Bewertung der CAN-XL-Fehlererkennung

Das Institut für Computerarchitektur und Systemprogrammierung (ICAS) der Universität Kassel, hat die CAN-XL-Datenverbindungsschicht untersucht, die in CiA 610-1 spezifiziert ist. Über ein halbes Jahr, haben Prof. Dr. Josef Börcsök und sein Team, die Fehlererkennungsmechanismen des CAN XL-Protokolls evaluiert. Der abschließende Forschungsbericht, enthält auch eine qualitative Bewertung der Restfehlerwahrscheinlichkeit.

Mitglieder von CAN in Automation (CiA) haben die CAN-XL entwickelt. Diese dritte Generation des CAN-Protokolls ist im Dokument CiA 610-1 (CAN XL data link layer and physical coding sub-layer requirements) spezifiziert. Die Datenverbindungsschicht (engl. data link layer, DLL) ist im siebenschichtigen OSI-Modell der zweite Layer. Sie bietet die funktionalen und prozeduralen Mittel zur Übertragung von Frames zwischen Netzwerkeinheiten (Knoten) und sie erkennt Fehler, die in der physikalischen Schicht auftreten. Frames, oder DLL-Protocol Data Units (PDUs), überschreiten nicht die Grenzen eines Netzwerksegments. Inter-Network-Routing und globale Adressierung, sind Funktionen der höheren Schichten, die es DLL-Protokollen ermöglichen, sich auf die lokale Zustellung, die Adressierung und die Buszuteilung zu konzentrieren. Die Datenverbindungsschicht ist sozusagen der Dorfpolizist, der den Zugang zu einem Medium im Ort regelt.


CAN XL, die dritte CAN-Generation, verfügt über zwei CRC-Polynome, eine Stuff-Bit-Prüfung sowie Frame-Format-Prüfungen. Die Forscher der Universität Kassel kamen zu dem Schluss: „Das CAN XL-Protokoll verbessert die Zuverlässigkeit durch kaskadierte Cyclic Redundancy Checks (CRCs). Dabei hat der MAC-Frame zwei CRC-Felder: den 13-Bit Preface-CRC (PCRC) und den 32-Bit Frame-CRC (FCRC). Die CRCs sind kaskadiert, so dass die FCRC auch die PCRC schützt. Gemeinsam können beide CRCs, fünf beliebige, zufällig verteilte Bitfehler erkennen.“ Das entspricht einer Hamming-Distanz von 6. „Die Formatprüfungen und die Stuff-Bit-Prüfungen, stellen zusätzlich die Erkennung von Fehlern in einem Frame sicher. Dabei werden nicht nur Fehler in den Formatfeldern und den Stuff-Bits erkannt, sondern zum Teil auch die Fehler in den verbleibenden Bits, die zu einer Verfälschung der Werte in den Formatfeldern und Stuff-Bits führen können.“

Die Forscher entwickelten neue Formeln für die Berechnung der Restfehlerrate (engl. residual error rate, RER), um die erweiterten Fehlererkennungsmaßnahmen in CAN XL zu berücksichtigen. Auf diese Weise, kann man die RER für ein gegebenes CAN-XL-Netzwerk berechnen. Die Abbildung zeigt ein Beispiel.

Die Forscher betonen, dass aufgrund der Worst-Case-Annahmen der Werte einiger Parameter bei der Entwicklung der Formel, sowie bei der Berechnung der Endwerte, sich eine konservative Abschätzung des RER ergibt.

Um die Abschätzung des oberen Grenzwertes genauer zu berechnen, kann das Kanalmodell verbessert werden. So kann den in einem Netzwerk auftretenden Fehlern wie Burstlänge, Dauer einer Störung und Bitfehlerrate besser entsprochen werden. Weiterhin kann die Abschätzung, mehr Merkmale der FCRC- und PCRC-Polynome berücksichtigen. Bei der Berechnung der Werte, sollte berücksichtigt werden, dass der FCRC für die Blocklänge bis 274 Bit sogar eine Hamming-Distanz von mindestens 8 besitzt. Für Blocklängen mit mehr als 275 Bit, beträgt die Hamming-Distanz mindestens 6. Das bedeutet, dass fünf zufällig-verteilte Bitfehler erkannt werden.

„Der Bericht kommt zum Ergebnis, dass CAN XL mindestens so zuverlässig ist wie konkurrierende Datenverbindungschichten,“ sagte Holger Zeltwanger, CiA Managing Director. „Dies ist eine sehr konservative Einschätzung.“

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