基于CAN总线的虚拟化以太网接口设计和实现

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1、36中国空间科学技术2012年2月ChineseSpaceScienceandTechnology第1期基于CAN总线的虚拟化以太网接口设计和实现董绍进1’2刘波1虞万荣1赵宝康1(1国防科学技术大学计算机学院，长沙410000)(2西安通信学院，西安710106)摘要针对卫星载荷问基于控制器局域网(CAN)总线的IP通信，提出了一种CAN接口虚拟化机制，称为IPoverCAN。通过IP地址和CAN地址映射、IP报文分片／重组和多路缓冲队列管理等机制，将CAN接17抽象为虚拟的标准以太网接口。试验结果表明

2、，IPoverCAN机制实现了CAN数据帧和IP报文之间的实时高效转换，可用于卫星载荷间通信等对设备质量和体积敏感的领域。关键词控制器局域网总线虚拟以太网接口卫星通信DoI：10．3780／j．issn．1000—758X．2012．01．0061引言控制器局域网(ControllerAreaNetwork，CAN)总线在卫星上具有较为广泛的应用，载荷与主控板之间使用CAN总线通信，以保证抗干扰和实时性n】。而将卫星载荷使用IP编址，可以形成地空一体的管控网络，同时便于地面网络用户查看和访问特定载荷的状态

3、。此外，让卫星具有路由和交换能力，构建空天一体化信息系统，也是未来网络发展的一个重要方向。这给CAN总线和IP网络之间的信息交互提出了一些新的要求。现有CAN总线设备组网的解决方案主要是针对地面网络，一般为CAN总线上连接多个CAN设备，主控端通过CAN转以太网的网关连接到CAN总线上，采集CAN网络中的数据，或通过CAN网关发送特定的CAN控制消息到指定CAN设备，以完成数据采集、状态控制等功能【2‘5]。现有方案存在的问题主要有：CAN网关和CAN转以太网设备均为硬件实现E4-s．]，尽管在一般场合工

4、作良好，但对于微型应用和太空环境等要求严格的场合，因其占有一定的体积和质量而造成发射成本、功耗和体积的增加，很难满足需求。而全部采用CAN帧通信，又会给数据处理和应用层编程带来诸多不便。目前国际上已有一些使用CAN总线承载IP报文的方案[6{]，但尚未形成统一规范，通用性不强。为满足卫星上使用CAN总线通信的载荷与IP网络的信息交互需求，本文提出一种CAN接口虚拟化方法，称为IPoverCAN，通过将CAN设备抽象为以太网接口，从而使上层应用面对的是应用更为广泛的以太网接口，可以直接在CAN总线上传输IP

5、报文，便于上层处理数据和应用编程，同时便于应用层软件的模块化和可重用化。国家自然科学基金(61070199)，国家自然科学基金(61103182)资助项目收稿日期：2011—05—23。收修改稿日期：2011-09—232012年2月中国空间科学技术2系统设计(1)设计思路本文的主要思想是：1)将CAN设备抽象成虚拟以太口(IPoverCAN)，并在系统中注册。对上层表现出完全等同于以太网接口的特性，具有MAC地址、IP地址等参数；对下层则面向特定的CAN设备和CAN总线，使用CAN设备驱动与其交互。2)

6、IPoverCAN接口从上层接收到IP包时，首先根据IP包的源、目的IP地址字段，通过查询IP地址-CAN设备地址对应表[7]，确定源和目的CAN设备地址。然后将IP包载荷分片成适合CAN总线传输的大小，根据原始IP包的头部信息和数据长度填充CAN帧头部后发送至CAN总线。3)IPoverCAN接口下的CAN设备接收到CAN帧时，先读取CAN帧头部中的特定字段，判断是否为IP报文分割得到。若是则通过查询IP地址一CAN设备地址对应表确定其对应的IP地址，将其放人特定的缓冲区，然后等待后续同一源地址的CAN

7、帧的到达，当接收IP包的最后一个CAN帧后，将特定缓冲区中保存的来自同一源地址的CAN帧载荷封装成IP报文，填充头部后转发至对应节点。(2)系统总体结构系统的总体结构如图1所示，IPoverCAN接口通过抽象和封装，对上层屏蔽底层硬件细节。上层以太网应用可以直接通过IPoverCAN接口收发IP数据包。IPoverCAN接口收到上层的IP数据包后，分割成适合CAN总线传输的CAN帧，并调用CAN驱动发送至CAN总线上的其他设备。CAN设备收到CAN帧后，交给IPoverCAN接口，将属于同一个IP报文的C

8、AN帧重组成IP报文交给上层网络应用。3系统实现3．1帧结构：——’◆初始化IPovcrCAN数据统计_}——◆图1IPoverCAN总体框架Fig．1GenericframeworkofIPoverCAN重新定义CAN帧格式，如图2所示，其基础为CAN2．0B扩展帧‘9

9、。具体修改描述如下：1)将CAN帧第一字节尚未使用的第5～6位定义为IPoCCtrl(IPoverCANContr01)字段。IPoCCtrl为1时表示此C