基于 CAN 总线的 OTA 远程升级机制实现与安全加固策略

一、引言

随着车辆电子化程度提升，软件功能逐渐取代传统硬件逻辑，控制器（如 VCU、BMS、MCU、仪表等）需频繁迭代优化或修复缺陷。

为此，远程在线升级（Over-The-Air, OTA） 成为主流需求。在资源受限、实时性要求高的场景下，基于 CAN 总线实现 OTA 升级机制 成为一套兼容性广、可落地性强的方案。

二、OTA 系统的组成与通信架构

1. 系统组成模块

2. 通信拓扑结构

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┌────────────┐ │ 远程升级主机 │ └────┬───────┘ │ (CAN 总线) ┌─────▼───────┐ │ 目标 ECU（MCU）│ └────────────┘

支持通过 USB-CAN、Kvaser、Vector 等设备连接车载 CAN 网络进行升级操作。

三、基于 CAN 的升级协议框架

1. 传输协议选型

• 基于 UDS 协议（ISO-14229）

• 使用 ISO-TP（ISO-15765） 长帧支持

• 通常传输最大帧为 4095 字节/段

2. 典型刷写服务序列

四、Bootloader 架构设计

1. 典型 Flash 分区布局

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+-----------------------+ | Bootloader（16KB） | 固定区域 +-----------------------+ | OTA缓冲区（64KB） | 下载中间缓存 +-----------------------+ | 应用程序区（剩余） | 程序主区 +-----------------------+

2. 启动流程图

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上电 → 判断升级标志位？ → 是 → 进入 Bootloader，等待刷写 → 否 → 跳转执行 App 程序

3. Bootloader 功能实现要点

• 初始化 CAN 接口

• 协议解析（ISO-TP / UDS）

• Flash 擦除 / 编程控制

• CRC 验证

• 状态报告 / Watchdog 防死机

五、上位机升级工具实现

1. 支持功能

• 固件加载与分段传输

• UDS 服务封装（0x10/0x34/0x36等）

• 支持进度显示、日志记录

• 支持断点续传与自动重试

2. 示例代码（Python）

python

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import udsoncan from udsoncan.client import Client with Client(conn, request_timeout=2) as client: client.change_session(udsoncan.services.DiagnosticSessionControl.ProgrammingSession) client.unlock_security() client.download_file("firmware.bin") client.transfer_exit() client.ecu_reset()

六、安全加固机制

1. 安全认证（Security Access）

• 双向认证机制

• ECU 提供 Seed，Host 算出 Key

• 阻止非法升级或刷写操作

2. 固件签名机制

• 使用 SHA256 + RSA 签名

• Bootloader 内验证签名，防止非法代码注入

3. 校验机制

• 支持 CRC32、MD5、加密校验

• 升级前后校验校验和一致性

七、异常处理与容错设计

八、实战案例：新能源汽车 MCU 升级系统

项目需求：

• 支持通过 CAN 升级主控程序（128KB）

• 刷写时间控制在 60s 内

• 每次升级必须带验证机制

• 电源掉电能自动续传

技术实现：

• Bootloader 占用 16KB，支持 ISO-TP 解包

• 上位机使用 Python 脚本驱动 CANUSB 工具

• 加入密钥认证 + CRC 验证

• 使用 Flash Page 写入 + 写成功标志位

九、与其他升级方式对比

十、总结与展望

基于 CAN 的 OTA 系统具备如下优势：

• 适配传统与新能源车

• 使用通用 CAN 设备即可部署

• 与诊断协议（UDS）高度集成

• 可支持断点续传、加密验证、远程批量升级

未来方向建议：

• 支持 CAN-FD 加速传输速率

• 支持 多模块级联升级调度

• 整合 云平台 + OTA 日志反馈机制

• 实现 Bootloader 热更新与远程维护

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