同一時刻的多路會話功能，即可以同時與多個通訊目標(biāo)進行通訊。有關(guān)TP協(xié)議支持同一時刻的多路會話的內(nèi)容在ISO 15765-2中有詳細定義。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本案的技術(shù)方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本案進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本案的具體實施方式進行修改或者對部分技術(shù)特征進行等同替換；而不脫離本案技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本案請求保護的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。