Einführung in die CAN XL-Technologie

Die nächste Evolutionsstufe der CAN-Kommunikation

Seit über 30 Jahren bildet das Controller Area Network (CAN) das Rückgrat der Kommunikation in Fahrzeugen und vielen industriellen Anwendungen. Ausgehend von CAN Classic, das ein robustes und kostengünstiges Bussystem etablierte, wurde die Technologie später mit CAN FD erweitert, um eine schnellere Datenübertragung und deutlich höhere Nutzlasten zu ermöglichen. Mit CAN XL ist nun die dritte Generation des Protokolls verfügbar. Aufbauend auf der gleichen physikalischen Basis bietet sie entscheidende Verbesserungen bei Datenrate, Nutzlastgröße und Integrationsflexibilität und führt CAN in das Zeitalter zonaler Architekturen und IP-basierter Kommunikation.

Von CAN Classic zu CAN XL

Die Entwicklung von CAN wurde stets von steigenden Anforderungen an Bandbreite und Effizienz vorangetrieben. CAN Classic bot bis zu 1 Mbit/s und acht Datenbytes pro Frame, was viele Jahre lang ausreichend war. CAN FD erweiterte dies auf 64 Datenbytes und ermöglichte eine flexible Umschaltung der Bitraten innerhalb der Datenphase auf bis zu 8 Mbit/s. CAN XL setzt diesen Weg fort und unterstützt Nutzdaten von bis zu 2.048 Bytes pro Frame und Datenraten von bis zu 20 Mbit/s im schnellen Modus. Mit diesen Fähigkeiten übertrifft CAN XL nicht nur seine Vorgänger, sondern positioniert sich auch als Brückentechnologie zwischen traditionellen Feldbussen und Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerken.

Struktur und Frame-Format

Das Herzstück von CAN XL ist das XL-Frame-Format (XLFF), das die bekannte CAN-Frame-Struktur erweitert. Eine der wichtigsten Neuerungen ist die Trennung des Identifiers in zwei Teile. Der 11 Bit lange Priority Identifier dient der Arbitrierung, während das 32 Bit lange Akzeptanzfeld als flexibler Adressierungs- und Filtermechanismus dient. Diese Trennung ermöglicht eine effizientere Priorisierung und Weiterleitung von Nachrichten.
Die Frame-Struktur führt außerdem zusätzliche Felder ein, die die Vielseitigkeit des Protokolls erweitern. Der Service Data Unit Type (SDT) definiert, welches übergeordnete Protokoll transportiert wird, und ermöglicht so das Tunneln von CAN FD oder die Übertragung von IP-Paketen. Die Virtual CAN Network ID (VCID) ermöglicht den Betrieb von bis zu 256 logischen Netzwerken auf einem einzigen physischen Segment, vergleichbar mit VLANs in Ethernet. Eine weitere Neuerung ist das Simple Extended Content (SEC) Bit, das angibt, ob weitere Header, beispielsweise für Verschlüsselung oder Fragmentierung, enthalten sind. Zusammen machen diese Funktionen CAN XL zu einer hochgradig anpassungsfähigen Plattform, die sowohl Legacy-Anwendungen als auch moderne datengesteuerte Architekturen unterstützt.

CAN XL-Frame-Format

Datenintegrität und Zuverlässigkeit

Mit zunehmender Größe der Datenfelder wird die Gewährleistung der Zuverlässigkeit immer wichtiger. CAN XL führt zwei zyklische Redundanzprüfungen (CRC) zur Absicherung der Übertragung ein: Die Preface-CRC schützt die Steuerinformationen, während die Frame-CRC den gesamten Frame sichert. Dieser kaskadierte Ansatz erreicht eine Hamming-Distanz von sechs, wodurch bis zu fünf zufällig verteilte Bitfehler zuverlässig erkannt werden können. Diese Robustheit ist entscheidend für die Übertragung großer Nutzdaten oder sicherheitsrelevanter Daten im Automobil- und Industrieumfeld.

Physikalische Schicht und Modusumschaltung

Eine der Stärken von CAN XL liegt in der Möglichkeit, die vorhandene physikalische Infrastruktur wiederzuverwenden. Wie seine Vorgänger basiert es auf einem zweiadrigen Twisted-Pair-Bus mit 120-Ohm-Abschlusswiderstand. Dadurch kann in vielen Fällen die vorhandene Verkabelung beibehalten werden, was die Migration erleichtert.

Die typische CAN XL-Verkabelung

Um höhere Datenraten über 8 Mbit/s zu erreichen, führt CAN XL in Kombination mit neuen SIC XL-Transceivern das Konzept der Modusumschaltung ein. In der Arbitrierungsphase folgt die Kommunikation weiterhin dem konventionellen Schema, für die Datenphase kann das System jedoch in einen schnellen Push-Pull-Modus mit reduzierter Signalamplitude wechseln. Dies ermöglicht Bitraten von bis zu 20 Mbit/s bei gleichbleibender Zuverlässigkeit des CAN-Übertragungsprinzips. Obwohl klassische Fehlerrahmen in diesem schnellen Modus begrenzt sind, wird die Zuverlässigkeit durch die verbesserten CRC-Mechanismen gewährleistet.

Die Modusumschaltung ermöglicht hohe Datenraten bei hoher Robustheit. Zusätzliche Felder im CAN-XL-Frame liefern strukturierte Metainformationen für die Verarbeitung in höheren Protokollschichten.

Erweiterte Funktionen

Neben Geschwindigkeit und Nutzlast bietet CAN XL optionale Verbesserungen, die das Protokoll für zukünftige Herausforderungen rüsten. Eine davon ist CANsec, eine Sicherheitserweiterung zum Schutz vor Cyberangriffen. Sie bettet Authentifizierungsdaten direkt in den Frame ein und sichert den Kommunikationskanal, ohne dass übergeordnete Sicherheitslösungen erforderlich sind. Ein weiterer optionaler Mechanismus ist die Frame-Fragmentierung. Diese ermöglicht die Unterbrechung sehr großer Frames, sodass hochprioritäre Steuernachrichten ohne Integritätsverlust der größeren Übertragung passieren können. Zusätzlich unterstützt das Protokoll die Pulsweitenmodulation (PWM) als Alternative zum herkömmlichen NRZ-Verfahren, wodurch die möglichen Bitraten je nach Netzwerkdesign weiter erweitert werden.

Standardisierung und Ökosystem

CAN XL ist offiziell in ISO 11898-1:2024 standardisiert. Ergänzende Spezifikationen, Richtlinien und Empfehlungen werden von CAN in Automation (CiA) entwickelt und decken Aspekte wie Testpläne, übergeordnete Dienste, Anwendungshinweise und zusätzliche Sicherheitskonzepte ab. Dies gewährleistet eine solide Grundlage für die Technologie und bietet Herstellern und Zulieferern einen klaren Rahmen für die Implementierung.

Vorteile und Herausforderungen

Die Hauptvorteile von CAN XL liegen in der Kombination aus hoher Datenkapazität und Abwärtskompatibilität. Mit bis zu 2.048 Bytes pro Frame können nicht nur Sensordaten, sondern auch IP-Pakete effizient übertragen werden. Gleichzeitig können bestehende CAN-Infrastrukturen genutzt werden, was gemischte Umgebungen mit Classic, FD und XL ermöglicht. Besonders wertvoll für die Zukunft ist die Möglichkeit, virtuelle Netzwerke mit VCID zu erstellen und so zonale Architekturen zu implementieren, die Lastausgleich und gezielte Qualitätssicherung des Datenverkehrs ermöglichen.

Diese erweiterte Funktionalität bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich. Die Komplexität der Protokollauswertung steigt, und bei hohen Bitraten über 8 Mbit/s ist ein Moduswechsel erforderlich, der traditionelle Mechanismen wie Error Frames einschränkt. Der Kommunikationsstandard für CAN XL (ISO 11898-1:2024) wurde spezifiziert, sodass OEMs und Zulieferer nun mit der praktischen Implementierung und Integration in bestehende Architekturen beginnen können.

CAN XL im Vergleich zu Automotive Ethernet

Ein direkter Vergleich von CAN XL und Automotive Ethernet ist naheliegend, da beide für die leistungsstarke Vernetzung im Fahrzeug geeignet sind. Ethernet erreicht deutlich höhere Datenraten von bis zu 10 Gbit/s und ist daher die bevorzugte Wahl für bandbreitenintensive Anwendungen wie Infotainment oder Backbone-Verbindungen. CAN XL hingegen bietet Nutzdaten von bis zu 2.048 Byte – mehr als die Standard-Ethernet-MTU von 1.500 Byte – und eignet sich hervorragend für deterministische und kostensensitive Umgebungen. Während Ethernet typischerweise Stern- oder Ringtopologien erfordert, arbeitet CAN XL weiterhin mit einfachen Leitungsstrukturen, was den Verkabelungsaufwand reduziert. Beide Technologien stehen nicht in direktem Wettbewerb, sondern ergänzen sich: Ethernet für Bereiche mit extrem hoher Bandbreite, CAN XL für zonale Architekturen, Sensordatenaggregation und nahtlose Integration in bestehende CAN-Netzwerke.

Anwendungen und Ausblick

Das Hauptanwendungsgebiet von CAN XL sind zonale Fahrzeugarchitekturen, in denen elektronische Steuergeräte innerhalb einer Funktionszone lokal kommunizieren und aggregierte Daten an zentrale Prozessoren weiterleiten. Dieser Ansatz reduziert den Verdrahtungsaufwand, unterstützt modulare Designs und passt perfekt zur Flexibilität von CAN XL. Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall ist die effiziente Übertragung großer Sensordatenströme, beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen, wo viele Signale kombiniert und verarbeitet werden müssen. Über den Automobilsektor hinaus eignet sich CAN XL auch für die industrielle Automatisierung und dient als robuste Backbone- oder Sub-Backbone-Netzwerktechnologie.

Toolhersteller und Hardwareanbieter bieten bereits Starterpakete mit Schnittstellen, Transceivern und Software-APIs an, sodass Entwickler bereits heute die praktischen Vorteile von CAN XL erkunden können. Dies senkt die Einstiegshürde und beschleunigt den Weg von der Forschung zur realen Anwendung.