Simulative Bestimmung der CAN-Bus-Lastgrenzen

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1 Simulative Bestimmung der CAN-Bus-Lastgrenzen André Groll Universität t Siegen Institut für f r Digitale Kommunikationssysteme Univ.-Prof. Dr. Christoph Ruland Hölderlinstraße e 3 D Siegen siegen.de

2 Agenda Motivation Theoretische Grundlagen Simulation von Lastgrenzen Ausgewählte Ergebnisse Fazit & Ausblick Quelle: Volkswagen AG André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 2

3 Elektronische Komplexität gestern und heute Quelle Folie: Stefan Goß, Volkswagen AG Länge der Kabel m Anzahl der Kabel Gewicht 64 kg André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 3

4 Motivation Umstieg auf Bussysteme Bis zu 150 Steuergeräte pro Fahrzeug Reduzierung von Kosten und Gewicht Einfache Erweiterbarkeit durch Standardisierung Mehrere homogene und heterogene Bussysteme gekoppelt Die unterstützten tzten Funktionen Bremsen- und Motorsteuerung Navigationsmeldungen und Infotainment-Applikationen Klimasteuerungen Diagnose-Schnittstellen für f r Wartung und Software-Download Kommunikationsaufkommen wird weiter steigen Unterschiedliche (Realzeit( Realzeit-)Anforderungen der Applikationen Erfüllung der Anforderungen der sicherheits-relevanten relevanten Funktionen? André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 4

5 Motivation Fahrzeug-Busnetzwerke Zugriff zu vielen kritischen und sicherheitsrelevanten Komponenten und Funktionen möglichm - Motor- und TürsteuerungT - X-by-Wire-Systeme Voraussetzung: Verlässliches zugrunde liegendes Datennetzwerk Tiefe Eingriffe in die Verkehrs-Sicherheit Problematisch Kopplung der Netze Zunehmende Integration von mobilen Endgeräten Externe Schnittstelle ermöglicht Fernzugriff Sicherheit unter Berücksichtigung der speziellen Anforderungen im automobilen Bereich André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 5

6 Motivation Controller Area Network Erstes Hersteller-übergreifendes und standardisiertes Fahrzeug- Bussystem mit dominierender Stellung Unterschiedliche (Realzeit( Realzeit-)Anforderungen der Applikationen Erfüllung der Anforderungen sichergestellt? Work-Around für r diese Problematik Kapazitäts ts-ausnutzung nicht optimal Sinnvoll: Grundlage zur Simulation konkreter Konfigurationen, um Abschätzungen über mögliche m Verzögerungen von Botschaften mit bestimmten Prioritäten ten bzw. Identifiern zu erhalten Ausgangspunkt Sicherheitsanalyse von Fahrzeug-Bussystemen Vorhersage von Reaktionen bei bestimmten Angriffen André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 6

7 Berechnung der CAN-Framel Framelängen Physikalische Ausdehnung des Netzwerkes und die maximale mögliche m Busgeschwindigkeit stehen in direktem Zusammenhang. Keine Aussage über Anzahl an Nachrichten oder Teilnehmern Nutzdatenlänge, nge, Overhead und Stuffbits sind relevant Worstcase-Absch Abschätzung an Stuffbits nach Tindell n s = 4 Bitanzahl pro Frame n l = s n = n André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 7

8 Max. theoretische Nachrichtenkapazität Nutzdatenlänge [Byte] Max. Framelänge [Bit] Bit pro Frame (inkl. IFS) Bit Geschwindigkeit [ ] s André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 8

9 Max. theoretische Nachrichtenkapazität Nutzdatenlänge [Byte] Max. Framelänge [Bit] Bit pro Frame (inkl. IFS) Bit Geschwindigkeit [ ] s Maximale Anzahl Datenframes kbit 100 kbit 128 kbit 500 kbit 1 Mbit Nutzdatenlänge [Byte] André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 9

10 Zusammenhang zwischen Datenrate und Buslänge Buslänge hat maßgeblichen Einfluss auf erreichbare Übertragungsrate Signallaufzeit bei Zweitdrahtleitungen: 5 ns/m Relevant: Signallaufzeit-Segment Segment der Bitzeit Weitere Einflüsse auf die Signalausbreitung durch CAN- Komponenten Dimensionierung des Signallaufzeitsegments t sig _ seg 2t d t d = tcan + ttran + t Ltg Signallaufzeit in der Leitung = Produkt aus deren Länge L und Signalausbreitungsgeschwindigkeit. Maximale Leitungslänge nge L max = 0,5t sig _ seg t ns 5 m CAN t Tran André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 10

11 Praktische Lastgrenzen im Fahrzeug Summe der Botschaften sollte deutlich geringer ausfallen als die Übertragungskapazität ( li + 3) hi < Weitere praktische Anforderungen m i=1 Trotz Ereignisorientierung häufig h zyklische Kommunikation implementiert (Beispiel GWS) Vorteile einer zyklischen Übertragung: Ausfall des Senders kann durch den Empfänger erkannt werden Problem: Nachrichten dürfen d nicht zu lange verzögert werden Zusätzlich weiterhin spontane Botschaften, die nur in begrenztem Umfang verzögert werden dürfend D André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 11

12 Praktische Lastgrenzen im Fahrzeug Problematisch: Mischung aus zyklischen und spontan versendeten Botschaften Zyklische Botschaften gliedern sich kurz nach dem Systemstart zumeist in regelmäß äßige Kommunikationsfolgen ein Spontane Botschaften können k durch lang anhaltende Kommunikationsfolgen höherer h herer Priorität t deutlich verzögert werden ID1 ID2... ID20 ID22 ID1 ID2... ID20 ID21 ID22 t 1 Differenz t 2 ID1 ID2... ID20 ID André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 12

13 Simulation von Lastgrenzen Simulationssoftware als Hilfsmittel für f r Sicherheitsanalyse Worst-Case Case-Abschätzungen hinsichtlich Buslast, Verzögerung, Kommunikationsfolgen und Folgen von Überlastsituationen Können Anforderungen der Applikationen eingehalten werden? Annahmen Stuffbit- und Framelängen ngen-berechnung nach Tindell Übertragung über einen fehlerfreien Kanal Synchron laufende Taktgeneratoren in den Busteilnehmern Verwendung von CAN 2.0A-Frames Ergebnisse der Simulation wurden theoretisch und praktisch (soweit möglich) m verifiziert André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 13

14 Ausgewählte Ergebnisse Simulation ausschließlich lich periodischer Botschaften Deterministisches Laufzeitverhalten Simulation ereignisorientierter Nachrichten Höhere Simulationsdauer und mehrfache Wiederholung In den folgenden Simulationen erfolgen jeweils fünf f Wiederholungen mit anschließender ender Bildung des arithmetischen Mittels André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 14

15 Ausgewählte Ergebnisse Verzögerung zufälliger Botschaften durch lang anhaltende zyklische Sendevorgänge nge 100% 90% 80% 70% 60% Buslast 50% 40% 30% 20% 10% 0% Anzahl / Identifier der Botschaften 1 Byte 2 Byte 4 Byte 6 Byte 8 Byte André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 15

16 Ausgewählte Ergebnisse Verzögerung zufälliger Botschaften durch lang anhaltende zyklische Sendevorgänge nge 10, , , , Zeit [s] 0, , , , , Anzahl / Identifier der Botschaften 1 Byte 2 Byte 4 Byte 6 Byte 8 Byte André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 16

17 Ausgewählte Ergebnisse Verzögerung zufälliger Botschaften durch lang anhaltende zyklische Sendevorgänge nge 10, , , Zeit [s] 0, , , Anzahl / Identifier der Botschaften 1 Byte 2 Byte 4 Byte 6 Byte 8 Byte André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 17

18 Ausgewählte Ergebnisse Verzögerungen zyklischer Botschaften niedriger Priorität t bei steigender Anzahl zufälliger Botschaften 0, , , Zeit [s] 0, , , nur zyklisch 1x zufällig 2x zufällig 4x zufällig 7x zufällig 16x zufällig 0, , , Anzahl / Identifier der Botschaften André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 18

19 Ausgewählte Ergebnisse Verzögerungen zyklischer Botschaften niedriger Priorität t bei steigender Anzahl zufälliger Botschaften 0, , , Zeit [s] 0, , nur zyklisch 1x zufällig 2x zufällig 4x zufällig 7x zufällig 16x zufällig 0, , Anzahl / Identifier der Botschaften André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 19

20 Ausgewählte Ergebnisse Einfluss einer variierenden zufälligen Botschaft auf die Verzögerung einer zyklischen Botschaft niedriger Priorität 0, , , Zeit [s] 0, , nur zyklisch 1x zufällig 0, , , Identifier (Position) der zufälligen Botschaft André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 20

21 Ausgewählte Ergebnisse Einfluss einer variierenden zufälligen Botschaft auf die Verzögerung einer zyklischen Botschaft niedriger Priorität 0, , , Zeit [s] 0, , nur zyklisch 1x zufällig 0, , , Identifier (Position) der zufälligen Botschaft André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 21

22 Fazit und Ausblick Große e und steigende Zahl an Steuergeräten ten in modernen Fahrzeugen Zu großem Teil an CAN-Bussen angeschlossen Zunehmende Komplexität/Belastung t/belastung der In-Fahrzeug Fahrzeug-Netzwerke Unterschiedliche (Realzeit( Realzeit-)Anforderungen der Applikationen Fahrzeughersteller reduzieren Anzahl an Steuergeräten ten und möglichen m Botschaften auf einem Bus, dass Funktion garantiert ist Erhöhung hung der Kosten und schlechten Auslastung der vorhandenen Übertragungskapazitätenten Simulation der möglichen m Kommunikation Erste Orientierung hinsichtlich der Grenzen eines CAN-Netzwerkes Netzwerkes Konkrete Konfiguration eines Busses für f r detailliertere Ergebnisse Erkennen von Verzögerungen Effiziente Ausnutzung von Übertragungskapazitäten ten = Kostenreduktionen Erkennen von Sicherheitsproblemen und Folgen Funktionserweiterung der Software CANsim ist geplant André Groll - Institut für Digitale Kommunikationssysteme 22