车载网络测试【E2E-AUTOSAR E2E Profile 1】

1 摘要
2 ISO26262定义的通信相关的故障类型
3 E2E Profile 1 概述
- 3.1 E2E Profile 1提供的控制字段
- 3.2 常见控制字段原理
- - 3.2.1 Counter校验机制原理
  - 3.2.2 DataID的工作原理
  - 3.2.3 Alive Counter (Alive)的工作原理
  - 3.2.4 Timeout 的工作原理
  - 3.2.5 Sequence Counter (Seq)的工作原理
  - 3.2.6 Length (Len)的作用以及工作原理
  - 3.2.7 CRC-8-SAE J1850算法简介
  - - 3.2.7.1 算法步骤
    - 3.2.7.2 具体参数
    - 3.2.7.3 实例示例
4 总结

1 摘要

在汽车电子系统中，功能安全（Functional Safety）是确保系统在发生故障时仍能安全运行的关键。AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）为汽车电子系统提供了一个标准化的软件架构，其中E2E（End-to-End）保护机制是确保数据在传输过程中完整性和安全性的重要组成部分。

2 ISO26262定义的通信相关的故障类型

ISO 26262是汽车功能安全的标准，它定义了在汽车电子系统开发过程中需要考虑的各种故障和安全机制。以下是信息交互时可能考虑的故障类型及相应的安全机制，以表格形式呈现：

故障类型	描述	安全机制
数据丢失	在信息传输过程中，部分或全部数据丢失。	使用校验和（Checksum）、CRC（循环冗余校验）、重传机制等。
数据错误	传输的数据在传输过程中发生错误，导致接收端收到错误的数据。	使用错误检测和纠正码（如ECC）、数据验证机制（如哈希值验证）。
数据延迟	数据在传输过程中延迟，导致接收端未能及时接收到数据。	使用超时检测机制、时间戳验证、优先级调度等。
数据重复	接收端收到重复的数据包。	使用序列号、时间戳、去重机制等。
数据乱序	数据包在传输过程中顺序被打乱，接收端收到乱序的数据。	使用序列号、时间戳、排序机制等。
数据篡改	数据在传输过程中被恶意篡改。	使用加密技术（如AES）、数字签名、消息认证码（MAC）等。
数据泄露	敏感数据在传输过程中被未授权方获取。	使用加密技术（如TLS/SSL）、访问控制、数据脱敏等。
通信中断	通信链路中断，导致信息无法传输。	使用冗余通信链路、心跳检测、故障切换机制等。
信号干扰	通信信号受到外部干扰，导致数据传输错误或中断。	使用抗干扰技术（如扩频通信）、错误检测和纠正机制、信号增强等。
硬件故障	通信硬件（如通信模块、总线等）发生故障，导致信息交互失败。	使用冗余硬件、故障检测和恢复机制、硬件监控等。
软件故障	通信软件（如协议栈、驱动程序等）发生故障，导致信息交互失败。	使用软件监控、异常处理机制、软件冗余等。
资源耗尽	通信资源（如内存、带宽等）耗尽，导致信息交互失败。	使用资源管理机制、优先级调度、资源监控等。
协议错误	通信协议错误或不符合规范，导致信息交互失败。	使用协议一致性测试、协议验证、协议监控等。
配置错误	通信配置错误（如地址、波特率等），导致信息交互失败。	使用配置验证、自动配置机制、配置监控等。
环境因素	环境因素（如温度、湿度、电磁干扰等）影响通信，导致信息交互失败。	使用环境监控、抗环境干扰设计、环境适应性测试等。

这些故障和安全机制是ISO 26262中信息交互时需要考虑的一部分，实际应用中可能需要根据具体的设计和需求进行调整和补充。

3 E2E Profile 1 概述

在AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）中，E2E（End-to-End）保护机制用于确保在通信过程中数据的完整性和安全性。E2E Profile 1是其中一种常用的保护配置，主要用于监控和检测通信中的故障。以下是E2E Profile 1提供的控制字段及其能够监控的故障：

E2E保护机制的目的：
E2E保护机制的主要目的是在通信过程中检测和防止以下错误：
- 数据损坏（Data Corruption）
- 数据丢失（Data Loss）
- 数据重复（Data Duplication）
- 数据顺序错误（Data Sequence Error）

3.1 E2E Profile 1提供的控制字段

Counter (Ctr)

描述: 计数器字段用于跟踪发送方发送的消息序列。每次发送消息时，计数器都会递增。
监控的故障:
- 消息丢失: 通过检测计数器的不连续性，可以识别消息是否丢失。
- 消息重复: 如果接收到相同的计数器值，可能表明消息被重复发送。

Data ID (DataID)
- 描述: 数据ID字段用于标识消息的数据类型或来源。
- 监控的故障:
  - 消息错位: 如果接收到的DataID与预期不符，可能表明消息来自错误的源或类型不匹配。
CRC (Cyclic Redundancy Check)

描述: CRC字段用于检测消息在传输过程中是否发生了数据损坏。
监控的故障:
- 数据损坏: 如果接收到的CRC值与计算出的CRC值不匹配，表明消息在传输过程中可能被篡改或损坏。

Alive Counter (Alive)

描述: 存活计数器用于监控发送方是否仍在活跃状态。
监控的故障:
- 发送方失效: 如果存活计数器在一段时间内没有更新，可能表明发送方已经失效或停止发送消息。

Timeout

描述: 超时机制用于检测消息是否在规定的时间内到达。
监控的故障:
- 消息延迟: 如果消息未在预期时间内到达，可能表明通信链路存在延迟或中断。

Sequence Counter (Seq)

描述: 序列计数器用于确保消息的顺序性。
监控的故障:
- 消息乱序: 如果接收到的消息序列号不连续，可能表明消息在传输过程中发生了乱序。

Length (Len)
- 描述: 长度字段用于指示消息的长度。
- 监控的故障:
  - 消息截断或扩展: 如果接收到的消息长度与预期不符，可能表明消息在传输过程中被截断或扩展。

E2E Profile 1通过上述控制字段的组合，能够有效地监控和检测通信中的多种故障，包括消息丢失、重复、错位、数据损坏、发送方失效、消息延迟、乱序以及消息截断或扩展等。这些机制共同确保了在汽车电子系统中数据传输的可靠性和安全性。

3.2 常见控制字段原理

3.2.1 Counter校验机制原理

Counter校验机制的核心思想是在发送的数据帧中添加一个计数器（Counter），并在接收端通过检查该计数器的值来验证数据的完整性和顺序性。具体步骤如下：

发送端：
- 每次发送数据时，发送端会递增一个计数器，并将该计数器的值嵌入到数据帧中。
- 计数器通常是一个固定长度的字段（例如4位或8位），在达到最大值后会回绕（wrap around）。
接收端：
- 接收端会维护一个本地计数器，用于记录上一次接收到的数据帧中的计数器值。
- 当接收到新的数据帧时，接收端会检查帧中的计数器值是否与本地计数器值符合预期（例如，新计数器值应比旧值大1，或者在回绕情况下符合回绕规则）。
- 如果计数器值不符合预期，接收端可以判断数据帧可能出现了重复、丢失或乱序的情况。

Counter校验的实例示例：

假设我们有一个4位的计数器（Counter），其取值范围为0到15。发送端和接收端都维护一个本地计数器，初始值为0。

发送端操作：

发送数据帧1，计数器值为0。
发送数据帧2，计数器值递增为1。
发送数据帧3，计数器值递增为2。
依此类推，直到计数器值达到15。
当计数器值达到15后，下一次发送时计数器值回绕到0。

接收端操作：

接收到数据帧1，计数器值为0，与本地计数器值0匹配，接收成功，本地计数器值更新为0。
接收到数据帧2，计数器值为1，比本地计数器值0大1，接收成功，本地计数器值更新为1。
接收到数据帧3，计数器值为2，比本地计数器值1大1，接收成功，本地计数器值更新为2。
如果接收到数据帧4，计数器值为4，比本地计数器值2大2，接收端可以判断数据帧3可能丢失。
如果接收到数据帧5，计数器值为1，比本地计数器值4小，接收端可以判断数据帧可能出现了乱序或重复。

注意事项：

计数器长度：计数器的长度需要根据实际应用场景进行选择。较长的计数器可以减少回绕的频率，但会增加数据帧的开销。
回绕处理：在计数器回绕时，接收端需要正确处理回绕逻辑，以避免误判。
错误处理：当接收端检测到计数器异常时，可以根据应用需求采取不同的错误处理策略，例如丢弃数据帧、触发错误处理程序等。

通过Counter校验机制，AUTOSAR E2E保护机制能够有效地检测和防止数据帧在传输过程中出现的重复、丢失或乱序问题，从而提高汽车电子系统的可靠性和安全性。

E2E Profile 1（End-to-End Profile 1）是一种用于汽车电子系统中的安全通信机制，旨在确保数据的完整性和可靠性。它的核心功能是通过在通信数据中添加控制字段（如DataID和Counter）来检测数据传输中的错误，例如数据丢失、重复或顺序错误。

3.2.2 DataID的工作原理

E2E Profile 1（End-to-End Profile 1）是一种用于汽车电子系统中的安全通信机制，旨在确保数据的完整性和可靠性。它的核心功能是通过在通信数据中添加控制字段（如DataID和Counter）来检测数据传输中的错误，例如数据丢失、重复或顺序错误。
DataID是E2E Profile 1中的一个关键字段，其作用是为发送的数据提供一个唯一的标识符。以下是DataID的工作原理：

唯一标识数据
DataID是一个固定值，用于唯一标识特定类型的数据。在通信过程中，发送方和接收方都预先知道DataID的值。通过DataID，接收方可以识别数据的来源和类型。
与CRC结合使用
DataID通常与CRC（循环冗余校验）结合使用。CRC是一种错误检测机制，用于验证数据在传输过程中是否被篡改或损坏。发送方在发送数据时，会计算CRC值并将其附加到数据中。接收方收到数据后，会重新计算CRC并与接收到的CRC进行比较，以确认数据的完整性。
数据一致性检查
在E2E Profile 1中，DataID和CRC一起用于确保数据的一致性。如果接收方检测到DataID与预期不符，或者CRC校验失败，接收方会认为数据不可靠，并采取相应的错误处理措施（例如丢弃数据或请求重传）。
与Counter字段的协同作用
E2E Profile 1还包含一个Counter字段，用于检测数据丢失或重复。DataID与Counter字段协同工作，确保数据不仅完整，而且按正确的顺序接收。

DataID在E2E Profile 1中的作用是为数据提供唯一标识，并与CRC和Counter字段一起确保数据的完整性、一致性和顺序正确性。通过这种机制，E2E Profile 1能够在汽车电子系统中实现可靠的安全通信，防止因数据错误导致的安全隐患。

3.2.3 Alive Counter (Alive)的工作原理

E2E Profile 1中的控制字段Alive Counter (Alive) 是用于检测通信过程中是否存在数据丢失或延迟的一种机制。它的工作原理如下：

Alive Counter 的作用
Alive Counter 是一个计数器，用于跟踪发送方和接收方之间的数据包传输状态。它的主要目的是确保数据包按预期顺序到达，并且没有丢失或重复。
工作原理

发送方：在发送数据包时，发送方会在每个数据包中包含一个 Alive Counter 值。这个值通常是递增的（例如，每次发送后加1）。
接收方：接收方会检查接收到的数据包中的 Alive Counter 值，并与上一次接收到的值进行比较。

检查规则

正常情况：如果接收到的 Alive Counter 值比上一次的值大1，说明数据包按顺序到达，没有丢失。
异常情况：
- 如果 Alive Counter 值没有变化，说明可能发生了重复传输。
- 如果 Alive Counter 值跳跃（例如，增加了2或更多），说明可能有数据包丢失。
- 如果 Alive Counter 值减小，说明可能发生了数据包乱序。

处理异常
当接收方检测到 Alive Counter 异常时，可以根据具体的应用需求采取以下措施：

忽略异常数据包。
触发错误处理机制（例如，重新请求丢失的数据包或重置通信）。
记录错误日志以便后续分析。

Alive Counter 的优势

简单高效：Alive Counter 是一个轻量级的机制，适用于实时性要求较高的系统。
可靠性：能够有效检测数据包丢失、重复和乱序等问题。

应用场景
E2E Profile 1 通常用于汽车电子、工业控制等对通信可靠性要求较高的领域。Alive Counter 是这些系统中确保数据完整性的重要工具。

通过 Alive Counter 机制，E2E Profile 1 能够提供更高的通信可靠性，确保数据在传输过程中不会丢失或损坏。

3.2.4 Timeout 的工作原理

E2E（End-to-End）Profile 1 是 AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）中定义的一种端到端通信保护机制，用于确保在分布式系统中数据传输的完整性和可靠性。E2E Profile 1 主要针对周期性通信，通常用于控制器局域网（CAN）等总线系统中。
在 E2E Profile 1 中，Timeout 是一种用于检测通信故障的机制。它的工作原理如下：

发送方（Sender）：
- 发送方在发送数据时，会为每个数据帧附加一个序列号（Counter）和校验和（CRC）。
- 发送方会定期发送数据帧，并且每次发送时序列号会递增。
接收方（Receiver）：
- 接收方会监控接收到的数据帧，并检查序列号和校验和以确保数据的完整性和正确性。
- 接收方会维护一个计时器（Timeout Timer），用于检测是否在预期的时间内收到了新的数据帧。
Timeout 检测：
- 如果在预定义的超时时间内，接收方没有收到新的数据帧，计时器会超时，接收方会认为通信出现了故障。
- 超时时间通常是根据发送方的发送周期来配置的，确保接收方能够在合理的时间内检测到通信中断。
故障处理：
- 当检测到超时，接收方可以根据系统设计采取相应的措施，例如：
  - 记录错误日志。
  - 触发故障处理机制（如进入安全状态、启用冗余通信等）。
  - 通知上层应用或系统管理器。

- 关键点：

超时时间的配置：超时时间需要根据发送方的发送周期和网络延迟来合理配置，以确保既能及时检测到通信故障，又不会因网络抖动而误报。
序列号的作用：序列号不仅用于检测数据丢失，还可以用于检测数据帧的重复或乱序。
校验和的作用：校验和用于检测数据在传输过程中是否被篡改或损坏。

- 应用场景：

E2E Profile 1 的 Timeout 机制广泛应用于汽车电子系统中，特别是在安全关键的应用中，如刹车系统、动力总成控制等，以确保在这些系统中数据传输的可靠性和及时性。

通过这种机制，系统能够在出现通信故障时及时做出反应，从而提高整个系统的安全性和可靠性。

3.2.5 Sequence Counter (Seq)的工作原理

在E2E（End-to-End）Profile 1中，Sequence Counter (Seq) 是一个用于确保数据完整性和顺序性的控制字段。它的工作原理如下：

Seq字段的作用

顺序性检查：Seq字段用于检测数据帧是否按正确的顺序传输。如果接收方发现Seq字段的值不符合预期，说明数据帧可能丢失或乱序。
重复检测：Seq字段还可以用于检测重复的数据帧，防止同一帧被多次处理。

Seq字段的工作原理

发送方：
- 每发送一个数据帧，Seq字段的值会递增（通常加1）。
- Seq字段的值会随着数据帧一起发送给接收方。
接收方：
- 接收方会维护一个期望的Seq值（Expected Seq）。
- 当接收到一个数据帧时，接收方会检查该帧的Seq字段：
  - 如果Seq等于Expected Seq，说明帧是按顺序到达的，接收方处理该帧，并将Expected Seq加1。
  - 如果Seq大于Expected Seq，说明有帧丢失或乱序。
  - 如果Seq小于Expected Seq，说明是重复帧或旧帧，接收方可以丢弃该帧。

Seq字段的位数

Seq字段的位数通常由协议定义，例如8位或16位。
当Seq值达到最大值时，会回绕到0重新开始。

处理Seq异常

帧丢失：如果接收方检测到Seq值跳跃（Seq > Expected Seq），说明有帧丢失，接收方可以请求重传或记录错误。
重复帧：如果接收方检测到Seq值小于Expected Seq，说明是重复帧，可以直接丢弃。
乱序帧：如果接收方检测到Seq值大于Expected Seq，说明帧可能乱序，接收方可以选择缓存这些帧，等待丢失的帧到达后再处理。

应用场景
Seq字段在E2E通信中非常重要，尤其是在需要高可靠性和顺序性的场景中，例如：

汽车通信（如CAN、FlexRay）
工业控制系统
实时数据传输

总结
Sequence Counter (Seq) 是E2E Profile 1中用于确保数据帧顺序性和完整性的关键字段。通过递增Seq值并在接收方进行验证，可以有效检测帧丢失、重复和乱序问题，从而提高通信的可靠性。

在E2E（End-to-End）Profile 1中，控制字段Length（Len）用于指示数据字段（Data Field）的长度。它的作用是确保接收方能够正确解析和处理传输的数据，尤其是在数据字段长度可变的情况下。

3.2.6 Length (Len)的作用以及工作原理

Length (Len) 的作用：

数据解析：Len字段告诉接收方数据字段中有多少字节需要被解析。这对于可变长度的数据字段尤为重要，因为接收方需要知道从哪里开始和结束对数据的处理。
错误检测：Len字段还可以用于检测数据传输中的错误。如果接收方根据Len字段解析的数据长度与实际接收到的数据长度不一致，可能表明数据在传输过程中发生了错误或丢失。
兼容性：Len字段使得协议能够处理不同长度的数据，提高了协议的灵活性和兼容性。

工作原理：

发送方：
- 在发送数据之前，发送方会计算数据字段的长度，并将该长度值填入Len字段。
- 然后将Len字段和数据字段一起打包发送。
接收方：
- 接收方首先读取Len字段，获取数据字段的长度信息。
- 根据Len字段的值，接收方从数据流中提取相应长度的字节作为数据字段。
- 如果接收到的数据长度与Len字段指示的长度不一致，接收方可以标记错误或采取其他处理措施。

示例：
假设数据字段的长度为10字节，发送方会将Len字段设置为10，然后将Len字段和数据字段一起发送。接收方读取Len字段后，会从数据流中提取接下来的10字节作为数据字段。
注意事项：
Len字段的长度通常是固定的（例如1字节或2字节），因此需要确保数据字段的长度不超过Len字段能够表示的最大值。
在某些实现中，Len字段可能还包括其他信息（如保留位或标志位），因此需要根据具体协议规范进行解析。

通过Len字段，E2E Profile 1能够有效地处理可变长度的数据，并确保数据传输的可靠性和正确性。

在AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）中，E2E（End-to-End）保护机制用于确保通信数据的完整性和可靠性。E2E Profile 1使用CRC-8-SAE J1850算法来生成校验码，并将其附加到通信数据中，以便在接收端验证数据的完整性。

3.2.7 CRC-8-SAE J1850算法简介

CRC-8-SAE J1850是一种8位的循环冗余校验（CRC）算法，其多项式为 0x1D（即 x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1）。该算法通常用于汽车电子系统中的通信协议，如SAE J1850。

3.2.7.1 算法步骤

初始化：CRC寄存器初始化为 0xFF。
逐位处理：对于每个字节的数据，逐位进行处理。对于每个位，进行异或操作，并根据结果决定是否进行多项式除法。
最终处理：处理完所有数据后，对CRC寄存器进行取反操作，得到最终的CRC值。

3.2.7.2 具体参数

CRC-8-SAE J1850是一种用于汽车通信协议（如SAE J1850）的循环冗余校验（CRC）算法。以下是该算法的具体参数：

CRC Result Width: 8 bits
- 说明：CRC计算结果为8位。
Polynomial: 0x1D (x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1)
- 说明：用于计算CRC的多项式，通常以十六进制表示。
Initial Value: 0xFF
- 说明：CRC计算的初始值，通常为0xFF。
Input Data Reflected: No
- 说明：输入数据在计算CRC之前是否进行位反转。对于CRC-8-SAE J1850，输入数据不进行反转。
Result Data Reflected: No
- 说明：CRC计算结果在输出之前是否进行位反转。对于CRC-8-SAE J1850，计算结果不进行反转。
XOR Value: 0xFF
- 说明：在CRC计算完成后，将结果与XOR值进行异或操作。对于CRC-8-SAE J1850，XOR值为0xFF。
Check: 0x4B
- 说明：用于验证CRC计算是否正确的值。例如，对于特定的输入数据，CRC计算结果应为0x4B。
Magic Check: 0x59
- 说明：在某些实现中，用于验证CRC算法的“魔数”检查值。例如，对于特定的输入数据，CRC计算结果应为0x59。

示例计算：
假设输入数据为0x01, 0x02, 0x03，计算CRC-8-SAE J1850的过程如下：

初始化CRC寄存器为0xFF。
对每个字节进行处理，使用多项式0x1D进行CRC计算。
最终CRC结果与0xFF进行异或操作。
得到最终的CRC值。

代码示例（C语言）：

#include <stdint.h>uint8_t crc8_sae_j1850(uint8_t *data, uint8_t length) {uint8_t crc = 0xFF; // Initial valuefor (uint8_t i = 0; i < length; i++) {crc ^= data[i];for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {if (crc & 0x80) {crc = (crc << 1) ^ 0x1D; // Polynomial} else {crc <<= 1;}}}return crc ^ 0xFF; // XOR value
}int main() {uint8_t data[] = {0x01, 0x02, 0x03};uint8_t crc = crc8_sae_j1850(data, 3);// crc should be 0x4B for this examplereturn 0;
}

3.2.7.3 实例示例

假设某车型控制器采用AUTOSAR E2E Profile 1，并且控制字段包括Counter、Data ID和CRC-8-SAE J1850算法，以下是一个简单的通信过程示例：

数据发送端（Sender）

数据准备：
- 发送端准备要发送的数据，假设数据为 Data。
- 生成一个计数器 Counter，用于标识数据的顺序（例如，每次发送数据时计数器递增）。
- 使用 Data ID 标识数据的类型或来源（例如，传感器ID或消息类型）。
CRC计算：
- 将 Counter、Data ID 和 Data 组合成一个数据块。
- 使用 CRC-8-SAE J1850 算法计算该数据块的 CRC 值。
数据封装：
- 将 Counter、Data ID、Data 和 CRC 封装成一个完整的数据帧。
- 示例数据帧结构：
```
| Counter | Data ID | Data | CRC |
```
发送数据：
- 通过通信总线（如CAN、FlexRay等）将封装好的数据帧发送给接收端。

数据接收端（Receiver）

接收数据：
- 接收端从通信总线接收数据帧。
CRC验证：
- 提取接收到的 Counter、Data ID 和 Data。
- 使用 CRC-8-SAE J1850 算法重新计算这些字段的 CRC 值。
- 将计算得到的 CRC 值与接收到的 CRC 值进行比较。
验证结果：
- 如果 CRC 值匹配，说明数据在传输过程中未被篡改，接收端可以继续处理数据。
- 如果 CRC 值不匹配，说明数据可能被篡改或传输过程中出现错误，接收端应丢弃该数据帧，并可能触发错误处理机制（如重传请求或错误日志记录）。
数据处理：
- 如果数据验证通过，接收端根据 Data ID 和 Counter 处理 Data。
- 例如，Data ID 可以指示数据来自哪个传感器，Counter 可以用于确保数据的顺序性。