Software ubiquitärer Systeme - TU Dortmund...CAN-Bus Energie im CAN-Netz (Un-)sicherheit Drahtlos Technologie und Geschichte Bluetooth, RF-Funk, ZigBee Zusammenfassung 02.3 – Hardware:

11

Software ubiquitärer SystemeHardware: Kommunikation

Michael Engel und Olaf SpinczykArbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware

Lehrstuhl für Informatik 12TU Dortmund [email protected]://ess.cs.uni-dortmund.de/~os/

http://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2012/SuS/

mailto:[email protected]

02.3 – Hardware: Kommunikation 22

Inhalt● Grundlagen der Datenübertragung

● Technologieüberblick

● Energiebetrachtung

● Drahtgebunden● KFZ-Bussysteme im Überblick

● CAN-Bus

● Energie im CAN-Netz

● (Un-)sicherheit

● Drahtlos ● Technologie und Geschichte

● Bluetooth, RF-Funk, ZigBee

● Zusammenfassung






● CAN-Bus


● (Un-)sicherheit



● Zusammenfassung


Kommunikationsgrundlagen● Datenübertragung über elektromagnetische Wellen

● ...in Trägermedien (Kabel, Glasfaser)● ...drahtlos

● Direktübertragung digitaler Signale● „Basisband-Übertragung“, z.B. 10Base2-Ethernet● Problem: asynchrone Übertragung ohne expliziten Takt

- siehe serielle Schnittstelle

● Mehrere identische Bits in Folge ergeben konstanten Pegel- Bitgrenzen für Empfänger nicht mehr erkennbar

- Modulation erforderlich,z.B. Manchester-2 beiEthernet

- XOR von Clock-und Datensignal

- Benötigt 2-fache Bandbreitenormaler async. Komm.

(Quelle: Wikipedia)


Kommunikationsgrundlagen● Signale sind oft nicht direkt (Basisband-)übertragbar

● Drahtlose Übertragung von Audio- Basisband: Eine Übertragung gleichzeitig

- Große Antennen wären erforderlich durch geringe Audiofreqenzen (< 15 kHz)

→ Aufmodulation des Datensignals auf „Trägerfrequenz“ erforderlich- Anpassung an die physikalischen

Eigenschaften des Übertragungskanals

● Modulationsarten:- FM: Frequenzmodulation (UKW-Radio)

- AM: Amplitudenmodulation (Mittelwelle)

- PM: Phasenmodulation... und weitere

● Datenübertragungsrate● Begrenzt durch Trägerfrequenz und

phys. Eigenschaften des Trägermediums


Eigenschaften von Trägerfrequenzen● Problem: Konvertierung eines Signals in eine numerische Sequenz

● Funktion, die in Raum und/oder Zeit diskret ist● Grundlage: Nyquist-Shannon-Abtasttheorem [3]:

● Ein kontinuierliches, bandbegrenztes Signal, mit einer Minimalfrequenz von fmin

Hz und einer Maximalfrequenz fmax

, muss mit einer Frequenz größer als

2 x (fmax

– fmin

) abgetastet werden, damit aus dem so erhaltenen zeitdiskreten

Signal das Ursprungssignal ohne Informationsverlust rekonstruiert werden kann

● Nyquist-Shannon-Theorem beschränkt die erreichbare Datenrate● Beispiel: analoge Telefonübertragung

● Leitungen für Frequenzen von 300 bis 3400 Hz ausgelegt → Δf = 3100 Hz● Analoge Modems übertrugen daher ursprünglich nur bis 1200 bit/s


Nyquist-Shannon


QAM● Wie funktionieren Modems mit > 1200 bps?

● Komplexeres Modulationsverfahren: Quadratur-Amplituden-Modulation● Einsatz auch bei WLAN, GSM-Funk...● Zweidimensional: Signalphase und -amplitude

● Unterscheidung: baud (Signalisierungsrate) und bit/s (Datenübertragungsrate)● Baud = Anzahl Signale pro Sekunde● Bit/s = Baud * Bit/Signal

● Darstellung der QAM als Konstellationsdiagramm:

● Denkaufgabe ☺● Wie funktioniert DSL mit

bis zu 16 Mbit/s überTelefonleitungen?


Übertragungsraten und Energie● Anforderung: Lange Batterielaufzeit

● Insbesondere bei Sensornetzwerken- Keine Infrastruktur, hohe Kosten für Installation und Ersatz

- Aber auch bei sonstigen Mobilgeräten

● Stetige Verbesserungen bei Funktionalität, Größe, Energieverbrauch● z.B. Faktor 1,6/Jahr bei Rechenleistung für Signalverarbeitung bei

gleichbleibender Energie

● Aber: Energieverbrauch für Funkübertragung (pro Bit) bleibt ~konstant● Fundamentale Grenze bei Analog-Digital-Wandlung (Shannon,

Maxwell-Theoreme): speed*resolution/power● Es gibt kein Moore’s Law für Batterietechnologie

- Verbesserung ~ 5%/Jahr


Energieverbrauch Funk vs. Prozessor● Energie/Bit >> Energie/Op auch für kurze Entfernungen

● Beispiel Sensorknoten (Berkeley Mote 2, AVR Mikrocontroller):

Empfangen

Senden

110 nJ/Bit

720 nJ/Bit 4 nJ/Op

~ 200 Operationen/Bit

Prozessor

SendenEmpfangen

CodierenDecodieren

Senden

Empfangen

CodierenDecodieren

Übertragung von Tonsignalen Übertragung von Bildsignalen

Quelle: [4]


Energieverbrauch: SendeteilTx: Sender Rx: Empfänger

Übertragungs-kanal

Zu sendendeInformation

EmpfangeneInformation

E elecTx E elec

RxE RFSende-

elektronikEmpfangs-elektronik

Ver-stärker

~ 1 km (GSM)

0

2000

4000

6000

8000

0

100

200

300

0

200

400

600

E elecTx E elec

RxE RF E elecTx E elec

RxE RF E elecTx E elec

RxE RF

nJ/bit nJ/bit nJ/bit

~ 50 m (WLAN) ~ 10 m (Mote)Quelle: [4]


Frequenzbereiche● Nutzung von Funkfrequenzen ist Regulation unterworfen

● Durch die Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen

● Unregulierte Frequenzbänder verfügbar● Ursprünglich: nicht nutzbar wegen Interferenzen von elektrischen

und elektronischen Geräten (z.B. Mikrowelle: 2,4 Ghz)- Deshalb reserviert

● ISM-Bänder (Industry, Science, Medicine)● Kommunikation über ISM-Frequenzbereiche muß Störungen durch

andere Geräte tolerieren können● Lizenz- und anmeldefrei nutzbar● Verschiedene Frequenzbereiche:

- 433.05–434.79 MHz (z.B. RF-Funkchips)

- 2.400–2.500 GHz (z.B. Bluetooth, WLAN 802.11b/g/n, ZigBee...)

● ...und überlastet? Bluetooth, WLAN, ZigBee, ...






● CAN-Bus


● (Un-)sicherheit



● Zusammenfassung


KFZ-Bussysteme: Überblick

Quelle: Der neue Maybach, ATZ/MTZ SonderheftSeptember 2002, Seite 125


KFZ-Bussysteme: Überblick

Quelle: Der neue Maybach, ATZ/MTZ SonderheftSeptember 2002, Seite 125

Typische Netzwerkstruktur in modernen KraftfahrzeugenTypische Netzwerkstruktur in modernen Kraftfahrzeugen


KFZ-Bussysteme: Klassifikation● Geräte haben unterschiedliche Anforderungen

● Einteilung nach SAE (Society of Automotive Engineers):

● Verschiedene Bussysteme erfüllen die Anforderungen● LIN: Klasse A● CAN: Klasse A, B und C● FlexRay: Klasse C● MOST: Klasse D


KFZ-Bussysteme: Klassifikation● Verschiedene Bussysteme im KFZ

● abhängig von der Aufgabe● Auch: Varianten eines Bussystems (CAN Low/High Speed)

Diagnose ISO 9141 K-LineA LIN, SAE J1587/1707B CAN (Low Speed) — “ —C CAN (High Speed)C+Infotainment MOST Multimedia (Audio, Video)

Klasse Bitrate Typischer Vertreter Anwendung< 10 kBit/s Werkstatt- und Abgastester< 25 kBit/s Karosserieelektronik25...125 kBit/s125...1000 kBit/s Antriebsstrang, Fahrwerk, Diagnose> 1 Mbit/s FlexRay, TTP Steer und Brake by Wire> 10 Mbit/s


● Seit 1983 von Bosch entwickelt● Ziel: Reduktion der vorhandenen Kabelbäume im KFZ

● Datendurchsatz bis zu 1 MBit/s● Entwurfsziele

● kleine Controller● kostengünstig● robust● leicht zu konfigurieren und erweitern● automatische Fehlererkennung

● Inzwischen sehr verbreitet● Medizintechnik, nautische Instrumente,

Kontrollsysteme für Fahrstühle,Textilproduzierende Maschinen,Industrieroboter, ...

CAN-Bus [1]


CAN-Bus: Topologie

Device 1Device 1

Transceiver

Controller

Device 2Device 2

Transceiver

Controller

Device 3Device 3

Transceiver

Controller

CANL

CANH

CAN-Bus

120 Ω 120 Ω

- 2 Leitungen (CANL, CANH, verdrillt)- Abschlusswiderstand vermeidet

Reflexionen

- 2 Leitungen (CANL, CANH, verdrillt)- Abschlusswiderstand vermeidet

Reflexionen

10 670020 330050 1300

125 530250 270500 130

1000 40

Bitrate[kbit/s]

Länge[m]

Differentielle Signalübertragung(bei „High-Speed CAN“)

Erreichbare Buslängen

Log. „1“ (sonst)Log. „1“ (sonst)Log. „0“ (Diff.>0.9V)Log. „0“ (Diff.>0.9V)


CAN-Bus: Transceiver● Dient der Anbindung des Busses an einen CAN-Controller

mit Standard TTL-Schnittstelle● Realisiert eine „wired-AND“ Semantik

zum CAN-Controllerzum CAN-Controller

2,5V (Pegel der „1“)2,5V (Pegel der „1“)

Mit diesem Transistorkann jeder BusteilnehmerCANH auf V

CC-Potenzial

bringen.

Mit diesem Transistorkann jeder BusteilnehmerCANH auf V

CC-Potenzial

bringen.

... und hier CANLauf GND.... und hier CANLauf GND.Quelle: Philips Semiconductors


CAN-Bus: Bitcodierung● Non-Return-To-Zero-Kodierung (NRZ)

● Einfachste Leitungskodierung für binäre Signale:„0“ und „1“ werden jeweils durch einen speziellen Signalpegel repräsentiert. Es gibt kein neutrales Symbol („zero symbol“).

● Problem: Nicht jedes Bit besitzt eine Flanke!- Flanken werden für die Synchronisation von Sender und Empfängern

benötigt.

● Verwendung von Bitstuffing● Sorgt für genügend Flanken


CAN-Bus: Bitstuffing● Nach 5 aufeinanderfolgenden gleichwertigen Bits wird ein

anderswertiges eingefügt.


CAN-Bus: Sicherungsschicht● Paketformat nach CAN 2.0A/B:

● Start-Bit (SOF): signalisiert den Anfang einer Botschaft ● Arbitration Field: eindeutige Kennung und Priorität

der Botschaft ● 11 oder 29 Bit (CAN 2.0A bzw. B)● Keine direkte Adressierung von Stationen: Multicasting

● Control-Field: Aufbau, Art und Länge der Botschaft ● Data Field: 0 – 8 Datenbytes● CRC Field: Prüfsumme ● ACK Field: Bestätigung oder Fehler


CAN-Bus: Arbitrierung● Buszugriffsmethode CSMA/CA + AMP

(„arbitration on message priority“)● Busteilnehmer „lauschen“ und senden nicht, solange eine Nachricht

übertragen wird.

● Starten zwei oder mehr Busknoten zur gleichen Zeit mit einer Übertragung, wird die Kollision erkannt. Die Nachricht mit niedrigerer Priorität („arbitration field“) wird abgebrochen.


CAN-Bus: Fehlerbehandlung● Jeder CAN-Controller überprüft beim Empfang Format und

Prüfsumme● Sendet Bestätigung oder Fehlermeldung

● Acknowledgement & End of Frame

● Bei Fehlermeldung ignorieren alle Controller die Botschaft ● Eigener Fehlerzähler protokolliert Fehlermeldungen

● ggf. wird der Bus ausgeschaltet (reaktiviert sich selbstständig)

● Hohe Zuverlässigkeit und schnelle Fehlermeldung

● Automatische Wiederholung von Nachrichten im Fehlerfall


CAN-Bus: Praxis (1)● Nachrichten werden periodisch gesendet

● Jeweils Ist- und Sollzustand für das jeweilige Steuergerät● Die Nachrichtenkennung ist gleichzeitig Priorität und Typ

● Für die höchstpriore Nachricht ist diemaximale Latenz vorhersagbar.● Für andere Nachrichten durch die Periode im Prinzip ebenfalls

Ein CAN-basierter Beschleunigungssensorvon Volkswagen


CAN-Bus: Praxis (2)

Signalverlauf einerBeschleunigungSignalverlauf einerBeschleunigung

Jeweils die letzte Nachrichteines bestimmten TypsJeweils die letzte Nachrichteines bestimmten Typs


CAN-Bus: Energiesparen● Automotive Steuergeräte verfügen i.d.R. über einen

System Basis Chip (SBC)● Regelung und Überwachung der Betriebsspannung

● RESET Generator

● Watchdog

● Bus-Schnittstelle (z.B. CAN oder LIN)

● Aufwachlogik (wake-up logic)

● Der Watchdog schaltet das Steuergerät ab,falls es nicht normal funktioniert.● Software muss den Watchdog-Timer regelmäßig neu aufziehen.

● Durch die Aufwachlogik kann das gesamte Steuergeräte komplett abgeschaltet werden, bis z.B. eine bestimmte CAN-Botschaft eintrifft.


CAN-Bus: (Un-)Sicherheit● CAN-Botschaften in heutigen Fahrzeugen

sind i.d.R. nicht verschlüsselt.● Ausnahme: Neuprogrammierung

● Kennung und Inhalt der CAN-Botschaften sind vertraulich

● Zugriff auf den CAN-Bus ist möglich● Vorgeschriebene OBD2/EOBD-Schnittstelle

● Mindestens für Bastler

● Nachrichtenformat teils leicht zu erraten

● Manipulationen möglich● Kann fatale Folgen haben






● CAN-Bus


● (Un-)sicherheit

● Drahtlos● Technologie und Geschichte


● Zusammenfassung


Funknetzwerke● Übertragung von Daten über Funksignale● Erstes Funknetzwerk: ALOHAnet auf Hawaii (1970)

● Kommunikation zwischen einzelnen Standorten der Univ. Hawaii

● Frequenzmodulation, zwei 100 kHz-Kanäle: ● broadcast channel (413,475 MHz) ● random access channel (407,350 MHz)● Grundlage auch für kabelgebundene Netze wie Ethernet

● Simples Protokoll („Pure Aloha“):● Eine Station, die Daten senden will, sendet

diese direkt● Wenn Nachricht mit anderer Übertragung

kollidiert, „später“ die Sendung wiederholen


ALOHAnet● „Später“ wird bestimmt durch ein sog. „Backoff-Schema“

● Kritische Punkt des Protokolls● Qualität des Schemas beeinflußt signifikant die Effizienz des

Protokolls, die Übertragungskapazität und die Vorhersagbarkeit des Verhaltens

● „Pure Aloha“ hatte einen maximalen Durchsatz von ca. 18,4%- Also wurden 81,6% der gesamten verfügbaren Bandbreite verschwendet

aufgrund von Paketverlust durch Kollisionen

● Stern-Netzwerktopologie, ein zentraler Computer● Reduziert die Anzahl der möglichen Kollisionen

● Weiterentwicklung: „Slotted Aloha“● Einführung diskreter Zeitschlitze● Eine Station darf nur zu Beginn eines Zeitschlitzes Senden

- Reduktion der Anzahl möglicher Kollisionen

● Verbesserung des max. Durchsatzes auf 36,8%


RF-Funk● Senden von Informationen über einfache Funk-Modulatoren

● z.B. via Frequenzmodulation● Oft in ISM-Bändern (z.B. 434 MHz, 868 MHz)

● Niedrige Bitrate, keine Hardware-Unterstützung für höhere Protokolle● Funktionalität wie Medienzugriffskontrolle (MAC, Media Access

Control) und Übertragunssicherung (z.B. CRC) muss in Software realisiert werden

● Übertragungsraten von 9,6...250 kBit/s● Anwendungsgebiete:

- Fernbediente Spielzeuge, drahtloser Alarm, drahtlose Sensoren, Funktastaturen/-mäuse, Hausautomatisierung


RF-Funk-Module: RFM12● RFM12: Einfacher RF-Chip, preisgünstig (ca. 3 Eur) [5]

● SPI Slave-Gerät, 434, 868 und 915 MHz ISM-Band● Frequenzmodulation

- Verschiedene Bereiche innerhalb des jeweiligen Frequenzbandes

- z.B. 430,2400 - 439,7575MHz in Schritten von 2.5kHz

● Frequenzsprung-Anwendungen möglich- In Hardware unterstützt

● Reichweite: 25-30m (915MHz @ 9600 Bit/s indoor), 250m (outdoor)● Datenrate bis 115,2 kBit/s● Befehle über SPI:

- Frequenzeinstellung, Abweichungseinstellung, Sendeenergie und Datenrate


RF-Funk-Module: CC1000● CC1000 (auf EZ430-Chronos): Komplexerer Chip

● SPI Master● Frequenzmodulation, Frequenz von 300 bis 1000 Mhz

- einstellbar in 250 Hz-Schritten

● Datenrate bis 76,8 kBit/s (bei Manchester-Codierung 38,4 kBit/s)- Fehlererkennung bei Manchester-Codierung in Hardware

● „low power“-Anwendungen - 0.2 µA (powerdown mode)

- ~10mA als Empfänger

- Bis zu 15mA beim Senden

● Reichweite - in Gebäude (Stahlbeton)

von 30m bis 60m

- in Luft bis zu 100m


ZigBee● Offener Funknetz-Standard für Personal Area Networks (PANs)

● Physikalischer und MAC-Layer basieren auf IEEE 802.15.4● Verbindung auf Kurzstrecken (10 - 100 m)

● Drei verschiedene Gerätearten („ZigBee Devices“):● End Device: Einfache Geräte wie zum Beispiel Lichtschalter

- implementieren nur einen Teil der ZigBee-Protokolle

- daher auch RFD (Reduced Function Devices) genannt

- melden sich an Router ihrer Wahl an, bilden Sterntopologie.● FFD-Geräte (Full Function Devices)

- melden sich an existierendem Router an

- bilden so ein Netzwerk in Baum-Topologie

- können auch als Router agieren● Coordinator:

- Genau ein Router innerhalb eines PAN ist Coordinator

- Gibt grundlegende Parameter des PAN vor und verwaltet das Netz


Bluetooth● Drahtloses PAN

● IEEE Standard 802.15.1● Entwickelt als Kabelersatz (serielle Schnittstellen)● Energiesparend● Kostengünstig (US$5 pro Chip)● Nahbereich (10m), bis 100m erweitert (BT 2.1)● ISM-Frequenzband (2,4 GHz)

● Struktur: „Piconets“ mit bis zu 7 Geräten● Master-Slave-Paradigma, der Master verwaltet die Verbindungen● Ein Slave-Gerät kann Teil eines oder mehrerer Piconets sein● Ein Master kann auch Slave in einem anderen Piconet sein● Damit ist Routing in sog. „Scatternets“ möglich

- Scatternet = Netzwerk miteinander verbundener Piconets


Bluetooth● Datenrate

● 721 kBit/s (BT1.1)● 2,1 Mbit/s (BT2.0)

● Komplexer Protokollstack● Controller- und Host-Protokolle

● Controller:● ACL (Asynchronous Connection Less) link● SCO (Synchronous Connection Oriented) link● LMP (Link Management Protocol)● HCI (Host/Controller Interface)

● Host:● L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol)● BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol)● RFCOMM (Radio Frequency Communication)● SDP (Service Discovery Protocol) ............


Übertragungsraten und Energie● Verschiedene Netzwerktechnologien für unterschiedliche

Einsatzbereiche● RF: Sensordaten, Sprachübertragung● Bluetooth: Audioübertragung, Synchronisation von Geräten● WLAN 802.11: Audio, Video...

160 mA

22 mA

7 mA

Ruhe-strom

802.11

Bluetooth

RF

Techno-logie

Low430 nJ/bit10 mA76.8 kbps

Medium149 nJ/bit45 mA1 Mbps

90 nJ/bit

Energie pro Bit

300mA

Tx- Strom

High11 Mbps

Startup-zeit

Daten- rate

(nach [2])






● CAN-Bus


● (Un-)sicherheit



● Zusammenfassung


Zusammenfassung● Kommunikation ist zentrales Problem ubiquitärer Systeme

● Drahtlose (Funk-)Kommunikation ist die Regel● Drahtgebundene Kommunikation für begrenzte Aufgaben

● Funkübertragung ist wichtigster Energiefaktor bei Mobilgeräten● Verhältnis Funkenergie zu Energie für Rechenleistung

verschlechtert sich weiter

● Verschiedene Funktechnologien im Einsatz● Auswahlkriterien: Datenrate, Reichweite, Energieverbrauch, Kosten● Unterschiedlicher Software-Aufwand für Netzwerkfunktionen

● Stetige Weiterentwicklung● Aktuell: ZigBee (seit 2005)


Literatur[1] W. Zimmermann, R. Schmidgall, Bussysteme in der Fahrzeugtechnik – Protokolle und Standards, ATZ/MTZ-Fachbuch, Vieweg, ISBN 978-3-8348-0235-4, 3. Aufl., 2008

[2] Andreas Savvides, Yale University: Sensing Platforms and Power Consumption Issues, Lecture Slides

[3] Claude Elwood Shannon: Communication in the Presence of Noise; In: Proc. IRE, Vol. 37, No. 1 (Jan. 1949)

[4] Mani Srivastava: Challenges in Energy-aware Networked Sensor Systems, Lecture Slides, UCLA Networked & Embedded Systems Lab

[5] HOPE RF: RF12 Programming Guide

[6] ChipCon CC1000 Data Sheet

Documents

Software ubiquitärer Systeme - TU Dortmund...CAN-Bus Energie im CAN-Netz (Un-)sicherheit Drahtlos Technologie und Geschichte Bluetooth, RF-Funk, ZigBee Zusammenfassung 02.3 – Hardware: