CAN总线
2023-06-14 18:45:12 #车联网

CAN总线

简介

​ CAN（Controller Area Network）总线是一种用于在车辆和工业领域中进行通信的串行通信协议。它最初是由德国Bosch公司于1986年开发的，旨在实现高速、可靠和实时的数据传输。CAN总线在汽车电子系统、工业自动化、航空航天、医疗设备等领域得到广泛应用。

特点：

1、可靠性：采用差分信号传输和冲突检测和恢复机制，有效抵抗噪声干扰与信号损耗

2、实时性：支持多主机并行通信，具有优先级机制，确保重要数据的及时传输和处理

3、灵活性：采用分布式通信结构，可以支持多个节点的连接和通信，节点之间可以灵活添加或删除

4、高宽带：支持较高的数据传输速率，几百Kbps到几Mbps不等

5、线缆简单：使用两根双绞线进行数据传输

图例：

CAN总线就像神经系统，通过连接”节点“或”电子控制单元（ECU）“，使其信息能够实现共享；

ECU：在汽车CAN总线中，ECU可以是发动机控制单元，安全气囊，音频系统等；现代汽车拥有70个ECU；

图例：

==》ECU将通过CAN总线（CAN_L与CAN_H）进行连接

当使用CAN总线进行通信时，数据将通过数据帧（Data Frame）的形式进行传输；

CAN帧（CAN 2.0A）：

image-20230615170604108

Start of Frame（SOF）：起始帧标识，表示数据帧开始；

Identifier（ID）：标识符，用于唯一标识数据帧的发送者和接收者（具有优先级）；

Remote Transmission Request（RTR）：表示发送还是请求

Control Field（Control）：控制字段，包含数据帧的控制信息，如数据长度（DLC），帧类型等；

Data Field（Data）：数据字段（有效载荷），用于传输实际的数据；数据字段的长度可以根据应用的需求进行配置，最多8字节；

CRC Field（CRC）：循环冗余校验字段，用于检测数据传输过程中是否发生错误；

ACK：表示节点是否已经确认正确地接收到数据；

EOF：CAN帧的结束。

CAN协议数据包识别原理：

1、接收CAN数据包：CAN总线上的每个节点都可以接收其他节点发送的数据包，节点通过CAN控制器接收数据包，并将其存储在CAN接收缓冲区中；

2、解析报文ID：接收节点首先解析报文ID，判断数据包是否为其所需要的数据包，解析报文ID时，需判断扩展帧标志位和远程帧标志位，以确定报文ID的长度和数据包类型；

3、判断数据包类型：根据扩展帧标志位和远程帧标志位的值，确定数据包的类型：如果是远程帧，则节点需要向发送方发送数据请求；如果是远程帧，则节点需要读取数据域中的数据；

4、读取数据：若数据包为数据帧，则接收节点需要读取数据域中的数据。

CAN总线通信是广播的方式，所以数据是可以被监听和获取的；CAN总线协议中ID代表报文的优先级，协议中没有原始地址信息==》任何人都可以伪造和发送虚假或恶意的报文；

例：

1、在攻击者使用高优先级的指令抢占正常指令，将导致ECU无法接受相对低优先级的正常指令，造成CAN总线协议的拒绝服务攻击；

2、当攻击者截获从合法节点发送的CAN数据帧，在将这些数据帧保存于自己的设备上，从自己的设备上发送到CAN总线上，欺骗接收方这些数据是从合法节点发送，从而达到重放的目的。

通信（模拟）

通过ICSim实现，ICSim是一个汽车上的仪表盘模拟器；

# 安装依赖
sudo apt install libsdl2-dev libsdl2-image-dev can-utils maven autoconf -y
# 下载ICSim
git clone https://github.com/zombieCraig/ICSim.git
# 编译安装
cd ICSim
sudo make

有了模拟器，还需要能与之通信的CAN总线，这里需要用到Socketcand：

# 下载socketcand
git clone https://github.com/linux-can/socketcand.git
cd socketcand# 获取缺少的文件
wget https://raw.githubusercontent.com/dschanoeh/socketcand/master/config.h.in# 编译安装
autoconf
./configure
make clean
make
sudo make install

CAN总线环境也准备好了，那为了能对CAN发送的数据进行分析，还需要一个CAN总线分析工具Kayak：

# 下载
git clone https://github.com/dschanoeh/Kayak.git
# 安装jdk
sudo apt-get install openjdk-8-jdk

echo $JAVA_HOME  #查看安装的JDK对不对

#不符合预期则进行设置
export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH

# 安装
cd Kayak
mvn clean package

前置工作已经完成，接下来就是设置虚拟的CAN接口，启动模拟器，实现通信了

# 设置vcan（虚拟CAN）接口
sudo modprobe can  #加载CAN内核模块，启用CAN支持
sudo modprobe vcan  #加载vcan内核模块，启用虚拟CAN支持
# ip link 命令启动 can 接口
sudo ip link add dev vcan0 type vcan  #创建名为vcan0的虚拟CAN接口
sudo ip link set up vcan0   #启用vcan0接口，使其处于活动状态

VCAN工作原理：

1、创建虚拟CAN接口，作为模拟器和其他应用程序之间的通信接口；

2、模拟CAN帧，VCAN模拟器会接收其他应用程序的CAN帧，然后模拟一个类似于真实CAN总线的环境，将CAN帧转发至总线上；

3、监听CAN总线，可以监听到真实的CAN总线，以便将CAN帧发送到真实总线上，并在接收到真实总线上传来的CAN帧时，将其转发至虚拟CAN接口上，以便于其他应用程序接收这些数据；

4、支持多种CAN协议：ISO 11898，SAE J1939等。

至此，你就获得了一个虚拟的CAN接口vcan0，接下来，将启动模拟器：

cd Icsim/
# 打开仪表盘模拟器
./icsim vcan0
# 打开仪表盘控制器
./controls vcan0

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通过Wireshark监听vcan0：注意使用root权限启动wireshark（sudo）；

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成功可以监听CAN总线的通信：

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重放（模拟）

通过对仪表盘进行操作（开车门，加速等），利用candump监听模拟器数据包，wireshark也行，再使用canplayer进行重放；

candump开启监听：

sudo candump vcan0 -l

对仪表进行操作，开门，加速；操作完后停止candump，此时生成了一个数据包：candump-xxx.log；

注意此时需要使用（点击一下）那个手柄才能操作：

功能 控制按钮
转向 键盘左右
速度 键盘上下
开/关左前车门 右shift/左shift+A
开/关右前车门 右shift/左shift+B
开/关左后车门 右shift/左shift+X
开/关右后车门 右shift/左shift+Y
开启全部车门 左shift + 右shift
关闭全部车门 右shift + 左shift

例：开启左前车门：右shift + A

成功获取了CAN总线通信的数据包；

在等仪表复原后（关闭车门或直接将仪表重启等），使用canplayer重新发送数据包：

sudo canplayer -I candump.log  #我改了文件名

成功复刻刚刚对仪表的操作：

加速操作：

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开车门操作：

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但并满足于此，因为CAN是不断在进行通信的，所以有很多数据是我们不需要的，我们可以剔除这些对我们实现操作（开车门）无用的数据，获取能进行操作（开车门）的数据指令；

可以通过二分法将数据包分成两份，再次进行重放，再对能进行操作的数据包进行相同的操作……

import sys

filename = sys.argv[1]

#读取log文件
with open(filename, 'r') as f:
    lines = f.readlines()
num_lines = len(lines)
#使用二分法将内容分别输出到两个新文件
midpoint = num_lines // 2
with open('candump1.log', 'w') as f1, open('candump2.log', 'w') as f2:
    for i, line in enumerate(lines):
        if i < midpoint:
            f1.write(line)
        else:
            f2.write(line)

使用例：

python3 xxx.py candump1.log

在一段时间的重放后Loding…… 最终确定操作开门的数据包为：

通信（物理）

首先需要了解一下OBD接口：
OBD全称 On-Board Diagnostics ，意为“车载诊断系统”。随着汽车电气化程度越来越高，各种电子传感器被大量使用，OBD承担了更多的行车记录功能。与行车记录仪不同， OBD显示的是以汽车为中心的数据，并且很多原车仪表盘不能显示的信息可以通过OBD读出来。如下图所示汽车的OBD接口一般位于方向盘左下方:

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OBD接口使用的通信协议由汽车制造商定义，其中最常用的就是基于CAN总线的协议；OBD接口可以提供各种诊断信息，包括但不限于故障码，冻结帧数据，实时数据，监视状态等；

下图就是OBD引脚的定义：

我们主要关注一下CAN_L和CAN_H两个引脚即可：

CAN_L和CAN_H是CAN总线的两个物理信号线，用于传输CAN数据帧。这两个信号线分别代表了CAN总线的差分信号==》

CAN_L（低电平线）：用于传输差分信号的低电平部分。在CAN总线上，CAN_L线通常处于电压较低的状态。

CAN_H（高电平线）：用于传输差分信号的高电平部分。在CAN总线上，CAN_H线通常处于电压较高的状态。

差分信号传输：CAN总线使用差分信号传输方式，即通过CAN_L和CAN_H两个信号线之间的电压差来表示数据。CAN_L线的电压较低，CAN_H线的电压较高，两者之间的电压差表示传输的数据。

极性：CAN总线的差分信号具有极性，即CAN_L和CAN_H的电压关系可以反转。CAN总线通信中，数据帧的传输是通过CAN_L和CAN_H的电压变化来表示逻辑位的翻转。

终端电阻：CAN总线上通常需要安装终端电阻，用于消除信号反射和保证信号的质量。终端电阻分别连接在CAN_L和CAN_H线的两端。

通过CAN_L和CAN_H两个物理信号线的差分传输，CAN总线能够实现高速、可靠的数据通信；

一般情况下，可以使用OBD接口接线直接接入OBD接口，再将接线连接PCAN，PCAN连接电脑即可完成通信：

OBD接口接线：

接线连接PCAN上的引脚：

我这里直接将仪表总线的CAN_L与CAN_H接出来，直接用杜邦线连接PCAN，PCAN的usb接口接PC；

通过PCAN-View连接获取数据：

常见波特率：

经典CAN：1 Mbit/s
CAN FD：5 Mbit/s

首先设置波特率，我这里是500，成功连接后PCAN的RX和TX灯将亮起来，并能在PCAN-View上接收到数据，例：

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在下方可以添加要发送的数据，例：可以打开仪表盘背景灯的指令

按空格即可放松CAN指令，也可以设置timeout，让它自己发

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成功打开：

当然也可以通过复制粘贴上方接收的数据重新发送达成重放的目的，但我这里推荐另外一个工具去实现重放

重放（物理）

使用工具

https://github.com/TOSUN-Shanghai/TSMaster

方法与PCAN-View类似，首先设置一些基本信息：

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然后点击启动就开始接收CAN数据了

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数据例：

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在该栏靠右边，有能实现记录数据包地功能：

image-20230613170314307

点击启动记录，然后通过一些物理操作使仪表盘发生变化，例：左右转向灯，加速等；等记录完所需的数据后就领域停止记录了，至此，你就获得了一份记录这些操作的数据包：默认为TSMaster.blf；

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通过总线回放也可以查看到，在总线回放中：它会打开默认的文件夹，里面就存放着记录的CAN数据；

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点击启动回放，就可以在仪表盘上看到刚刚执行的各个操作：左右转向灯等；这里我验证了转向灯，速度功能，但是由于一些保密原因就不作展示了；

之后就可以通过与上文中模拟CAN重放中定位该功能的指令一样，使用二分法找就好了；

当然，这个记录CAN指令的.blf文件也可以使用Wireshark打开，例：

至此，关于CAN协议解析与通信就先告一段落。

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