车联网安全入门(2)——从UDS的视角理解CAN

读完第一篇文章后，我们会思考，为什么我们看到的can日志中的报文会有一个canid，为什么是三位十六进制数，为什么只能传输八位数据？
我们前面提到，UDS协议是基于can的，这就是核心原因，UDS 是应用层协议，运行在经典 CAN 之上。

经典 CAN 的物理限制：
1、每帧最多 8 字节有效数据
2、这是硬件+协议栈硬性规定（从 1986 年 Bosch CAN 1.0 开始）

这时候又引出一个问题，那当我们需要发送超过八个字节的数据时该怎么办，两个新的概念可以实现这个目的——“多帧传输”和“灵活CAN”，多帧传输是一种传输方式，而灵活CAN是和经典CAN一样都包含在CAN协议里的。

帧

物理层把模拟信号转换成数字信号传给数据链路层，帧可以看作是数据链路层控制的协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU)，每层PDU的叫法都不一样。物理层称作位(bit)，网络层称作包(packet)，应用层称作报文(message)。

CAN节点之间数据的发送和接收由4种不同的帧掌控：
● 数据帧(Data Frame, DF) 携带从发送节点至接收节点的数据
● 远程帧(Remote Frame, RF) 向其他节点请求发送具有同一标识符的数据帧
● 错误帧(Error Frame, EF) 节点检测到错误后发送错误帧
● 超载帧(Overload Frame, OF) 在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间附加一段延时
数据帧和远程帧通过帧间空间(interframe space)与上一帧（不论类型）分开，错误帧和超载帧则不用通过帧间空间与上一帧分开。

帧间空间（interframe space）包括分隔域（Intermission）和总线空闲(bus idle)，分隔域由三个隐性电位组成，总线上没有帧被传输的时是空闲状态，这时候总线处于静电位，也就是隐态(1)，可以任意长度。

这里我们只详细介绍数据帧。

CAN的数据帧

为了理解经典CAN为什么只能传输八字节有效数据以及CANID为什么只由0x000到0x7FF，我们就需要看ISO11898(CAN协议)中是如何规定的。

CAN协议包括经典CAN和新推出的CAN FD(CAN with Flexible Data rate)。经典CAN即CAN 2.0，由博世在1991年推出，A/B(part A and part B)。CAN FD由博世和其他专家在2011年推出，又叫灵活CAN。A部分和B部分分别规范了两种帧格式：标准帧和扩展帧。因此数据帧可以分为4种：
● 经典CAN的标准数据帧(Classical Base Frame Format, CBFF)
● 经典CAN的扩展数据帧(Classical Extended Frame Format, CEFF)
● 灵活CAN的标准数据帧(FD Base Frame Format, FDFF)
● 灵活CAN的扩展数据帧(FD Extended Frame Format, FEFF)

CAN数据帧大体结构如下：

主要由8个部分组成:
● 帧头SOF（Start-of-frame）
● 仲裁域（Arbitration field）
● 控制域（Control field）
● 数据域（Data field）
● 校验域（CRC field）
● 应答域（Acknowledgement field）
● 帧尾（End-of-frame field）
● 分隔域（Intermission field）

八个部分分别看有点难以理解，我们可以把整个CAN数据帧(CAN data frame)看成三个部分：

第一部分我们只需要看包含在仲裁域（Arbitration field）里的报文ID，也叫仲裁ID（Message identifier），这个就是我们在真是UDS传输中看到的CANID，在经典CAN的标准数据帧中规定了为11位二进制，所以我们在CAN日志中看到的CANID都是三位十六进制位，最大是7FF。

第二部分就是数据帧中的数据域（Data field），在图中可以看到，数据规定了只能传输0~    8个字节（byte），这也是为什么我们在UDS报文中只能传输或者接受八个字节的数据。

第三个部分就是在数据域后面的校验域、应答域、帧尾、分隔域等，这些暂时可以不用理解，就把它看成必要的格式以及校验数据真实性和完整性的字段即可。

在图中我们可以看到，扩展帧比标准的的11位ID多了一个18位的Extended ID，因此扩展帧的CANID一种是29位，转化成十六进制最高就是8位，即0x1FFFFFFF。

CAN的有效载荷为8字节，传输速率1Mb/s。CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)有效载荷可以大于8字节，最高64字节，因此传输速率可达8Mb/s。也就是说，在CAN FD的标准帧和扩展帧的数据域（Data Field）增加到了64个字节，因此如果发送的是CAN FD帧，那我们就可以传输最大64个字节数据。
简单来说用CAN FD可以比经典CAN传输的更快，一次传输的数据更多。

传输方式

单帧传输

我们在上一篇文章中可以看到，我们的报文都是一帧一阵传输，并且每一帧只能传输八个字节的数据。
前面我们学习UDS服务是在ISO14229-1中规定了，并且只规定了26个服务以及服务每个字节的含义，但是它并不关心底层是如何传输的。而ISO15765-2(也就是常说的 ISO-TP，传输层协议)就规定了基于CAN总线进行UDS报文传输的细节。