从OSI七层网络模型角度了解CAN通信协议

前言：先占个位置，文章内容皆来自网络，我只是搬运工，等后面理解深刻了再进行修文。

CAN通信协议的网络架构基于OSI七层模型进行设计，但实际实现中根据其应用场景（如汽车电子、工业控制等）进行了简化和优化。以下是结合OSI模型从应用层向下的分层解析，及其在CAN协议中的具体实现和应用：

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一、应用层（Application Layer）

功能：定义具体的应用协议，如设备控制指令、诊断服务、数据交互格式等。
CAN实现：

• 自定义应用协议：如工业自动化中的设备控制指令格式。
• 标准化协议：
  • CANopen：实现设备参数配置、实时控制、同步通信等，支持对象字典（Object Dictionary）机制。
  • UDS（ISO 14229）：用于车辆诊断，定义诊断请求与响应格式（如故障码读取、ECU编程）。
• 数据格式：通过PDU（Protocol Data Unit）封装数据，例如通过信号打包/解包处理。

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二、表示层（Presentation Layer）

功能：数据格式转换、加密/解密、压缩/解压。
CAN实现：

• CAN协议本身不直接定义表示层功能，但通过上层协议实现：
  • CANopen：使用对象字典统一数据格式，支持数据类型（如整数、浮点数）的标准化表示。
  • 诊断协议：如UDS中的ASN.1编码规则对诊断数据进行结构化封装。

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三、会话层（Session Layer）

功能：管理通信会话（建立、维护、终止），同步节点间交互。
CAN实现：

• CAN总线无原生会话层，但通过应用层协议扩展：
  • CANopen：通过NMT（网络管理协议）控制节点状态（启动/停止），实现会话管理。
  • 诊断服务：UDS中的会话控制服务（如切换诊断模式）管理通信状态。

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四、传输层（Transport Layer）

功能：端到端的数据可靠传输，处理大数据分片与重组。
CAN实现：

• ISO 15765-2（CAN TP）：
  • 分片与重组：将超过8字节的数据分割为多帧传输（如诊断长报文）。
  • 流控制：通过流控帧（Flow Control Frame）协调发送与接收速率。
• 经典CAN：单帧最大8字节，不涉及传输层分片。

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五、网络层（Network Layer）

功能：数据路由、地址管理与逻辑寻址。
CAN实现：

• 广播通信：默认所有节点接收报文，通过标识符（ID）过滤目标数据、。
• 报文滤波：硬件或软件配置接收过滤器，仅处理特定ID范围的帧。
• 网关功能：通过PDU路由器（如AUTOSAR PduR模块）跨总线转发数据。

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六、数据链路层（Data Link Layer）

功能：帧格式定义、错误检测、仲裁机制、流量控制。
CAN实现（ISO 11898-1）：

• 帧结构：
  • 标准帧（11位ID）与扩展帧（29位ID），支持优先级仲裁。
  • 帧类型：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。
• 仲裁机制：非破坏性位仲裁（显性位覆盖隐性位）。
• 错误处理：CRC校验、位填充、错误帧重传。
• 逻辑链路控制（LLC）：报文过滤与错误恢复。

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七、物理层（Physical Layer）

功能：电气特性、信号编码、总线拓扑。
CAN实现（ISO 11898-2/3）：

• 电气标准：
  • 高速CAN（ISO 11898-2）：1 Mbps，差分信号（显性0: CAN_H=3.5V, CAN_L=1.5V；隐性1: 均2.5V）。
  • 低速容错CAN（ISO 11898-3）：125 kbps，支持单线故障容错。
• 拓扑结构：
  • 闭环总线：终端电阻120Ω，最大长度40m。
  • 开环总线：独立双线，最长1km。
• 同步机制：位定时与采样点配置（SS/PTS/PBS1/PBS2段）。

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总结：CAN协议与OSI模型的对应关系

OSI层	CAN实现	核心标准/协议
应用层	CANopen、UDS、J1939等	ISO 14229, CiA 301
表示层	由应用层协议（如对象字典）实现	CANopen Object Dictionary
会话层	网络管理协议（NMT）、诊断会话控制	CiA 302, ISO 15765
传输层	ISO 15765-2（CAN TP）	ISO 15765-2
网络层	标识符过滤、PDU路由（如AUTOSAR PduR）	ISO 11898-1
数据链路层	帧格式、仲裁、错误检测（ISO 11898-1）	ISO 11898-1
物理层	差分信号、位定时（ISO 11898-2/3）	ISO 11898-2/3

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扩展说明

1. 协议灵活性：CAN仅强制要求物理层和数据链路层，上层协议可根据场景选择（如汽车用UDS，工业用CANopen）。
2. 实时性优化：短帧设计（经典CAN 8字节）和优先级仲裁机制保障实时性。
3. 未来演进：CAN FD支持64字节数据段和可变速率，CAN XL目标2048字节，扩展应用场景。

通过分层架构，CAN实现了从底层电气特性到高层应用协议的完整生态，成为工业与汽车领域的主流通信方案。