IP über CAN

Labor für Verteilte Systeme
FH-Wiesbaden
http://wwwvs.cs.hs-rm.de/projekte/ip-ueber-can.pdf
IP über CAN
Beteiligte an der Hochschule
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Prof. Dr. Reinhold Kröger
Dipl.-Inform. (FH), M.Sc. Marcus Thoss
Kooperationspartner
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Siemens AG A&D, Nürnberg
Laufzeit
Beginn: Mai 1998
Ende: Januar 1999
Finanzierung
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80% Siemens AG A&D
20% Zuschuss FHW
Veröffentlichungen
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Patentschrift WO0052706 v. 8.9.2000
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Reinhold Kröger, Marcus Thoss, Martin Gergeleit: "IP über CAN",
Technischer Bericht, Fachhochschule Wiesbaden, Fachbereich
Informatik, 1999.
Kurzbeschreibung
In der Automatisierungstechnik haben sich auf den unteren Netzebenen
mehrere Feldbusprotokolle entwickelt und etabliert, die im Vergleich zu
dem im LAN-Bereich verbreiteten Ethernet durch Echtzeitfähigkeit und
kurze Frame-Längen gekennzeichnet sind. Beispiele solcher Protokolle
sind etwa Profibus und Controller Area Network (CAN). Für die Vertikale
Integration ist von Interesse, mit den standardisierten Internet-Protokollen
von den höheren Netzebenen der Automatisierungspyramide in die
Feldebene vorzudringen.
In diesem Projekt wurde untersucht, inwieweit das standardisierte Internet
Protocol (IP) über den CAN-Bus abgewickelt werden kann. Der verfolgte
Ansatz basiert darauf, den CAN-Bus als Ethernet-Segment erscheinen zu
lassen (vgl. Abb. 1). Dazu werden zwei aufeinander aufbauende
Systemschichten vorgesehen, nämlich eine CAN-Treiber-Schicht zum
Umgang mit der CAN-Hardware und eine überlagerte Ethernet-Schicht.
Letztere hat die Aufgabe, sich nach oben als Ethernet-Karten-Treiber
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verkleidet in den TCP/IP-Stack zu integrieren, Ethernet Frames zu
fragmentieren bzw. zu reassemblieren und die Fragmente nach unten
über die vom CAN-Treiber offerierte Schnittstelle der CAN-Hardware zu
übergeben bzw. von dieser entgegenzunehmen.
Ein Grundproblem der Ethernet-Schicht ist dabei die Zuordnung zwischen
den knotenbezogenen MAC-Adressen in Ethernet Frames und den eher
inhaltsbezogenen CAN Object Identifiers (COB-IDs), wie sie von der
CAN-Hardware für die Adressierung verwendet werden. Die entwickelte
Lösung sieht einen zusätzlichen Knoten als zentrale Instanz im
CAN-Segment vorgesehen, der COB-ID-Server genannt wird und eine
Menge von frei wählbaren COB-IDs verwaltet (vgl. Abb. 2). Hierdurch wird
die Verträglichkeit mit anderen CAN-Protokollen auf dem CAN-Bus
gewährleistet. Die in den Teilnehmerknoten integrierte
Ethernet-Emulationsschicht und der COB-ID-Server implementieren
zusammen ein Protokoll, das die Zuweisung von COB-IDs für
verschiedene Zwecke erlaubt, die Flußkontrolle im Kommunikationsablauf
zwischen den Knoten regelt, und bei Mangel an freien COB-IDs deren
Wiederverwendung ermöglicht. Das entwickelte Verfahren erreicht
insgesamt eine vollständige Emulation eines Ethernet-Segments.
Die dargestellte Architektur bringt große Vorteile mit sich. So ist die
Übertragung über CAN für den TCP/IP-Stack und alle darauf
aufsetzenden Applikationsprotokolle in funktionaler Hinsicht völlig
transparent. Insbesondere bleiben alle Eigenschaften der IP-Ebene, die
der Stack i.d.R. bereitstellt, wie Multicasting, Routing, usw. erhalten.
Anwendungen wird der gewohnte Aufbau einer TCP-Verbindung bzw. die
Übertragung von UDP-Paketen zwischen CAN-Knoten ermöglicht. Hierauf
können bei Bedarf alle höheren Standard-Protokolle der TCP/IP-Familie,
wie HTTP, SMTP, SNMP usw. sowie eigene Netzwerkanwendungen
aufsetzen.
Eine Implementierung des Verfahren erfolgte für die µController-Plattform
Siemens 80C167 unter dem Echtzeitbetriebssystemkern PXROS
(HighTec, Saarbrücken) sowie für übliche PC-Hardware mit zusätzlicher
ISA-CAN-Karte unter Microsoft Windows NT. Zwischen mehreren
PC/Windows NT-Systemen wurden höhere Protokolle wie NT-Filesharing
über CAN erfolgreich demonstriert. Zusätzlich wurden
Leistungskenngrößen für die beiden Plattformen ermittelt, die insgesamt
positiv ausfielen.
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