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计算机标准与接口

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出版社：ELSEVIER

CAN与内联网的无缝集成

Gianluca Cena ^a, Ivan Cibrario Bertolotti ^a,*, Tingting Hu ^a,b,*, Adriano Valenzano ^a

^a CNR—意大利国家理事会，IEIIT, c.so Duca degli Abruzzi 24，1-10129 都灵，意大利

^b都灵理工大学，控制与计算机工程系，c.so Duca degli Abruzzi 24，1-10129 都灵，意大利

文章信息

文章历史︰

接收 2014 年 9 月 12 日，

修改后接收 2015 年 10 月 29 日，

接受 2015 年 11 月 1 日，

提供在线 2016 年 1 月 15 日。

摘要

现今，控制器局域网络（CAN）在内联网的嵌入式系统中非常流行，而另一方面，内联网在办公室、家庭和工厂环境中也普遍存在。因此，互联网协议（IP）是保证在不同系统的设备之间交换任意种类信息的粘合剂。

本文就CAN总线网络架构无缝集成于内部网络中进行描述。为满足灵活性和可扩展性的关键设计要求，需要构思适宜于繁杂应用的全面解决方案。本文实现了设计原型的测试，以确认架构的可行性，并评估其性能的可实现性。

关键词：IP协议整合；分布式实时系统；控制器局域网

1 简介

CAN是为实现汽车领域实时通信而设计的协议，它不仅成功地成为连接汽车、卡车和其他车辆电子控制单元（ECU）的“实际”标准，而且它在工厂自动化和网络化嵌入式系统取得了良好的拓展。

CAN成本低廉但是十分稳定，现今大量微控制器中都嵌入一个或多个CAN控制器，这使得CAN通信技术极具成本效益。不幸的是，因为影响它的网络扩展和传输速度的限制（1 Mb / s的最长传输距离短于40 m），在它与新的解决方案斗争的步伐中未能跟上。相反地，实时以太网（RTE）网络可以100Mb / s运行，这比CAN比至少要高两个数量级。因此，它可以被认为是最适合于要求非常低的实施和部署成本，同时需要良好的可靠性的应用领域。例如，它是在内联网的嵌入式系统中日益普及。

在过去的十年里，自动化的世界经历了从工业通信到现场总线到RTE解决方案的渐进举措。除了在性能上的显性增加，特别是网络的吞吐量，RTE技术通常用于以太网和IP两级无缝（非实时）连接现场设备。这利于实现车间的实时控制系统和自动化上层应用之间一个前所未有程度的集成，例如制造执行系统（MES）和企业资源规划（ERP）。目前类似的情况在其他应用领域同样存在，例如配电系统和车辆系统。

到目前为止，CAN一直没有明显受此影响的趋势，主要是因为它依赖于一个非常简单的协议，是有针对性地对汽车和网络化嵌入式系统廉价连接的设备。然而，对于前面提到的原因，统一的、既定的措施是越来越需要实现CAN总线连接到工厂和大楼的通信基础设施，这通常依赖于内联网技术的设备之间更深层次的集成。

分布式控制的应用可以通过在更高级别的网络中集成CAN设备，以获得的实实在在的好处，而这些仅仅是其中之一的例子。事实上，CAN可以被利用来提供一种可用于使设备在线状态监测的网络连接。例如，传感器旨在测量多个参与了纠正和预防性维护量（热，红外，声，振动等）可以使用现有的大多数微控制器内置的CAN控制器实现简易、廉价的互连。在这些情况下，交换的数据通常不具有任何特定的实时要求，而适当程度的灵活性（用IP保证）和稳定性（通过CAN授予）是非常需要的。将采用CAN和电力线通信（PLC）合并，可以减少整体连接所需的大幅度的成本。

很显然，通过累加相关子系统（例如，一个连接到CAN总线中的传感器数据）在企业通信中有效地收集所有可能连同其它环境测量维护信息的有关能力，很可能以减少停机时间，实现更高的设备的可用性。

CAN实现基于IP通信的想法并不新鲜。互联网草案定义了CAN传输的IP数据包，包括解决问题的协议，实现因特网的网关和CAN原型之间的一个描述。然而，实现基于Linux PC很可能不易适用于嵌入式系统中，这就使得资源受限。针对车辆系统可以在实际的嵌入式设备运用两种不同的方法实现IP共存。其中，现今提出了一个过渡方案，通过（无线）IP网络为汽车测试应用转发CAN帧，而这一点正于本文提出方案的相反。另一个提出的方法仅支持一个单一的IPharr;CAN网关，而不是多个，从而可能不能强制网络拓扑。此外，它是基于自定义IP协议栈，并根据在本文中所示的实验结果，由于软件或硬件性能限制，似乎无法充分利用CAN总线的带宽。

上述的方法主要用于在涉及能够发送数据包协议的所有情况下。相反地，本文主要侧重于整个网络架构，以其允许CAN总线（以及相关的设备）进行无缝连接到内联网（例如，工厂的主链）和因特网为目的。

驱使这一设计的首要需求就是灵活性。除了支持端节点之间的IP通信，还能预测以太网帧的发送，这能够对交换机端口进行设置。特别是定义和允许了一个基于CAN（传递协议）透明层叠体的以太网（有效载荷协议）多点通道。而这样做通常是没有意义的，但有时也需要支持，以便不依赖于IP地址。例如，像发现该接入点链路层协议（LLDP）或连接设备的数据链路层工作协议。

第二个关键要求是可扩展性。在最简单的情况下，CAN节点通过简单的路由器连接到内部网。两个节点和路由器可以通过使用适用、廉价的开放源码软件来实现（例如，lwIP）。相反，对于定义更复杂的系统则适合交换机，它允许桥接网络，通过无缝互连总线CAN，以太网链路，以及基于Wi-Fi无线扩展部署。

本文构架如下：在第2节引入网络架构，而第3节描述用于在CAN实现数据交换传输协议，第4和第5目前的来各种形式，分别实现在以太网和IP层的通信。在第6的原型实现的描述和第7节讨论了它的性能。

2 CAN和内联网的集成

集成是每一个现代自动化系统的关键要求。到这个程度，信息流必须不仅在同一子系统（水平整合）的设备之间，也位于自动化金字塔不同高度（垂直整合）的系统之间。特别是基于现场总线技术专门用于车间实时控制，以及那些用来进行非实时维护的系统，必须能够与管理IP为基础的一级网络互动。所得互联系统可能是相当复杂的，除了实时网络骨干，无线LAN，并且还包括公共数据网络，以支持远程（非实时）连接。例如虚拟自动化网络中描述（VAN）的项目，这种情况下，就像适用于考虑基于CAN的系统。在这种情况下，排除了工厂自动化和内联网的嵌入式系统的介入。

2.1 CAN总线和设备集成

较大分布式系统的集成通常应用不同的方法，CAN基于以太网的存在取决于在该协议层上的互联。

第一类解决方案依赖于应用层网关的适当操作。它们大多是商用解决方案，而不是由标准规范的支持。例如，EtherCAN/2预计通过以太网接入CAN设备的特定网关。为了这个目的，NTCAN和EtherCAN低电平插座接口（ELLIS）应用程序接口都可以，例如Windows和Linux。任何总线预见的网络设备，旨在CAN设备连接到其它任何现场总线或工业以太网。在这种情况下，需要为每个主机网络配置特定种类的网关，这意味着它们不是普遍的解决方案。在许多情况下，功能和行为的映射是不完整的，至少不完美。

第二类由路由器装置执行，位于应用层之下，在严格的数据链路层（DL）上的集成。例如，由开放设备网络供应商协会（ODVA）规定的框架设计用于连接不同的网络，可能是基于不同传输技术（CAN，以太网等）的路由器，只要它们依赖于通用工业协议（CIP）。以这种方式，DeviceNet的段能够很容易地集成在以太网/ IP。同样，2型以太网POWERLINK（EPL）路由器可用于耦合EPL和CANopen网络，从而实现节点对象字典（OD）的远程访问。这些解决方案提供设备之间的无缝通信，但它们不限于特定的应用层。

最后一类依赖于根据存储和转发原理在数据链路层共同使用的特定桥梁。它们被用于耦合不同的CAN总线，可能具有不同的比特率。通过解耦MAC操作（主要总线仲裁，以及错误检测和管理），电桥可提高超出理论极限的网络扩展。他们中的一些支持基于消息过滤选择性转发（从而减少堵塞），可允许标识的翻译，实现模块化设计。这些解决方案大多应用在车载应用，并且不适合用于CAN高层网络互联。然而，可以设计特殊的桥梁，通过以太网连接不同的CAN总线。它们通过嵌入CAN消息（无论是一个或多个）到以太网帧中工作。关于这一问题的讨论报告，与完善相关的响应时间不同的方式同时提交。

上述解决方案的主要优点在于任何修改都需要对应现有的CAN设备。设置耦合设备（网关、路由器、网桥），使常规CAN节点与不直接连接到的一个CAN接口，使CAN总线或装置能与任一设备进行通信（例如，仅那些具有以太网端口）。虽然能基本定义属性，但不完全保留（因为中间继电器设备和网络，是他们不可以），这样的解决方案可能仍然确保实时行为。而以太网CAN和Wi-Fi包括的桥接异构网络延迟的最坏情况，在交换式报文情况下被分析处理。

在本文后面将采用不同、特别是可以在任一以太网或者IP级进行集成的方法。同时要求修改CAN设备的固件，这使它们有可能使用各种以太网和IP定义的协议，分别进行沟通。此外，该耦合设备的行为能够使得几乎每一个点在标准化视图之外被寻址，这说明不管是在特定底层下的CAN基于网络的和高层次的协议。

包括流程的数据交换和异步事件通知这样的做法并没有设想实时通信，这是值得议论考虑到的一点。为了这个目标，现有的基于CAN解决方案可以利用（共存与他们是一个必须认真考虑的一个关键点）。相反，它的目的是实现CAN设备和内部网之间的无缝连接。它主要是针对如远程配置、监控和诊断，可在IP顶部分层并进行了使用，例如，传统的网络浏览器的操作。同时使CAN设备复杂一点，这样省去了专用管理工具的需求。出于这个原因，它应被视为一个长期的解决方案，意味着被采用为一个通用的替代非实时业务，可以根据一种统一的方式来进行。

2.2 互联架构

内部网是依赖于知识产权，并部署在一个特定的组织（企业、工厂、校园等）的情况下的非全局计算机网络。每一个这样的网络有多个子网络，称为IP子网，其通过路由器相互连接的。IP模型一般是指到底层传输网络的链接，在下文中表示为DL网络。每个IP子网可以与单个或多个DL网络连接，包括了一些它们可能基于不同的（但均匀）的DL通过桥协议。以太网和Wi-Fi两种技术一般在企业内部网使用，分别依靠交换机和接入点。桥接DL网络由路由器作为单独的链接，作为一个整体表现为一个广域可见。

示例网络体系结构如图1所示。 1a能够通过CAN使用IP通信，而图1B能够关联交换机端口。在这两种情况下的一些通用模块包括：H / W成分（CAN和以太网控制器/收发器），相关的设备驱动程序，相关的协议栈的上层的S / W模块（TCP / UDP / IP）的和应用程序实现高层次的网络协议（如Web服务器）。

图1 CAN和内部网互联的示例系统

CAN要求定义一个特定的以太网和IP通信以外的DL传输协议，不属于TCP和UDP传输层，其目的是要克服的与CAN的限制相混淆。在下文中，它将被称为基于CAN的数据链路控制（HDLC）。为了使阅读更容易，并引入和使用本节中的所有缩写下述的汇总于表1中。

表1：缩略语列表

基本上，CDLC即位于顶上的CAN驱动，它依赖于服务于CAN的逻辑链路控制（LLC），并提供上层合适的接口，其允许相关的协议数据单元（PDU）被正确传送。 CDLC必须处理两个CAN的特点使得它不适合用于以太网帧和IP数据报，即有限的有效负载大小和基于对象的寻址方案的直接传输。

在任何的CAN节点实现CDLC的实体，在下面将作为DL实体提及。这是因为它提供了上层（例如IP）从数据链路层期望的典型服务。从概念的角度来看，CDLC通过交换DL-实体，其中每个DL PDU传送有效载荷的协议（以太网帧，IP数据报等）恰好一个PDU之间的PDU操作，并通过输送的一个或多个消息交换的协议（CAN）。

2.3 CAN和内网互联的方法

可以提供IP连接CAN设备的两种不同方法被设计出来。无论是IP上面CDLC直接堆放或后者模仿以太网通信。在这两种情况下，我们允许CDLC和 DLPD在CAN总线上交换。这些方法之间的主要区别在于寻址。

虽然它似乎不同于实际，IP直接在CAN堆栈是最简单的解决方案。下文将通过CAN（IOC）称为IP。 CDLC在IOC整个传输IP数据包。特别是源和目的地的IP地址（IP-SA和IP-DA）用于通过IoC的节点和路由器完成DLPDU路由。第二种解决方案是使CAN节点与以类似于以太网上层的界面，从而使现有的IP实现可以用较小的修改来使用。每DL-实体，在这种情况下，必须分配一个全局唯一的MAC地址。这被称为以太网CAN（EOC）。

在DL层工作是比较复杂的，但实现了更大的灵活性。这取决于数和网络接口类型，一下几种情况可以区分：的EOC节点只有一个接口（用于连接到CAN），而与EOC这里表示为Q-SW必须使用开关有两

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