Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [95]
Рефераты по курсу "Компьютерный практикум", "Применение персональных компьютеров", "Информационная техника" и "Сети ПК" в НИЯУ МИФИ
Аналитика (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) [1]
ТЗ учебных проектов [7]
Виртуальные калькуляторы [2]
Пресс-релизы [4]
Материалы по итогам учебных проектов
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 122
Статистика

Онлайн всего: 4
Гостей: 4
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Публикации студентов МИФИ » Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети)

Локальная сеть в современном автомобиле
СОДЕРЖАНИЕ:
Список сокращений и условных обозначений …………………………... 3
Введение ………………………………………………………………….................... 4
1) Описание сетей автомобилей …………………………………………........ 5
2) Преимущества систем шин …………………………………………….......... 7
3) Требования к шинам …………………………………………………….............8
4) Компоненты шины ……………………………………………………............... 8
5) Эталонная модель OSI …………………………………………………............ 9
6) Датчики ……………………………………………………………….....................10
7) Виды коммутации оборудования ……………………………………........ 11
8) Алгоритм работы на примере шины CAN ……………………………... 12
9) Потенциальные методы доступа к сети ………………………………... 16
10) Методы защиты сетей, уязвимости и последствия ……………. 18
Заключение …………………………………………………………….…................. 20
Список используемой литературы ……………………………………......…. 21
Приложение 1. Оценки внешних источников

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВИСА - встроенная информационная система автомобиля;
SAE – сообщество автомобильных инженеров;
GPS – англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования;
IBM – International Business Machines — американская компания, один из крупнейших в мире производителей и поставщиков аппаратного и программного обеспечения, а также IТ-сервисов и консалтинговых услуг;
OSI – Open System Interconnection;
ISO – Международная организация по стандартизации;
ЭБУ – электронный блок управления;
АБС – Anti-lock braking system (антиблокировочная система).

ВВЕДЕНИЕ
Современный автомобиль – это сложная машина, содержащая в себе несколько десятков встроенных электронных блоков управления, сеть для возможности поддержки различных модулей, проводные и беспроводные интерфейсы для подключаемых внешних устройств. USB, CD, DVD, виды flash card отличных от usb (sd, mmc, m2) объединяются в категорию проводных интерфейсов. В свою очередь WI-FI, Bluetooth, RFID, радио, GPS, мобильная связь - беспроводные. Они могут поддерживать множество функций, например, удаленные мониторинги на показатели давления в шинах, спутниковый мониторинг транспорта, удаленный запуск двигателя, возможность доступа к автомобилю без ключа. Сейчас мы уже практически пришли к такому виду взаимодействия, как машина-машина или машина-инфраструктура. Появляются беспилотные автомобили, основанные на искусственном интеллекте.
Интересный факт: фирма IBM писала, что «современный автомобиль содержит несколько миллионов строк кода – это больше чем в космическом шаттле!».
В наше время в автомобилях широко используются сети для обмена данными. Иначе их называют «системами шин и протоколы». Различные компоненты, такие как датчики, компьютерные «узлы» и исполнительные органы соединяются между собой через единый канал. По данному каналу осуществляется передача множества данных.
Локальная сеть в современном автомобиле затрагивает огромное количество различных технологий и разработок. Описать и объяснить, как всё работает, займёт немалый промежуток времени. Поэтому некоторые аспекты будут рассмотрены поверхностно.

ОПИСАНИЕ СЕТЕЙ АВТОМОБИЛЯ
Для последовательного и логичного раскрытия темы необходимо остановиться на абстрактном описании бортовых сетей и интерфейсов автомобиля. Бортовая сеть состоит из нескольких сетей (табл.1.1.) [1]. Каждая сеть имеет определенные скорости передачи данных. А для связи этих сетей используются шлюзы.

Таблица 1.1. Перечень сетей ВИСА


SAE [2] («Сообщество автомобильных инженеров) «разбила» автомобильные сети на 3 класса, в зависимости от скорости передачи данных (табл. 1.2). Для каждой из этих сетей есть конкретные стандарты. У современного автомобиля в наличии несколько типов сетей (более одного), ведь электронное оборудование, которое находится внутри автомобиля, имеет достаточно большой набор функций, и потребности этого оборудования зачастую охватывают более одной сетевой системы.

Таблица 1.2. Классификация сетей ВИСА по функционалу:


Например, для уменьшения пробуксовки необходимо снижение тяги путем отключения двух цилиндров, снижения подачи топлива или изменения угла опережения зажигания. Следовательно, сетевое взаимодействие между системой управления двигателем и системой тяги должно быть определено строго. Либо же навигационная система, которая запрашивает информацию с какого-то количества систем, например, запросить у ABS информацию о положении колес, угле поворота ведущих колес, а у GPS – данные со спутников.
В (табл. 1.1) представлен большой спектр автомобильных сетей, который показывает разный функционал и приблизительную ценовую стоимость (навскидку). В автомобильном мультимедиа, где цена не так критична, используются сети с широкой пропускной способностью. Управление трансмиссией и динамикой автомобиля в режиме реального времени требует наличие надежных и быстро реагирующих сетей. В этой ситуации потребности в правильной функциональной работе превышают всякого рода экономические потребности. В то же время, некоторые системы настроены на обеспечении материальной выгоды с продажи, так как не требуют минимальных задержек. Так, например, система, обеспечивающая комфорт, требует времени чуть больше, чем время восприятия человеком. Для недорогого автомобиля, достаточно минимальной сети, которая поддерживает простейшие функции, где приемлемы задержки в секунду: открытие замков с одной панели, открытие багажника. Для этого часто используют сеть single wire со скоростью работы в 10 kb/s.

ПРЕИМУЩЕСТВА СИСТЕМ ШИН
При сравнении систем шин с проводным (традиционным) соединением, первый тип соединения имеет следующие преимущества:
• низкая стоимость материалов, из которых изготавливаются провода (что дает возможность затратить более высокие суммы на электронику);
• меньше масса проводов, следовательно, меньше занимаемого пространства;
• меньше сбоев, т.к. в системе шин мало штекерных соединений;
• распределение данных между различными получателями;
• возможность доступа ко всем системам автомобиля, которые соединяются через шину, в одной точке;
• для обработки данных аналоговые сигналы датчиков преобразуются в цифровые, затем информация рассылается по шине.

ТРЕБОВАНИЯ К ШИНАМ
Существуют типичные требования для корректного использования шин в автомобилях. Основные требования:
• использование шиной процесса передачи, управляющим временем распространения, отражениями и затуханиями сигналов для проводов длиной до 40 м, которые могут достать до всех необходимых мест в автомобиле;
• способность выдержать суровые эксплуатационные условия – температура, вибрации, электромагнитные помехи;
• чёткое определение характеристик шин стандартом (гарантия надежного взаимодействия различных компонентов сети);
• должна гарантироваться определенная длительность передачи данных (задержка реакции) – особенно важно для систем безопасности.

КОМПОНЕНТЫ СЕТИ
Для того, чтобы сеть работала корректно (как было запланировано), в ней должны постоянно выполняться вычисления. Эти вычисления выполняются устройством (рис.1) [3], которое имеет название «коммуникационный контроллер» (КК). Этот контроллер снимает нагрузку с хоста (фактического компьютера), который выполняет эту же функцию не столь эффективно.


Рис.1. Компоненты сети

КК может быть реализован в виде отдельного полупроводникового компонента. Однако КК в некоторых шинах может быть уже встроенным, если микроконтроллеров много.
Физический сигнал на шине (уровень напряжения) получается путем преобразования сигнала от КК с помощью драйвера шины (трансивера). Также он может принимать данные с шины, преобразовывать их и направлять в КК.

ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ OSI
OSI - Open System Interconnection – эталонная модель взаимодействия открытых систем создана для согласования работы устройств сети от разных производителей, а также для возможности взаимодействия сетей.
Эта модель (рис.2) [4] использует принцип иерархии. Каждый уровень пользуется услугами нижестоящего уровня, который, в то же время, пользуется сервисом вышестоящего уровня. Определяется 7 уровней. Начало обработки данных идет с прикладного уровня. Затем, данные направляются в физический уровень, проходя «по пути» все остальные уровни, а через физ. уровень непосредственно в канал связи. Обратная обработка данных наблюдается при приёме. В автомобильных же шинах верхние уровни не обслуживаются (уровни сеанса, представления).


Рис.2. Модель OSI

Физические свойства передающей среды определяются физическим уровнем. В автомобилях в основном используются электромагнитные сигналы в диапазоне от нескольких кГц до нескольких МГц с особыми проводами и оптоволокном (где требуется высокая скорость передачи данных). Наиболее широко распространенным методом является передача по витой паре с разностью напряжений, с экранированием от излучения, в силу малых затрат.
Есть разные возможности, чтобы представить биты в автомобильной шине. Самый простой и часто встречающийся – шифрование. При шифровании каждому биту присваивается определенное значение напряжения (амплитудная модуляция), применяемое ко всей длительности бита.
Между соседними узлами обмен данными осуществляется с помощью канального уровня. Биты данных группируются в пакеты. Ошибки передач выявляются и исправляются путем добавления дополнительных битов.
Сетевой уровень служит для нахождения маршрута для данных, проходящих через промежуточные станции.
Транспортный уровень обеспечивает разборку крупных пакетов данных и их сборку у получателя. К получателю отдельные части приходят по разным маршрутам в разное время или при появлении ошибок передачи, тем самым обеспечивая повторную передачу пакета.

ДАТЧИКИ
Датчики – неотъемлемая часть управления электронных систем автомобиля. Электрические сигналы получаются оцениванием значений неэлектрических параметров и их дальнейшим преобразованием. Напряжение, ток, частота и другие характеристики выступают в роли сигналов. Затем идет преобразование сигналов в цифровой код и передача в электронный блок управления, который, по заранее написанной программе, запускает исполнительные механизмы.
Различают пассивные и активные датчики. В активном датчике путём внутреннего энергетического преобразования возникает электрический сигнал. Роль пассивного датчика заключается в преобразовании внешней электрической энергии.
Практически все системы автомобиля используют датчики. В двигателе они измеряют температуру и давление воздуха, топлива, масла, охлаждающей жидкости. Ко многим движущимся частям автомобиля (коленчатый вал, распределительный вал, дроссельная заслонка, валы в коробке передач, колеса, клапан рециркуляции отработавших газов) подключены датчики положения и скорости. Большое количество датчиков используется в системах активной безопасности.
Типы датчиков различают в зависимости от их назначения: положение и скорость, расход воздуха, контроль эмиссии отработавших газов, температура, давление [5].

ВИДЫ КОММУТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ В СЕТИ. ТОПОЛОГИЯ СЕТИ
«Звезда», «кольцо», «шина» - основные методы реализации локальной сети в автомобиле.
«Звезда». Есть центральное управляющее устройство и остальные узлы.
Чтобы произошел обмен данными между узлами требуется прохождение данных через «центр». Эта схема проста, но имеет большое количество проводов, следовательно и большие задержки.
«Кольцо». Имеется несколько функциональных блоков, которые соединены между собой в кольцо. Информация свободно передается между ними друг от друга, но если цепь разорвать, становится невозможным получение информации. При добавлении в кольцо нового устройства, задержка увеличивается.
«Шина». Функциональные блоки работают в общей среде передачи данных. Крайне малое время передачи данных. Подключение новых блоков, не влияет на задержки.
«Шина» является самым удобным вариантом со стороны эксплуатации. Чтобы обеспечить работу разных блоков сети (например, блок управления критически важных параметров и блок комфорта) шины разделяют физически, тем самым дав возможность шинам работать на разных скоростях. Такое разделение помогает избежать конфликтов между скоростями передачи данных у разных блоков сети.
Чтобы создать мульти сетевую инфраструктуру используют шлюзы. Они фильтруют данные между независимыми сегментами сети, позволяя данным, запрошенным одним устройством определенного сегмента сети у другого устройства другого сегмента, курсировать между сегментами.
Шлюзы: объединяют шины, реализуют арбитраж трафика по уровню критичности, не пропускают трафик с не запрошенными данными из одной шины в другую, возможность подключения диагностического оборудования через специальный порт [6].

АЛГОРИТМ РАБОТЫ ШИНЫ CAN
При рассмотрении принципа работы локальной сети в автомобиле, необходимо рассказать о том, как передаются данные по шине CAN. Так как эта шина считается одной из самых популярных и часто используемых шин в современных автомобилях.
CAN это ISO стандартизированный автомобильный сетевой протокол, который расшифровывается как «контроллерная сеть», стандарты относящееся к данному сетевому протоколу это ISO 11898 и ISO11519-2. Протокол CAN может быть использован как сеть типа A, B или C.
CAN шина это интерфейс состоящий из двух проводов, двух линий:
• CAN+, CAN_H, CAN HIGH — сигнал положительного импульса;
• CAN-, CAN_L, CAN LOW — сигнал отрицательного импульса.
CAN – дифференциальный интерфейс и 0 - передается сразу по всем линиям (рис.3.), это сделано для того, что бы избавиться от шумов.
В CAN 0 – активный сигнал, а 1 – пассивный, таким образом, 0 доминирует над 1 при передаче по данной шине, т.е. если два датчика одновременно будут передавать данные на функциональный блок, то на него придет только 0, таким образом обеспечивается арбитраж доступа.


Рис.3. Сигнал CAN

Шина CAN это шина последовательной передачи данных, т.е. передача битов от старшего к младшему, а 15-битовый циклический контроль избыточности обеспечивает высокий уровень целостности данных. Теоретически число подсоединяемых к ней устройств не ограничено. Скорость передачи данных задается программно (не более 1 Мбит/с)
Обмен данными производится фреймами. Фрейм состоит из четырех основных полей(рис.4.):
• идентификатор отправителя, он же является основой арбитража передачи данных;
• управляющее поле;
• данные;
• контрольная сумма.
Фрейм идет слева на право для того, чтобы реализовать метод не деструктивного арбитража.


Риc.4. Структура CAN фрейма

Суть метода не деструктивного арбитража заключается в следующем (рис.5): в случае, когда несколько контроллеров начинают одновременную передачу CAN-кадра в сеть, каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину, с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера передают следующий бит, и так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал), будет продолжать передачу, а другой (другие) контроллер прервет свою передачу до того времени, пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента ее освобождения [7].


Рис.5. Не деструктивный арбитраж доступа

В настоящее время действующей спецификацией для протокола CAN служит «СAN Specification version 2.0», состоящая из двух частей: А и В, первая описывает обмен данными по сети с использованием 11-битного идентификатора, а вторая - 29-битного. Если узел CAN поддерживает обмен данными только с использованием 11-битного идентификатора, не выдавая при этом ошибки на обмен данными с использованием 29-битного идентификатора, то его обозначают «CAN2.0A Active, CAN2.0B Passive»; если с использованием и 11 -битного, и 29-битного идентификаторов - то «CAN2.0B Active». Существуют также узлы, которые поддерживают обмен данными с использованием только 11-битного идентификатора, а при обнаружении в сети данных с 29-битным идентификатором выдают ошибку. Но на автомобилях устанавливают, естественно, только согласованные системы. Они работают в двух сетях, имеющих разные (250 и 125 кбит/с) скорости передачи данных. Первые обслуживают основные системы управления (двигатель, автоматическая коробка передач, АБС и т.д.), вторые - вспомогательные (стеклоподъемники, освещение и пр.). Сеть CAN состоит из узлов с собственными тактовыми генераторами. Любой ее узел посылает сообщение всем системам, подсоединенным к шине, а получатели решают, относится ли данное сообщение к ним. Для этого предусмотрена аппаратная реализация фильтрации сообщений. Протокол CAN обладает исключительно развитой системой обнаружения ошибок и сигнализации о них, включающей поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверку пакета сообщений CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение верного приема пакета данных. В итоге общая вероятность не обнаружения ошибки не превышает 7*10^(-11). Кроме того, имеющаяся система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при «столкновениях» на шине.
Итак, протокол CAN есть коммуникационная система, управляемая сообщениями, которые посылаются, если компьютер узла запрашивает передачу сообщения и канал не занят. Но если другие узлы в данный конкретный момент времени тоже хотят послать сообщение, то посылается сообщение с наибольшим приоритетом.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ДОСТУПА
Существует 3 типа возможного подключения к сети автомобиля:
1. Проводное подключение
2. Беспроводное подключение - короткого диапазона действия
3. Беспроводное подключение – дальнего диапазона действия
Отсортированные точки подключение представлены в (табл.2.1.).

Таблица 2.1. Точки подключения


Методы доступа можно разбить на 3 группы:
1. Внешние сети
2. Компоненты автомобиля
3. Портативные
Отсортированные методы доступа с учетом типов представлены в (табл.2.2.).

Таблица 2.2. Методы доступа к ВИСА


МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ СЕТЕЙ, ПОСЛЕДСТВИЯ ПРОНИКНОВЕНИЯ
Чтобы защитить информацию в современном автомобиле, в стандартах разработаны следующие положения:
• Разделение шины CAN на два вида: низкоскоростная и высокоскоростная.
• Высокоскоростная шина имеет большую степень доверия.
• Перепрограммируемость шлюзов (в зависимости от типа шины).
• ЭБУ прошивается тем ПО, который подписан закрытым ключом производителя, проверка производится в ЭБУ на основе отрытого ключа.
• Невозможно прошить ПО, разработанное только для конкретной машины в ЭБУ другой машины, поскольку в данном случае при генерации закрытого и открытого ключа используется уникальный идентификатор автомобиля
• Полномочия, получившего доступ к автомобильной сети, различаются, в зависимости от того, как он получил доступ напрямую или через телефонную сеть, для получения локальный полномочий в системе, удаленным пользователям необходимо пройти дополнительную авторизацию в ЭБУ.
• Для обхода запрета прошивки методом замены ЭБУ в ЭБУ и модуле безопасности на заводе изготовителе вшиты секретные ключи авторизации, защищенные от чтения, авторизация в сети автомобиля происходит методом «оклик-отзыв», ЭБУ обязан через определенные промежутки времени авторизоваться в модуле безопасности алгоритмом на основе знания этого ключа, если авторизация не пройдена – ЭБУ не определяется в системе.
• Запрет на отключение коммуникации ЭБУ по шине CAN, если это небезопасно, например, в движении.
• Передача конфиденциальных данных из/в машину производиться только после шифрования гибридным методом, используется открытый ключ для передачи симметричного ключа.
Потенциальные последствия несанкционированного воздействия:
1. Некорректная передача данных по шине CAN;
2. Приборная панель отображает ложные сведения, что вводит в заблуждение водителя;
3. Кража личных данных, секретной информации;
4. Авария на дороге (отключение тормозов);
5. Возможна гибель пассажиров при неисправной работе автомобиля

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном реферате было рассказано о внедрении локальных сетей в современные автомобили. Описаны сети автомобилей, преимущества шин и требования к ним, краткое описание того, какие датчики используются в автомобиле, произведен разбор алгоритма работы конкретной шины, а также были затронуты возможные уязвимости таких сетей и потенциальные последствия вмешательства в них из вне.
В наше время локальная сеть в автомобиле считается одной из самых сложных систем, с которой обычный человек может столкнуться в повседневной жизни. С каждым годом технологии развиваются. Уже сейчас можно встретить беспилотные автомобили, которые полностью основаны на всякого рода датчиках и искусственном интеллекте. Автомобили становятся всё более «самостоятельными» …

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://5fan.ru/wievjob.php?id=95794 – введение в понятие локальной сети для автомобиля, модели угроз;
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/SAE - представление, что такое SAE;
3. http://press.ocenin.ru/obedinenie-avtomobilnyh-sistem-v-s/#Preim_sin – общие принципы для автомобильных сетей;
4. https://netclo.ru/yetalonnaya-model-osi/ - эталонная модель OSI, описание, назначение
5. http://systemsauto.ru/electric/automotive_sensors.html - описание автомобильных датчиков;
6. Коваленко. О.Л. Электронные системы автомобилей: учебное пособие; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. - Архангельск: ИПЦ САФУ, 2013. - 80 с.: ил. ISBN 978-5-261-00762-3
7. CAN specification, 1991, Robert Bosch GmbH, Postfach 30 02 40, D-70442 Stuttgart – спецификация на шину CAN.
Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: alexeihhpet (21.12.2019) | Автор: Петухов А.Ф.
Просмотров: 320 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта