Meddig bírja a CAN-hálózat az adatrobbanást? CAN, ZigBee és kiberkérdések

Az autóiparban egyre nagyobb kihívást jelent a növekvő szenzoros adatforgalom kezelése. A modern járművek egyre több érzékelőt alkalmaznak, például LIDAR, radar és kamerarendszereket, valamint az önvezető technológiák, V2X-rendszerek amelyek hatalmas mennyiségű adatot generálnak. A hagyományos CAN buszok azonban idővel nem lesznek képesek hatékonyan kezelni ezt a forgalmat, ami adattorlódásokhoz és késleltetésekhez vezetne, ha addig semmi innováció nem történik. De történik.

A hagyományos CAN busz korlátai miatt az iparágban egyre inkább az Ethernet-alapú megoldások és a TSN (Time-Sensitive Networking) technológiák terjednek, de ezek nem feltétlenül kompatibilisek a meglévő rendszerekkel. A jelenlegi megoldás a Hybrid-BCP-nek nevezett protokoll, amely önállóan dönt az optimális adatútvonalakról, figyelembe véve az aktuális hálózati állapotokat. Ez különösen előnyös a modern járművekben, ahol a rendszernek azonnal reagálnia kell például egy szenzor meghibásodására vagy egy adott adatkommunikációs útvonal torlódására.

Az egyik legnagyobb előnye a Hybrid-BCP-nek, hogy visszafelé kompatibilis, vagyis képes a már meglévő CAN infrastruktúrán működni anélkül, hogy az autógyártóknak teljesen új hálózatokat kellene kiépíteniük. Ez költséghatékony megoldást jelent, miközben lehetővé teszi az adathálózatok korszerűsítését és a nagyobb sávszélesség kihasználását.

De mi ez és hogy néz ki? A kulcsszó: a redundancia.

A Hybrid-BCP protokoll egy olyan hibrid vezetékes és vezeték nélküli adatátviteli rendszer, amelyet az adatkommunikáció optimalizálására alkalmaznak. A rendszer lényege, hogy képes dinamikusan váltani a hagyományos CAN busz és a vezeték nélküli technológiák, például a ZigBee vagy a Wi-Fi között, annak érdekében, hogy a lehető legmegbízhatóbb és leggyorsabb adatátviteli útvonalat biztosítsa. A Hybrid-BCP felépítése két fő hálózati interfészen alapul: a vezetékes kapcsolatok, például a CAN vagy Ethernet interfészek stabil, alacsony késleltetésű kommunikációt tesznek lehetővé, míg a vezeték nélküli kapcsolatok, mint a ZigBee vagy Wi-Fi, rugalmasságot biztosítanak és alternatív útvonalként szolgálnak a torlódások vagy hálózati meghibásodások esetén.

A Hybrid-BCP működése az úgynevezett backpressure-alapú útválasztásra épül, amely egy dinamikus módszer az adatcsomagok továbbítására. Ez a megközelítés azt jelenti, hogy a rendszer nem előre meghatározott útvonalakat használ, hanem valós időben méri a hálózati terhelést és az adatátviteli kapcsolatok minőségét, majd ezek alapján választja ki az optimális útvonalat. Minden csomópont folyamatosan figyeli a környezetét, és az adatok mindig a legkevésbé terhelt vagy legjobb kapcsolatminőségű irányba kerülnek továbbításra. Ha például a CAN busz torlódik, akkor a Hybrid-BCP automatikusan a vezeték nélküli kapcsolatra vált, míg ha a vezeték nélküli kapcsolat interferenciát szenved vagy gyenge, akkor visszatér a vezetékes kommunikációra.

A Hybrid-BCP egyik legfontosabb funkciója a dinamikus teherelosztás (load balancing). Ez biztosítja, hogy az adatforgalom mindig a legkevésbé terhelt útvonalon haladjon, ezáltal csökkentve a hálózati torlódásokat. Ha például a CAN busz terhelése alacsony, akkor a rendszer elsősorban ezen keresztül továbbítja az adatokat. Amennyiben a CAN busz telítődik, a rendszer automatikusan átcsoportosítja a forgalom egy részét a vezeték nélküli kapcsolatokra. Ha egy kibertámadás miatt a CAN busz teljesen blokkolódna, akkor a Hybrid-BCP képes kizárólag vezeték nélküli csatornán folytatni az adatátvitelt. Ezáltal biztosítja a hálózat robusztusságát és ellenálló képességét az olyan zavarokkal és támadásokkal szemben, amelyek egyébként megbénítanák a hagyományos hálózatokat.

A Hybrid-BCP architektúrája többrétegű, és több komponens együttműködésén alapul. Az útválasztó modul (Routing Engine) számítja ki az optimális adatátviteli útvonalakat a valós idejű hálózati mérések alapján. A vezetékes és vezeték nélküli kommunikációs rétegek biztosítják a kapcsolatokat a CAN busz, Ethernet vagy vezeték nélküli interfészek, például ZigBee vagy Wi-Fi között. A Forwarding Engine felelős az adatcsomagok küldéséért és fogadásáért, beleértve az átvitel megerősítését szolgáló (ACK) üzenetek kezelését. Ha egy csomópont nem tudja az adatokat továbbítani, a rendszer automatikusan újratervezi az útvonalat. A Beacon Controller, vagyis a jelfigyelő rendszer, periodikusan küld információkat a hálózati állapotokról a csomópontok között, így biztosítva, hogy minden eszköz naprakész adatok alapján döntsön az adatátvitelről.

Ez a dinamikus alkalmazkodóképesség különösen fontos a modern járműhálózatokban, ahol a rendszernek gyorsan és megbízhatóan kell reagálnia a környezeti változásokra, minimalizálva a hálózati interferenciából vagy kibertámadásokból adódó problémákat. A CAN buszok különösen érzékenyek a szolgáltatásmegtagadási (DoS) támadásokra, mivel egy „rosszindulatú csomópont” folyamatos magas prioritású üzenetekkel blokkolhatja az alacsonyabb prioritású adatokat, de a Hybrid-BCP innovatív megoldásként ilyen esetekben alternatív útvonalakat talál.

A Zigbee lehetővé teszi a vezeték nélküli szenzorok egyszerűbb integrációját, csökkentve ezzel a kábelezési igényt és a jármű tömegét, ami hozzájárul a tüzelőanyag-takarékossághoz és az alacsonyabb gyártási költségekhez. A Zigbee hálózat mesh topológiát használ, amelyben az eszközök közvetlenül, dinamikusan és hierarchia nélkül kommunikálnak egymással, biztosítva az adatok több útvonalon történő továbbítását; a hálózat bővíthető új eszközök hozzáadásával, amelyek routerként továbbítják az adatokat.

A Hybrid-BCP és a Zigbee mesh hálózat kombinációja különösen előnyös a modern járművekben, ahol a rendszernek azonnal reagálnia kell a hálózati torlódásokra, a vezeték nélküli interferenciára vagy egy adott érzékelő meghibásodására. A megoldás a járművek közötti (V2V) és a jármű-infrastruktúra (V2I) kommunikációban is kulcsszerepet játszik, mivel az intelligens útválasztásnak és az alternatív adatátviteli lehetőségeknek köszönhetően folyamatos, stabil kapcsolatot biztosít a gyorsan változó közlekedési környezetben.

A jövőben az autóipari és kiberbiztonsági fejlesztések egyaránt arra fognak törekedni, hogy a vezeték nélküli kommunikációs rendszerek egyre ellenállóbbá váljanak az RF (rádiófrekvenciás) zavarásokkal szemben. Ennek eléréséhez számos technológiai innováció és adaptív megoldás kerülhet bevezetésre, amelyek célja a folyamatos és biztonságos adatátvitel fenntartása, még zavarás alatt is.

A teljes tanulmány itt érhető el: https://arxiv.org/pdf/1509.02153

Forrás: Cornell University, researchgate.net