手把手教你在Linux上搭建CAN与以太网协议转换测试环境

在嵌入式系统、汽车电子和工业自动化领域，CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用的可靠通信标准。然而，随着系统复杂度提升和网络/系统集成需求，将分布在不同物理位置的CAN网络通过以太网互联，进行协议转换和数据透传，成为一种常见且高效的解决方案。本文将以Linux环境为例，从零开始，详细介绍搭建一个虚拟的CAN与以太网协议转换测试环境的完整流程。

一、搭建虚拟测试环境

1. 创建Linux虚拟机

首先，我们需要一个标准的Linux环境。

• 推荐系统：Ubuntu 22.04 LTS。此版本长期支持，且通常预装了GCC和Python，方便后续开发。
• 网络配置：将虚拟机网络适配器设置为桥接模式。这能确保虚拟机获得一个与物理主机在同一局域网的独立IP地址，是后续进行跨设备通信测试的基础。

2. 安装必备工具

在Ubuntu终端中，执行以下命令安装CAN总线工具及网络工具包：

sudo apt update
sudo apt install can-utils net-tools socat libsocketcan-dev build-essential

其中，can-utils是后续进行CAN数据收发的核心工具集。

二、创建虚拟CAN与网络接口

为了在没有真实硬件的情况下进行测试，我们将创建虚拟接口。

1. 加载内核模块并创建虚拟CAN接口

按顺序执行以下命令：

sudo modprobe can
sudo modprobe can_raw
sudo modprobe can_bcm  # 加载BCM（广播管理器）模块
sudo modprobe vcan     # 加载虚拟CAN模块
sudo ip link add dev vcan0 type vcan  # 创建名为vcan0的虚拟CAN接口
sudo ip link set up vcan0             # 启用该接口

2. 验证虚拟CAN接口

使用ip命令查看接口状态：

ip -d link show vcan0

命令执行后，若看到类似<NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 16 ...的输出，表明虚拟CAN接口 vcan0 已创建并启动成功。

3. （单机验证场景）创建虚拟以太网对

为了模拟两个网络节点，我们可以在一台机器上创建一对虚拟以太网接口：

sudo ip link add veth0 type veth peer name veth1  # 创建一对接口veth0和veth1
sudo ip link set up veth0
sudo ip link set up veth1

4. （单机验证场景）为虚拟以太网接口分配IP

为这对接口分配属于同一网段的IP地址，使其能够通信：

sudo ip addr add 127.0.1.1/24 dev veth0
sudo ip addr add 127.0.1.2/24 dev veth1

三、模拟CAN数据收发测试

can-utils工具包中的cansend和candump是测试CAN通信的利器。

1. 终端A：发送CAN测试数据
   打开一个终端，发送一帧标准CAN数据：

   cansend vcan0 123#1122334455667788

   这条命令向 vcan0 接口发送了一帧CAN数据，其中123是十六进制的帧ID，#后面是8个字节的数据载荷（0x11至0x88）。

2. 终端B：接收并查看CAN数据
   打开另一个终端，使用candump监听vcan0接口：

   candump vcan0

   你将看到类似输出：

   vcan0  123   [8]  11 22 33 44 55 66 77 88

   candump功能强大，支持多种参数以不同格式显示信息，便于调试分析：

   参数	说明	示例
   -t 系列	显示时间戳：<br>-ta：绝对时间<br>-td：相对时间间隔<br>-tz：时间戳归零<br>-tA：带日期的绝对时间	candump -ta -x can0
   -c	为不同接口的数据着色，便于区分	candump -x -c can0 can1
   -l	将数据记录到文件（方便后续用文本工具分析）	candump -l can0

   例如，使用-x参数可以显示数据方向（TX发送/RX接收）：

   candump -x vcan0

   发送数据后，你会看到类似 vcan0  TX - -  123   [8]  11 22 33 44 55 66 77 88 的输出。

4. 环境清理

测试完成后，可以删除虚拟接口：

sudo ip link delete vcan0 2>/dev/null

对于更复杂的测试环境，可以创建一个清理脚本，用于重置CAN接口、卸载模块等操作。以下脚本是一个参考示例，使用时请根据实际情况（如ROS版本）调整路径：

#!/bin/bash
echo "正在清理虚拟CAN和ROS配置..."
# 清理CAN接口
sudo ip link set down can0 2>/dev/null || true
sudo ip link set down can1 2>/dev/null || true
sudo ip link delete can0 2>/dev/null || true
sudo ip link delete can1 2>/dev/null || true
# 卸载模块
sudo modprobe -r can_raw 2>/dev/null || true
sudo modprobe -r can 2>/dev/null || true
sudo modprobe -r vcan 2>/dev/null || true
# 清理ROS
killall -9 roscore roslaunch rosmaster 2>/dev/null || true
rm -rf ~/.ros/log/*
# 重置环境
unset ROS_MASTER_URI
unset ROS_HOSTNAME
unset ROS_IP
source /opt/ros/noetic/setup.bash  # 根据您的ROS版本调整
echo "清理完成！现在尝试启动roscore..."
roscore

四、分布式部署示例（两台电脑互联）

这是更贴近真实场景的测试：电脑A和电脑B通过以太网连接，各自连接一条独立的CAN总线，目标是实现两条CAN总线之间的跨设备数据透传。

假设网络规划如下：

设备	IP地址	CAN接口	角色
电脑A	192.168.1.100	can0	发送/接收CAN数据
电脑B	192.168.1.101	can1	发送/接收CAN数据

你需要一个桥接程序（例如 can_eth_bridge）来转发数据。该程序通常支持UDP和TCP两种模式。

1. 方式1：UDP模式（适合实时性要求高的场景）

   • 电脑A（监听8888端口，转发至B的8889端口）：

     ./can_eth_bridge udp can0 8888 192.168.1.101 8889 PC-A

   • 电脑B（监听8889端口，转发至A的8888端口）：

     ./can_eth_bridge udp can1 8889 192.168.1.100 8888 PC-B

2. 方式2：TCP模式（适合可靠性要求高的场景）

   • 电脑A作为TCP服务端（监听8888端口）：

     ./can_eth_bridge tcp server can0 8888 PC-Server

   • 电脑B作为TCP客户端（连接A的8888端口）：

     ./can_eth_bridge tcp client can1 8889 192.168.1.100 8888 PC-Client

3. 验证通信

   • 在电脑A上，通过cansend向can0发送一帧数据：

     cansend can0 123#1122334455667788

   • 电脑B上运行的程序会接收到此数据，并将其转发到本地的can1接口。在电脑B上使用candump监听can1即可验证：

     candump can1  # 应能看到ID为0x123的CAN帧

   • 同理，在电脑B上发送数据，在电脑A上也能接收到。

五、高级测试技巧

在基础通信验证通过后，可以进行更深入的测试。

1. 压力测试
   使用循环发送大量随机CAN帧，测试桥接程序的稳定性和处理能力：

   for i in {1..1000}; do cansend vcan0 $i#$(openssl rand -hex 8); done

2. 协议转换模拟
   在实际应用中，CAN帧可能需要封装为特定的网络协议格式（如JSON）进行传输。以下是一个简单的Python示例，展示如何将CAN帧转换为JSON并通过UDP发送：

   import json
   import socket
   # 假设msg是一个包含CAN ID和data的对象
   can_frame = {"id": hex(msg.arbitration_id), "data": list(msg.data)}
   udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
   udp_socket.sendto(json.dumps(can_frame).encode(), ("192.168.1.100", 8888))

3. 延迟测量
   可以在CAN数据中嵌入时间戳，用于粗略测量端到端的传输延迟：

   cansend vcan0 456#$(date +%s | xxd -p)

   接收方解析数据中的时间戳，与当前时间对比即可估算延迟。

参考资料

[1] CAN与以太网协议转换, 微信公众号：mp.weixin.qq.com/s/Il1p3hBIPnZuITMm8z76xQ

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