基于RX62N微控制器的车载以太网通信及安全技术实现

摘要

由于电子技术、通信技术、传感器技术、自动控制技术在汽车中的广泛应用，汽车电子的规模不断扩大，功能日益增强，进而对车内通信网络总线的要求不断提高。以太网技术以其统一的网络标准(TCP/IP)，较高的数据传输率，获得汽车电子、通信以及控制界的广泛重视，因此有必要研究并实现车载环境下实时性好、性能稳定、可靠性高的以太网技术。车载信息系统、电子控制系统和传感器单元越来越频繁地与外部网络进行信息交互，此外，未来车载以太网作为汽车的骨干网络，必定存在网络信息安全的风险。在汽车网络环境中，由于信息安全防范脆弱，但对于安全性又有非常高的要求，车载信息系统的安全问题必须引起足够的重视。
　　本文针对未来车在网络发展需求，研究车载嵌入式以太网通信系统的实现，包括硬件系统设计制作、软件系统移植与开发、系统测试，特别是嵌入式系统的信息安全实现。
　　以瑞萨电子32位微控制器RX62N为核心，设计并实现嵌入式系统硬件平台。包括以太网通信模块、通过SPI总线配置和控制的LCD液晶屏模块、通过IIC总线配置和读取温度传感器、CAN通信以及JTAG调试接口等设计与电路实现。
　　完成μC/OS-Ⅱ和μC/TCP-IP协议的移植，通过开发以太网控制器的驱动，实现嵌入式以太网通信。μC/OS-Ⅱ的移植工作是实现与RX62N微控制器相关的汇编代码。μC/TCP-IP协议的移植工作是根据协议架构，开发设备驱动层代码，实现基于DMA描述符和中断信号量任务机制的网络数据包接收和发送。通过以太网DMA传输，可以极大的提高网络数据包的传输率。完成嵌入式以太网通信的系统测试。通过DHCPc协议和TCP Client-Server套接字应用程序从功能上进行测试;通过代码量和内存空间的使用分析，以及对字节长度不同的数据包平均往返时间进行统计，从性能上进行测试。
　　研究嵌入式以太网信息安全技术，并实现了部分IPsec协议代码的移植和功能测试。IPsec协议是通过认证头(AH)协议和安全封装载荷(ESP)协议保护数据通信的完整性、机密性和可靠性。与其他信息安全系统测试一样，嵌入式以太网信息安全测试难度很大，本文仅测试了已经在软件部分实现的AH和ESP协议功能代码的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 车联网

1．1．2 车联网技术

1．2 车载以太网研究现状和发展趋势

1．2．1 车载以太网研究现状

1．2．2 车载以太网发展趋势

1．3 车载信息安全研究现状和发展趋势

1．3．1 车载信息安全研究现状

1．3．2 车载信息安全未来发展

1．4 研究意义

1．5 研究内容和论文组织安排

第2章 嵌入式以太网通信系统总体设计与实现

2．1 嵌入式以太网通信系统总体设计

2．1．1 硬件系统功能需求分析

2．1．2 硬件总体方案设计

2．2 以太网模块设计与电路实现

2．3 RX62N MCU其它外围模块设计与电路实现

2．3．1 LCD液晶屏模块设计与电路实现

2．3．2 温度传感器模块设计与电路实现

2．3．3 CAN通信模块设计与电路实现

2．3．4 JTAG接口设计与电路实现

2．4 系统印制电路板(PCB)设计

2．5 系统测试

2．6 本章总结

第3章 嵌入式以太网通信实时操作系统

3．1 嵌入式实时操作系统和μC／OS-Ⅱ简介

3．1．1 嵌入式系统和实时操作系统

3．1．2 μC／OS-Ⅱ简介

3．2 μC／OS-Ⅱ系统内核功能

3．2．1 任务创建和调度

3．2．2 信号量

3．2．3 时间管理

3．2．3 存储管理

3．3 μC／OS-Ⅱ系统移植

3．4 本章总结

第4章 嵌入式以太网通信网络协议栈移植

4．1 嵌入式TCP／IP协议

4．2 μC／TCP-IP协议架构

4．2．1 以太网控制器DMA传输机制

4．2．2 零拷贝

4．2．3 μC／TCP-IP协议总体架构

4．3 μC／TCP-IP协议移植

4．3．1 接收数据包

4．3．2 发送数据包

4．3．3 网络缓冲区管理

4．4 系统测试

4．4．1 功能测试

4．4．2 性能分析

4．5 本章总结

第5章 IPsec协议在嵌入式网络通信系统中的实现

5．1 IPsec概述

5．2 IPsec协议架构

5．3 IPsec协议在嵌入式以太网通信系统中的移植

5．3．1 AH协议实现

5．3．2 ESP协议实现

5．4 AH和ESP协议功能测试

5．4．1 AH协议功能测试

5．4．2 ESP协议功能代码测试

5．5 Linux操作系统下基于IPsec协议的VPN配置

5．5．1 Openswan简介

5．5．2 基于IPsec的VPN配置

5．5 本章总结

第6章 总结与展望

6．1 主要工作与创新之处

6．2 进一步工作与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果