CAN協(xié)議的錯(cuò)幀漏檢率改進(jìn)

當(dāng)數(shù)據(jù)在傳送中出錯(cuò)，且錯(cuò)幀被漏檢時(shí)，就意味著錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)被送到應(yīng)用層，除非應(yīng)用層有額外的數(shù)據(jù)識(shí)別措施，這個(gè)數(shù)據(jù)就可能引起不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。CAN協(xié)議聲稱有很低的錯(cuò)幀漏檢率(4.7×10-11×出錯(cuò)率)[1]，有的宣傳材料在一定條件下推出要1000年才有1次漏檢，這是不正確的。錯(cuò)幀漏檢率是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，很多應(yīng)用就是看到Bosch CAN2.0規(guī)范上的說(shuō)明才選用CAN的。但是對(duì)這個(gè)指標(biāo)的來(lái)源僅有極少的公開(kāi)資料[2]，以及很少的討論[3]，使用戶很難對(duì)它確認(rèn)或驗(yàn)證，這給用戶帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。本文采用了重構(gòu)出錯(cuò)漏檢實(shí)例的方法，導(dǎo)出了CAN的漏檢錯(cuò)幀概率下限，它比CAN聲稱的要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在許多應(yīng)用中，CAN已是可靠性和價(jià)格平衡下的不二選擇，或者已被長(zhǎng)期生產(chǎn)和使用，面對(duì)這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在CAN本身未作改進(jìn)之前，迫切需要一種“補(bǔ)丁”來(lái)加以改善。由于篇幅有限，所以只能摘要介紹錯(cuò)幀漏檢率的推導(dǎo)過(guò)程，重點(diǎn)在提供解決方案。

1 關(guān)于CAN漏檢錯(cuò)幀概率文獻(xiàn)的討論

Bosch CAN2.0規(guī)范[1]說(shuō)它的漏檢錯(cuò)幀概率小于錯(cuò)幀率(message error rate)×4.7×10-11。它的來(lái)源見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]，其中沒(méi)有提供產(chǎn)生漏檢的分析算法，僅提到用大量仿真得到了公式。要判斷一個(gè)幀出錯(cuò)后是否會(huì)漏檢，至少要計(jì)算2次CRC，對(duì)每一bit僅就匯編語(yǔ)言也需要幾條指令，以該文考慮的80～90 bit的幀，CRC覆蓋58～66 bit就要循環(huán)58～66次，以1989年時(shí)常用的PDP11或VAX機(jī)，一條機(jī)器指令要0.1 μs左右，一幀的判斷要0.07 ms，即使不停機(jī)做一年，能作2.20×1011幀，考慮58 bit可構(gòu)成258=2.88×1017種不同的幀，再加有58×57種不同的加入2位bit錯(cuò)的位置組合，所以能作的仿真只是可能情況的微乎其微的一部分(百萬(wàn)分之一)。由于樣本太小，歸納的公式也就很難把影響因素考慮完整。

1999年Tran[3]對(duì)錯(cuò)幀漏檢率也作了研究，鑒于分析困難，他也采用計(jì)算機(jī)大量仿真的辦法，針對(duì)11位ID 、8字節(jié)數(shù)據(jù)幀，他用的是600 MB的Alpha服務(wù)器。與上述討論一樣，雖然仿真量很大，仍然是可能情況的極小部分。

CAN有關(guān)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CANopen Draft Standard 304 (2005)給出的錯(cuò)幀漏檢率是(7.2×10-9)[4]。同樣來(lái)自CAN自動(dòng)化協(xié)會(huì)的不同數(shù)據(jù)，使人無(wú)可適從。

2 新錯(cuò)幀漏檢率的導(dǎo)出

本文的研究方法是構(gòu)造出漏檢的實(shí)例，確定該種實(shí)例占可能的幀的概率，乘以與該實(shí)例相應(yīng)的出多位錯(cuò)的概率，然后求出所有可能的實(shí)例，得到CAN的錯(cuò)幀漏檢率。本文對(duì)最有可能造成漏檢的二位錯(cuò)情況進(jìn)行分析，然后擴(kuò)大為有多位錯(cuò)。數(shù)據(jù)域取8字節(jié)，并假定錯(cuò)都發(fā)生在數(shù)據(jù)域內(nèi)。它并沒(méi)有將超過(guò)CRC校驗(yàn)?zāi)芰r(shí)的分散的多bit錯(cuò)漏檢率考慮進(jìn)去，所以得到的是漏檢錯(cuò)幀概率的下界。

2.1 CAN位填充中有錯(cuò)時(shí)的位序錯(cuò)開(kāi)

在有可能產(chǎn)生填充的位流中有bit錯(cuò)時(shí)，就有可能造成發(fā)送方與接收方只有一方執(zhí)行填充規(guī)則，造成填充位與信息位理解的錯(cuò)亂。圖1(a)的第3位傳送中出錯(cuò)，結(jié)果發(fā)送方的填充位1被接收方誤讀為數(shù)據(jù)1，整個(gè)接收數(shù)據(jù)比發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)了1位。圖1(b)的第3位傳送中的錯(cuò)使接收方產(chǎn)生了刪除填充位的條件，因此它把發(fā)送的數(shù)據(jù)1刪去，接收數(shù)據(jù)流短了1位。

圖1 CAN的位填充規(guī)則使出錯(cuò)后接收位流變化

從位流變化可以知道，如果發(fā)生的2個(gè)bit錯(cuò)正好一次是圖1(a)的類型，一次是圖1(b)的類型，那么發(fā)送數(shù)據(jù)流和接收數(shù)據(jù)流的長(zhǎng)度將仍然相等，如果2個(gè)錯(cuò)都發(fā)生在數(shù)據(jù)域，CAN的其他檢驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)不了它們的。

2.2 發(fā)生漏檢的條件

發(fā)送的位流與接收的位流可寫(xiě)為多項(xiàng)式形式Tx(x)和Rx(x)，CRC檢驗(yàn)就是用CAN的生成多項(xiàng)式G(x)除這2個(gè)式子，得到的余數(shù)稱為CRC值，如果2個(gè)余數(shù)相同，CRC檢驗(yàn)通過(guò)。當(dāng)發(fā)生傳送錯(cuò)誤，Rx (x)= Tx(x)+U(x)×G(x)時(shí)，對(duì)Tx(x)和Rx(x)求到的余數(shù)是相同的，這時(shí)就發(fā)生了錯(cuò)幀的漏檢。因此只要找到U(x)，就可以構(gòu)造出漏檢的實(shí)例。

2.3 由Ec(x)尾部確定漏錯(cuò)多項(xiàng)式U(x)

為了使讀者了解推導(dǎo)過(guò)程的合理性，以下是舉例。在前面已經(jīng)發(fā)生過(guò)圖1(b)的錯(cuò)后，Tx的i位被Rx收到為第i-1位。尾部發(fā)生的錯(cuò)對(duì)應(yīng)圖1(a)的情況如圖2所示。圖中Tx的這6位構(gòu)成漏檢實(shí)例的尾部，第1位1用于隔離前面位值的影響，使后面5位0后一定產(chǎn)生填充位。由于傳送中有錯(cuò)，Rx不再有連續(xù)5位0。Tx的填充位被Rx視為數(shù)據(jù)位，Rx和Tx就對(duì)齊，在此以后的傳送不再有位序錯(cuò)。由bit錯(cuò)發(fā)生位置的不同，Rx也不同，錯(cuò)誤序列Ec也不同。這個(gè)Ec也是整個(gè)錯(cuò)誤序列的尾部，用Ec,t表示。由圖2可以看到，共有5種不同的錯(cuò)誤序列尾部。顯然，將Tx中的0/1取反并不改變錯(cuò)誤序列尾部Ec,t的形式。

圖2 第2個(gè)傳送錯(cuò)造成填充位誤讀為信息位的5種漏檢錯(cuò)序列尾部形式

在已知錯(cuò)誤序列尾部形式Ec,t后便可以求出滿足它的漏錯(cuò)多項(xiàng)式尾部Ut。將各多項(xiàng)式的系數(shù)表示為：

為滿足Ec,t=G×Ut的尾部，那么系數(shù)有如下關(guān)系：

實(shí)際上將Ec,t、G均作逆序排列：

類似于求CRC值時(shí)的方法，將Ec,tR×x5除以GR就可以得到Ut的逆序系數(shù)，也就得到了Ut。由CAN生成多項(xiàng)式G的系數(shù)(1100，0101，1001，1001)以及Ec,t系數(shù)便得到了滿足錯(cuò)誤序列尾部形式的漏錯(cuò)多項(xiàng)式Ut，如表1所列。