[Network] can、isotp 和 isotptun

• 背景介绍
• CAN 协议介绍
• ISO-TP 协议介绍
  • ISO-TP 协议发送数据流程图
  • ISO-TP 协议帧详细设计
    • Single Frame(SF)
    • First Frame(FF)
    • Consecutive Frame(CF)
    • Flow Control Frame(FC)
  • ISO-TP 协议对丢包的处理
• isotptun 介绍
• 相关资源

背景介绍

CAN 是控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发的，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 传输协议提供点对点的通信，在两个 CAN 节点之间通过 CAN ID 来进行通信。如下图所示：

ISO-TP 协议是一个基于 CAN 协议的请求应答协议。ISO-TP 协议是一个不可靠的数据报协议。因此，不支持错误提示，例如：“由于错误的序列号导致了数据包丢失”是没有任何提示的。ISO-TP 协议示意图如下：

isotptun 是基于 ISO-TP 协议的双向 IP 隧道。示意图如下：

CAN 协议介绍

在 Linux 下的 /usr/include/linux/can.h 文件下，可以看到定义的 CAN 帧的结构体：

struct can_frame {
    u32   can_id;
    u8    can_dlc;
    u8    __pad;   /* padding */
    u8    __res0;  /* reserved / padding */
    u8    __res1;  /* reserved / padding */
    u8    data[8];
};

• can_id：是 CAN 帧的标识符。
• can_dlc：是这个 CAN 帧数据的长度，就是 data 字段中保存了几个字节的数据。
• data：就是这个 CAN 帧携带的数据，最多只能携带 8 个字节。
• 其他：其他 3 个字段目前没有用到。

通过上面的结构体，我们可以看到 CAN 帧的结构体非常简单，可以携带的数据量也是少的惊人，只有 8 个字节。 而我们却要在这 8 个字节上面实现一个请求应答协议，真是难以想象。像 TCP 这种复杂的请求应答协议，单单一个头部都至少有 20 个字节的长度。

ISO-TP 协议介绍

ISO-TP 协议 就是在 CAN 协议上面实现的请求应答协议，ISO-TP 协议用一个字节来作为头部，剩下的用来传输数据。ISO-TP 协议一共定义了 4 种帧的类型。

• Single Frame：单帧，发送的数据在一个 CAN 帧里面就可以放得下的时候，可以直接使用单帧。
• First Frame：首帧，发送的数据在一个 CAN 帧里面放不下，需要拆分为多个 CAN 帧时，先发送一个首帧。
• Consecutive Frame：连续帧，在发送完首帧之后，发送连续帧。
• Flow Control：流控帧，在收到对方的首帧之后，回应一个流控帧，对方在收到流控帧之后才能发送连续帧。

因为 ISO-TP 协议是基于 CAN 协议的，所以一共就只有 8 个字节可以使用，ISO-TP 协议是使用第一个字节的前面 4 个比特来表示帧的类型。如下图所示：

因为每一个 CAN 帧都至少使用了一个字节来标识类型，所以基于 8 个字节的 CAN 协议的 ISO-TP 协议开销至少是 1/8 = 12.5%。有一种叫 CAN FD 的扩展 CAN 协议，可以携带高达 64 字节的数据，如果 ISO-TP 协议是基于 CAN FD 的话，那协议的开销就是 1/64 = 1.6%。但是很可惜，windows 下的第三方驱动只支持 8 个字节的经典 CAN 协议。

ISO-TP 协议发送数据流程图

ISO-TP 协议提供了分段、带流控的数据传输、重组这些功能。ISO-TP 协议的主要作用是能够传输大于单个 CAN 帧能够传输的数据。大于单个 CAN 帧的数据会被拆分为多个部分（分段），每个部分都能够通过单个 CAN 帧来传输，接收端对收到的数据进行重组。

下图展示了未被分段的数据传输。

下图展示了分段的数据传输。

ISO-TP 协议帧详细设计

下面我们来看下 ISO-TP 协议 4 个帧的详细设计：

• LLLL：PDU（Protocol Data Unit） 的长度信息。
• NNNN：连续帧中的序列号，一共只有 4 比特，所以数据范围是 0 ~ 15。
• FFFF：流控状态信息。
• Blocksize：0 ~ 15 （0 = disabled）
• STm：Separation Time minimum，最小发送间隔。
• data：PDU payload data，上层要发送的数据。
• n.a.：未分配。
• B[x]：CAN 帧中的第 x 个字节。

Single Frame(SF)

SF 的帧标识是第一个字节的前面 4 个比特，是 0。

SF 的第一个字节后面 4 个比特表示的是帧的数据长度，最大可以表示 2^4 - 1 = 15 字节。一个 CAN 帧才 8 个字节，首部用去了一个字节，所以 SF 最多只能发送 7 个字节的数据。

First Frame(FF)

FF 的帧标识是第一个字节的前面 4 个比特，是 1。

FF 是用第一个字节的后面 4 个比特和第二个字节合起来表示整个 PDU 的数据长度，最大可以表示 2^12 - 1 = 4095 字节。这说明了 ISO-TP 协议 给上层提供的接口中，最大能够发送的数据长度就是 4095，如果超过了这个长度，上层就需要自己来分段。

不过 ISO-TP 协议 这里提供了一种增强版的实现。把表示数据长度的这 12 比特全部置为 0，然后用接下来的 4 个字节来表示整个 PDU 的数据长度，最大可以表示 2^32 - 1 字节（~4GB）。

Consecutive Frame(CF)

CF 的帧标识是第一个字节的前面 4 个比特，是 2。

CF 的第一个字节的后面 4 个比特，表示的是序列号，范围是 0 ~ 15，从 0 开始一直增加到 15，然后再次从 0 开始。

CF 没有表示数据长度的字段的，除了第一个字节之外，剩下的都是数据。只有最后一个 CF 的数据才可能没有填充满。

Flow Control Frame(FC)

FC 的帧标识是第一个字节的前面 4 个比特，是 3。

ISO-TP 协议对丢包的处理

CAN 协议本身存在丢包的可能，在测试的过程中，如果大量发送 CAN 帧，丢包几乎就是必现的情况。所以 ISO-TP 协议里面加入了序列号来处理丢包的情况。

在连续帧中，第一个字节的后面 4 个比特，就是表示序列号，范围是 0 ~ 15，当序列号达到 15 之后就又从 0 开始。在接收端会检查这个序列号是否正确，如果发现错误了，接收端会把之前已经读取到的数据清空，并等待下一个首帧的到来。也就是说接下来收到的所有连续帧都会被丢弃。

总结：一个 PDU 可以被拆分为多个 CAN 帧，一旦出现 CAN 帧丢失，整个 PDU 就会被丢弃。

isotptun 介绍

isotptun 是基于 ISO-TP 协议的双向 IP 隧道。isotptun 启用之后，两个端点之间就可以直接通过 IP 来通信了。那这是怎么实现的呢？

假定我们有如下模块：

• host1, 虚拟网卡1, isotptun1, isotp模块1, can模块1
• host2, 虚拟网卡2, isotptun2, isotp模块2, can模块2

一共涉及两台主机 host1 和 host2。

isotptun1 在 host1 上面创建 虚拟网卡1。

isotptun2 在 host2 上面创建 虚拟网卡2。

isotptun1 把从 虚拟网卡1 读取到的数据写入 isotp模块1。

isotptun1 把从 isotp模块1 读取到的数据写入 虚拟网卡1。

isotptun2 把从 虚拟网卡2 读取到的数据写入 isotp模块2。

isotptun2 把从 isotp模块2 读取到的数据写入 虚拟网卡2。

isotp模块1 和 isotp模块2 的数据最终会通过 can模块1 和 can模块2 进入 CAN bus 总线。通过 CAN ID 来找到对方。

虚拟网卡创建之后，可以给 虚拟网卡1 分配一个 IP 地址 192.168.1.1，给 虚拟网卡2 分配一个 IP 地址 192.168.1.2。当然，你也可以分配其他的 IP 地址，只要两个主机是在同一个网段内就可以。这样，两个主机就像是在同一个局域网内。

缺陷：

1. 由于 CAN 协议本身速度较慢，所以在测试时，速度一般也就只能达到十几 KBytes/s。
2. CAN 协议这里存在丢包的可能，所以一旦丢包，会导致 TCP 大量重传。

问题：上面说 ISO-TP 协议会丢包，那为什么可以用来建立 IP 隧道？

答：只要上层使用基于 TCP 的协议，TCP 本身会重传，所以没有问题。ISO-TP 协议 可以认为是一个类似于数据链路层的协议。那如果你用的是 UDP 协议的话，那数据就是有可能出现丢失。

相关资源

• ISO 15765-2.pdf
• hartkopp/can-isotp
• linux-can/can-utils