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E-Book

IPv6 in der Automobil-Industrie

Programmierung von Kfz-Steuergeräten

AutorKlaus Erlenbach
VerlagDiplomica Verlag GmbH
Erscheinungsjahr2009
Seitenanzahl142 Seiten
ISBN9783836621564
FormatPDF
Kopierschutzkein Kopierschutz/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis34,99 EUR
IPv4 ist das gegenwärtig am meisten genutzte Internet-Protokoll. Problematisch ist allerdings der auf 32 Bit begrenzte Adressraum, welcher eine maximale Anzahl von 4,295 Milliarden Geräten adressieren kann. Mit dem Wirtschaftsboom in Asien und dem Bedarf an IP-Adressen für mobile Endgeräte, für Haushaltsgeräte (Kühlschrank), Sensor-Netzwerke für Brücken, Häuser oder RFID-Chips und in Zukunft auch für Fernsehgeräte und Kfz-Fahrzeuge, steigt der Bedarf an IP-Adressen rapide an. Bereits 1993 begann man daher mit der Entwicklung von TCP/IP-Version 6. IPv6 bietet einen Adressbereich von 128 Bit. Damit kann man wesentlich mehr Rechner im Internet mit IP-Adressen versehen: ca. 340 Sextillionen! Es können also rein rechnerisch für jeden Quadratmillimeter Oberfläche der Erde ungefähr 667 Billiarden IPv6-Adressen zur Verfügung gestellt werden. Da die Umstellung von IPv4 auf IPv6 kontinuierlich verlaufen soll, sind bereits viele Geräte mit einer Dual-Stack-Implementierung ausgestattet, d.h. sie verfügen über beide Protokollvarianten. Auch die Automobil-Branche ist betroffen. Es gibt bereits heute Kfz-Steuergeräte, welche für die Diagnoseschnittstelle des Fahrzeugs das IPv4-Protokoll zur Übertragung der Daten einsetzen. Diese Steuergeräte bestehen aus Mikrocontrollern, die häufig Einschränkungen wie geringe Prozessorleistung und wenig Speicher unterliegen. Die Implementierung eines so komplexen Protokolls wie IPv6 wird in dieser Umgebung zu einer echten Herausforderung. In diesem Buch wird anhand einem konkreten Beispiel gezeigt, wie die Embedded-Software eines IPv4-Protokollstacks zu einem IPv4/IPv6-Dualstack erweitert werden kann.

Klaus Erlenbach, M.Eng, Dipl.Inf(FH), Master-Studiengang an der Georg-Simon-Ohm Hochschule in Nürnberg, Abschluss 2007 als Master of Engineering in Softwareengineering und Informationstechnik. Seit 1990 in in der IT-Branche als Softwareentwickler tätig. Derzeit freiberuflicher Softwareentwickler und Berater für Softwareentwicklungsprozesse im Bereich Automotive.

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Leseprobe
Kapitel 4.6, IPv6: In diesem Kapitel werden die Neuerungen des zukünftigen Internet-Protokolls IPv6 vorgestellt. Warum IPv6? Durch das Wachstum des Internets stößt der Adressraum von IPv4 mit nur 32 Bit-Adressbreite in wenigen Jahren an seine Grenzen. Darüber hinaus besteht zunehmend der Wunsch nach verbesserten Sicherheitsfunktionen sowie Multimedia- und Echtzeitanwendungen. Mit der Einführung von IP in der Version 6 (IPv6) sollen diese Schwächen abgeschafft werden. Zu erwähnen ist, dass die IP Version 5 für das Stream Protokoll (ST) reserviert wurde. IPv6 stellt somit die nächste Generation von IPv4 dar. Neben dem erweiterten Adressraum steht mit IPv6 ein Protokoll zur Verfügung, das die Konfiguration und Verwaltung von Local-Area-Networks (LAN) und Wide-Area-Networks (WAN) an aktuelle und absehbare zukünftige Gegebenheiten anpasst. Da die Umstellung von IPv4 auf IPv6 kontinuierlich verlaufen soll, sind bereits viele Maschinen mit einer Dual-Stack-Implementierung ausgestattet, d.h. sie verfügen über beide Protokollvarianten. Änderungen gegenüber IPv4: Obwohl viele Grundfunktionen von IPv4 beibehalten wurden, sind zahlreiche zukunftssichere Neuerungen definiert worden. Die wesentlichen Änderungen betreffen: 1. Mehr Adressen: Der Adressraum wurde um den Faktor 296 vergrößert. Es stehen somit statt der bisher 32 Bit nun 128 Bit für die Adressen bereit. 2. Neues Header-Format: Das Format des IPv6-Headers wurde fast vollständig geändert. Statt der bisherigen 13 Felder enthält er nur noch 7. Durch diese Vereinfachung wird es Routern ermöglicht, Pakete schneller zu verarbeiten, da unter anderem die Berechnung der Prüfsumme in höhere Protokollschichten verlagert wird. Optionen, welche bei IPv4 noch alle im IP-Header integriert waren, werden nun als eigener Header realisiert. Ein Datagramm besteht somit aus einem Basis-Header und mehreren Zusatz-Headern gefolgt von den Nutzdaten. Durch die daraus resultierende feste Länge des IPv6-Headers können die Datagramme schneller von den Routern verarbeitet werden. 3. Mehr Sicherheit: IPv6 führt die Verschlüsselung der 'Nutzlast' und die Echtheitsprüfung von Adressat und Absender auf Netzwerkebene ein. Dies erlaubt eine manipulations- und abhörsichere Übertragung auf jeder Verbindung zwischen zwei IPv6-Maschinen. 4. Autokonfiguration: Bei IPv6 ist es nun möglich im laufenden Betrieb und ohne umfangreiche Eingriffe des Administrators den Adress-Präfix zu verändern. Sobald eine IPv6-Schnittstelle aktiviert wird, konfiguriert diese sich automatisch. Jede IPv6-Schnittstelle ist nicht nur auf eine IPv6-Adresse beschränkt, sondern besitzt IPv6-Adressen mit unterschiedlichen Reichweiten. Damit eine Schnittstelle den nächsten Router finden kann, sendet der Router periodisch sogenannte Router-Advertisement-Nachrichten. 5. Verbesserung der Routing-Eigenschaften: Ein Großteil der Last in Routern bei IPv4 entsteht durch fragmentierte Pakete und beim Neuberechnen von Prüfsummen auf Grund eines geänderten Time-To-Live-Wertes (TTL) im Header. Der Aufwand dafür erhöht sich mit zunehmender Zahl an Datagrammen, welche durch steigende Leitungskapazitäten von den Routern verarbeitet werden müssen. Durch den geänderten IPv6-Header werden Router größtenteils von diesen Aufgaben entlastet. So wird die Prüfung von Prüfsummen auf den Transport Layer (TCP/UDP) verlegt. Das Problem der Fragmentierung wird dadurch umgangen, dass nur noch der Sender selbst ein Paket in Fragmente unterteilen darf. Router fragmentieren somit ein zu großes Paket nicht mehr, sondern verwerfen das Paket und schicken eine Fehlermeldung zum Sender, welcher die maximale Paketgröße entsprechend anpasst. 6. Erweiterbarkeit: IPv6 wurde als ein erweiterbares Protokoll entwickelt. Es wurde nicht nur versucht, alle potenziell möglichen Einsatzfelder in die Spezifikation zu integrieren, sondern es bietet auch die Möglichkeit, über Extension-Header das Protokoll zu erweitern. Damit ist das Protokoll offen für zukünftige Entwicklungen. 7. Der IPv6-Header: Ein IPv6-Packet besteht aus einem IPv6-Header gefolgt von (bis zu 7) Extended-Headern und/oder den eigentlichen Protokoll-Nutzdaten (siehe Abbildung 13: Übersicht eines IPv6-Headers). Eine IPv6-Implementierung muss alle Header bis zu den Protokoll-Nutzdaten analysieren, um zu entscheiden, welche Informationen an die nächsthöhere Protokollschicht weiterzugeben sind. 8. IPv6-Header-Datenstruktur: Der neue IPv6-Header (RFC2461) ist wegen der enormen Vergrößerung der Adressen zwar doppelt so lang wie der IPv4-Header, aber wesentlich einfacher aufgebaut somit hat er weniger Felder und ist daher einfacher zu verarbeiten [HeWi02] (siehe Abbildung 14: Aufbau eines IPv6-Basis-Headers). Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die wichtigsten Protokollwerte (P) und die in der Basis-Spezifikation definierten Extension Header (E) für das Feld Next Header (siehe Tabelle 9: Tabelle der wichtigsten Werte im Feld Next Header).
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis3
Abkürzungen und Begriffe7
1 Einleitung14
1.1 Motivation14
1.2 Ziele dieser Studie14
1.3 Kapitelübersicht14
2 Grundlagen Automotive-Markt16
2.1 Der Automotive-Markt16
2.2 Echtzeitbetriebssysteme17
2.3 OSEK17
2.4 Implementierungssprache OIL18
2.5 Architektur20
2.6 Vorgehensmodell22
2.7 Steuergeräte in Fahrzeugen23
3 Grundlagen Bussysteme24
3.1 CAN24
3.2 FlexRay24
3.3 LIN25
3.4 Most25
3.5 Ethernet26
4 Grundlagen TCP/IP-Protokolle28
4.1 OSI-Referenzmodell28
4.2 Das TCP/IP-Referenzmodell29
4.3 Ethernet30
4.4 IPv432
4.5 ICMPv434
4.6 IPv636
4.7 ICMPv638
4.8 UDP42
4.9 TCP43
4.10 Das Netzwerk-API „Berkeley Sockets“44
5 Anforderungsanalyse48
5.1 Randbedingungen48
5.2 Funktionale Anforderungen49
5.3 Nichtfunktionale Anforderungen53
5.4 Projektrandbedingungen54
6 Analyse des bestehenden IPv4-Protokoll-Stacks55
6.1 Stack-Architektur55
6.2 Speicherverwaltung58
6.3 Message-Verwaltung60
6.4 Netzwerk-Schnittstelle60
6.5 Protokoll-Stack-Übersicht61
6.6 Das Ethernet-Protokoll66
6.7 Das IPv4-Protokoll70
6.8 Das UDP-Protokoll73
6.9 Das TCP-Protokoll77
6.10 Die Socket-Schnittstelle80
7 Prototypische Implementierung83
7.1 Festlegen der Implementierungsreihenfolge83
7.2 Stack-Architektur für Dual-Stack86
7.3 Zugriffe auf Protokoll-Header durch Makros ersetzen87
7.4 Auf ein IPv6-Echo-Request antworten89
7.5 ICMP-Neighbor-Discovery-Address-Resolution implementieren114
7.6 UDP-Pakete senden und empfangen114
7.7 TCP-Pakete senden und empfangen116
7.8 „Stateless Autoconfiguration“ implementieren117
8 Resümee121
8.1 Rückblick121
8.2 Unerwartete Schwierigkeiten122
8.3 Ergebnisse123
8.4 Ausblicke124
Anhang125
Abbildungsverzeichnis128
Tabellenverzeichnis130
Literaturverzeichnis131

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