【CAN安全性加固】：基于ISO 11898-2标准的网络安全防护措施

 # 摘要 本文首先概述了CAN总线技术及ISO 11898-2标准，随后深入分析了CAN总线的安全理论基础，包括其基本原理、标准技术细节以及安全性威胁与风险评估。通过研究基于ISO 11898-2的CAN安全性加固实践，探讨了安全通信策略、物理层保护措施和软件层安全防护技术。案例分析章节着重于工业和汽车行业应用中CAN安全加固的实现及其效果。最后，文章总结了当前CAN安全性加固技术的现状，并对未来技术进步和新兴技术在CAN安全领域应用的潜力进行了展望。 # 关键字 CAN总线；ISO 11898-2标准；安全理论；风险评估；安全加固实践；案例分析 参考资源链接：[ISO 11898-2-2016.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/6412b71ebe7fbd1778d49270?spm=1055.2635.3001.10343) # 1. CAN总线与ISO 11898-2标准概述 ## 1.1 CAN总线简介 控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）总线是一种被广泛应用于各种电子控制单元（ECU）之间的高速串行通信协议。它由德国Bosch公司开发，最初是为汽车内部通信而设计，但由于其高可靠性和灵活性，现已在工业自动化、医疗设备、航空航天等领域得到了广泛应用。 ## 1.2 ISO 11898-2标准 在众多的CAN总线标准中，ISO 11898-2标准专门定义了高速CAN网络的物理层特性。此标准规定了总线电气特性，包括信号电平、位时间、同步机制等，确保不同制造商的设备能够互操作。 ## 1.3 CAN总线的优势 CAN总线技术的优势在于它提供了多主控制，允许多个控制单元共享信息，同时具备非破坏性总线仲裁技术，有效解决了总线冲突问题。它还支持差错检测与处理，包括循环冗余检查（CRC）和帧检查序列（FCS），确保数据传输的准确性与完整性。 # 2. CAN总线安全理论基础 ### 2.1 CAN总线的基本原理 #### 2.1.1 CAN协议架构与报文格式 CAN（Controller Area Network）总线是一种被广泛使用的、高效的数据通信协议，它最初是由德国汽车公司博世在1980年代初期开发的。CAN协议在设计之初就考虑到了实时性和安全性的要求，广泛应用于汽车、航空、工业自动化等对数据实时性和准确性要求极高的领域。 CAN协议的核心是基于报文的传输，它的报文格式是经过精心设计的，以确保信息能够在网络上迅速且可靠地传递。CAN报文具有以下特点： - **ID的优先级**: CAN报文通过一个唯一的标识符（ID）来标识，这个标识符也决定了报文的优先级，数值越小的ID拥有越高的优先级。 - **非破坏性的仲裁**: 当多个节点尝试同时发送数据时，通过ID的非破坏性仲裁机制，确保优先级高的节点能够胜出，优先发送数据。 - **错误检测与处理**: CAN协议支持自动错误检测和识别机制，如循环冗余检查（CRC）、帧检查和报文监控等，确保数据的准确性。 - **数据长度**: 一个标准的CAN报文最多可以传输8个字节的数据。 ```plaintext +---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ | Start of Frame | Identifier | RTR | IDE | R0 | DLC | Data | CRC | ACK | End of Frame | +---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+---------+ ``` 每个部分都有其特殊的作用： - **SOF（Start of Frame）**: 标志报文的开始。 - **Identifier**: 用于定义报文的优先级，并指示报文的发送者和内容。 - **RTR（Remote Transmission Request）**: 标识报文是否为请求类型。 - **IDE（Identifier Extension）**: 指示是否使用标准标识符还是扩展标识符。 - **R0**: 保留位，通常被设为0。 - **DLC（Data Length Code）**: 指示随后数据字段的字节数。 - **Data**: 携带实际数据，长度从0到8字节不等。 - **CRC（Cyclic Redundancy Check）**: 用于检测和识别报文中的错误。 - **ACK（Acknowledgement）**: 用于确认报文是否被正确接收。 #### 2.1.2 CAN网络的拓扑结构与传输介质 CAN网络的拓扑结构通常为总线型或星型结构。总线型结构中，所有的节点都连接在同一条总线上，这种结构简单且成本低，但同时对信号的质量要求更高。星型结构则通过集中式连接器，将各个节点连接到中央集线器，这种结构可以减少信号反射，增强网络的稳定性，但成本较高。 传输介质的类型也对网络性能有影响。最常用的介质是双绞线，也有使用屏蔽双绞线或同轴电缆的情况。双绞线的优点是成本低，抗干扰性能良好，适用于大多数工业和汽车环境。在恶劣的电磁环境中，如航空航天领域，可能会选择使用屏蔽电缆以进一步减少干扰。 值得注意的是，无论哪种介质，网络的终端电阻都至关重要。总线两端必须匹配适当的终端电阻以吸收信号，防止反射。终端电阻的阻值通常为120欧姆，以适应ISO 11898标准。 ### 2.2 ISO 11898-2标准详解 #### 2.2.1 标准的起源和核心要求 ISO 11898-2是国际标准化组织为CAN总线制定的标准之一，专门针对高速CAN网络（最高可达1Mbps）的物理层进行了规定。该标准为保证CAN通信的可靠性、稳定性和抗干扰能力提供了明确的技术要求。 ISO 11898-2标准的主要内容包括： - **信号电平规范**：定义了CAN网络上的高电平（Recessive）和低电平（Dominant）的电平范围。 - **差分信号传输**：采用了差分信号传输技术，即发送节点同时发送正负两个信号，接收节点对这两个信号进行差分接收，极大地提高了信号的抗干扰能力。 - **终端匹配**：规定了网络两端必须有终端匹配电阻，以减少信号反射。 - **电气特性**：详细规定了电压范围、信号速率、传输介质等电气特性参数。 该标准的核心要求之一是确保CAN网络在不同的电气和物理条件下都能保持稳定的通信。为此，ISO 11898-2标准严格限定了信号的电气特性，比如差分信号的电压差应该大于0.9V来表示逻辑“0”（Dominant），小于0.5V来表示逻辑“1”（Recessive）。标准的这些规定使不同制造商生产的CAN设备能够无缝集成和兼容。 #### 2.2.2 数据链路层与物理层的技术细节 在CAN网络的OSI模型中，ISO 11898-2标准主要涉及物理层和数据链路层的底层（MAC，Medium Access Control），而数据链路层的上层通常由CAN 2.0A和CAN 2.0B标准（也就是ISO 11898-3）定义。 物理层包含的详细技术细节如下： - **信号电平和物理接口**: 标准规定CANH和CANL两条线路分别维持在2.5V和2.5V的差分电平，以表示无信号状态（即Recessive状态）。当某一节点发送Dominant信号时，会将CANH拉高至3.5V以上，同时将CANL拉低至1.5V以下。 - **差分驱动和接收器**: 为了保证信号的完整性，发送端使用差分驱动器发送信号，接收端使用差分接收器来识别信号电平。 - **阻抗匹配**: 终端电阻的阻值必须精确匹配120欧姆，以避免由于阻抗失配引起的信号反射问题。 数据链路层负责处理报文的封装和解析，它使用非破坏性仲裁机制来保证数据在网络中的传输不会发生冲突。数据链路层确保了数据的完整性和顺序性，同时对错误进行检测和处理。 ### 2.3 安全性威胁与风险评估 #### 2.3.1 常见的CAN总线安全威胁 随着对CAN网络依赖性的增加，其潜在的安全威胁也逐渐被广泛认识。常见的安全威胁包括： - **报文篡改**: 攻击者可能会篡改CAN报文，导致控制指令的误操作，产生安全隐患。 - **拒绝服务攻击(DoS)**: 通过持续发送大量无效报文，使得有效报文无法传输，导致网络拥堵甚至暂时失效。 - **重放攻击**: 攻击者记录下CAN报文，然后在某个时点重新发送这些报文，以达到欺骗系统的目的。 - **物理层攻击**: 对CAN网络的物理层设备进行干扰或破