OSEK/VDX直接網(wǎng)絡管理一致測試方法設(shè)計

隨著近年汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品廣泛應用于汽車控制，如發(fā)動機控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等裝置中都采用電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)[1]。一些高檔的轎車大約有70個ECU，ECU之間傳遞的信息超過2500條[2]。為了使ECU之間實現(xiàn)信息共享，誕生了在汽車控制系統(tǒng)中應用的互聯(lián)網(wǎng)絡，即車載網(wǎng)絡。隨著汽車中電子單元的增加，網(wǎng)絡越來越復雜，ECU在通信時，可能由于其他節(jié)點未上線或出現(xiàn)故障而造成信息丟失，所以需要專門的網(wǎng)絡管理組件對車載網(wǎng)絡進行管理，以達到車載網(wǎng)絡信息傳輸準確性、安全性的目的。

OSEK/VDX (Open Systems and the Corresponding Interfaces for Automotive Electronics/Vehicle Distributed eXecutive) 是歐洲主要的汽車廠商和研究機構(gòu)聯(lián)合提出的一種基于汽車電子開放式系統(tǒng)及其接口的軟件標準。鑒于汽車網(wǎng)絡的安全性和可靠性，OSEK/VDX中的網(wǎng)絡管理NM(Network Management)規(guī)范提供了標準的管理策略，通過接口和服務來實現(xiàn)汽車網(wǎng)絡中ECU節(jié)點的監(jiān)控和管理[3]。OSEK/VDX規(guī)范對網(wǎng)絡管理提出直接網(wǎng)絡管理和間接網(wǎng)絡管理兩種實現(xiàn)機制。

OSEK/VDX規(guī)范是通過自然語言和圖表形式進行描述的，程序開發(fā)人員在根據(jù)規(guī)范編寫應用程序時，可能因為對規(guī)范的不同理解、編寫代碼時的失誤等原因，導致應用程序與規(guī)范的不一致。對于安全性有極高要求的汽車電子系統(tǒng)而言，這種現(xiàn)象是不允許的。因此，有必要通過一致性測試來判斷開發(fā)的應用程序是否符合預定規(guī)范。近年來，學術(shù)界對OSEK OS（OSEK Operation System）的一致性測試方法提出了一些解決方案。參考文獻[4]提出了一種OSEK OS服務調(diào)用規(guī)范的一致性測試方法，參考文獻[5]設(shè)計了一種OSEK OS一致性測試用例生成的方法，但是很少對OSEK NM的一致性測試做相應研究。

本文在深入研究OSEK網(wǎng)絡管理規(guī)范的基礎(chǔ)上提出了一種OSEK NM一致性測試方法，設(shè)計出一種基于直接網(wǎng)絡管理功能的測試架構(gòu)，并定義了測試方案、測試報文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和測試流程。

1 OSEK直接網(wǎng)絡管理基本原理

在OSEK NM規(guī)范中，直接網(wǎng)絡管理是一種自組織形式網(wǎng)絡管理。網(wǎng)絡中節(jié)點之間沒有主從之分，每個節(jié)點都被網(wǎng)絡中其他的節(jié)點監(jiān)控，同時該節(jié)點也監(jiān)控網(wǎng)絡中的其他節(jié)點。直接網(wǎng)絡管理通過邏輯環(huán)對車載網(wǎng)絡進行管理與監(jiān)控，如圖1所示為直接網(wǎng)絡管理邏輯環(huán)的體系結(jié)構(gòu)。連接在總線上的A、B、C 3個節(jié)點都擁有自己唯一的網(wǎng)絡管理身份標識ID,且IDAIDBIDC，根據(jù)ID的大小，以A→B→C→A的順序傳輸特定的網(wǎng)絡管理報文，形成一個虛擬邏輯環(huán)。在邏輯環(huán)中連接的所有節(jié)點按照邏輯環(huán)規(guī)定的方向發(fā)送特定的網(wǎng)絡管理報文，實現(xiàn)直接網(wǎng)絡管理功能。

圖2所示為直接網(wǎng)絡管理的狀態(tài)模型。通過網(wǎng)絡管理服務的調(diào)用和網(wǎng)絡通信狀況的改變，引起網(wǎng)絡管理狀態(tài)的遷移，如調(diào)用StartNM()服務可啟動網(wǎng)絡管理功能，使節(jié)點的狀態(tài)從NMOff轉(zhuǎn)為NMOn。

在直接網(wǎng)絡管理中，為了滿足通信和網(wǎng)絡管理的需要，網(wǎng)絡管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元NMPDU(NM Protocol Data Unit)包括地址域、控制域和數(shù)據(jù)域。圖3是網(wǎng)絡管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元的基本格式。其中，Source ID表示網(wǎng)絡管理報文的源地址，即發(fā)送該網(wǎng)絡管理報文的節(jié)點地址；

Destination ID表示網(wǎng)絡管理報文的目標地址，即接收該網(wǎng)絡管理報文的節(jié)點地址；Option Code表示操作碼，用來設(shè)置網(wǎng)絡管理報文的類型,其有Ring、Alive、LimpHome三種。 Data表示數(shù)據(jù)場，用于定義網(wǎng)絡管理報文中的附加信息。

直接網(wǎng)絡管理中各類型報文的作用：

(1)Ring報文：一個基本的監(jiān)視報文，當網(wǎng)絡狀態(tài)為正常狀態(tài)時，網(wǎng)絡節(jié)點在定時器的觸發(fā)下，根據(jù)節(jié)點ID的大小順序地傳送Ring報文。

(2)Alive報文：一個在非正常狀態(tài)下的特殊報文，當一個新的節(jié)點要加入網(wǎng)絡時，節(jié)點向網(wǎng)絡中發(fā)送Alive報文。

(3)LimpHome報文：當接收/發(fā)送錯誤計數(shù)器超過其閾值或總線出現(xiàn)嚴重錯誤時，節(jié)點進入NMLimpHome狀態(tài)，并周期地發(fā)送LimpHome報文。

2 OSEK NM的一致性測試方法

OSEK NM的一致性測試是一種功能性測試，在一致性測試中，測試者不必關(guān)心被測IUT（Implementation Under Test）內(nèi)部的具體實現(xiàn)，只需關(guān)心其表現(xiàn)出來的外部行為[6-7]。

2.1 測試的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)OSEK NM規(guī)范，將網(wǎng)絡管理的測試體系結(jié)構(gòu)分為兩個部分，即被測系統(tǒng)及測試系統(tǒng)。

(1)被測系統(tǒng)，是IUT的載體，在測試系統(tǒng)中實現(xiàn)網(wǎng)絡管理功能。

(2)測試系統(tǒng)，用來執(zhí)行測試案例程序，該設(shè)備通過網(wǎng)絡跟被測設(shè)備相互通信。

整個網(wǎng)絡管理測試方案分為兩個子塊，即測試管理模塊和輔助測試模塊。測試管理模塊由測試案例組成，在測試系統(tǒng)中運行；輔助測試模塊作為被測系統(tǒng)的應用程序在被測設(shè)備中運行，用來配合測試管理模塊完成網(wǎng)絡管理功能的測試。在網(wǎng)絡管理功能測試中，輔助測試模塊起到兩方面的作用，一方面用來響應測試系統(tǒng)的發(fā)來的請求，另一方面作為被測系統(tǒng)的應用程序，通過調(diào)用NM API函數(shù)，控制IUT的運行模式，并收集被測系統(tǒng)中IUT當前的狀態(tài)信息，返回給測試系統(tǒng)。

測試管理模塊和輔助測試模塊之間的數(shù)據(jù)信息交換通過應用報文完成，該報文為測試管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（TM_PDU）。該方式下，2個測試模塊之間的通信獨立于底層網(wǎng)絡管理通信協(xié)議，不影響網(wǎng)絡管理功能。

在OSEK 直接網(wǎng)絡管理中，網(wǎng)絡出錯處理機制是很重要的一部分。根據(jù)OSEK NM規(guī)范，OSEK NM可以處理一些常見的網(wǎng)絡錯誤，如通信超時、BusOff等，所以本文在網(wǎng)絡管理功能測試系統(tǒng)中增加了模擬和制造網(wǎng)絡錯誤的模塊。

綜上所述，在直接網(wǎng)絡管理的測試架構(gòu)中，測試系統(tǒng)必須具備以下功能：

(1)測試系統(tǒng)必須具備網(wǎng)絡管理功能，發(fā)送網(wǎng)絡管理報文,并能模擬一個或多個網(wǎng)絡管理節(jié)點的網(wǎng)絡關(guān)系行為。

(2)測試系統(tǒng)能接受并分析NMPDU，判斷被測系統(tǒng)中的IUT是否符合網(wǎng)絡管理規(guī)范，即帶有OSEK 直接網(wǎng)絡管理功能。

(3)測試系統(tǒng)能夠通過測試設(shè)備中一種特定的測試軟件編程來控制相應的硬件設(shè)備，使總線出現(xiàn)特定的網(wǎng)絡故障(如Vector公司的CAN總線干擾儀CANstress)。

2.2 測試方案和測試管理報文的定義

在直接網(wǎng)絡管理模塊正常工作時，ECU應用程序通過調(diào)用NM API接口函數(shù)來控制OSEK NM的相關(guān)動作，如功能開啟、關(guān)閉及睡眠等。而在直接網(wǎng)絡管理的測試過程中，整個測試系統(tǒng)必須能夠模擬這一過程。為了實現(xiàn)這一功能，在測試系統(tǒng)與被測系統(tǒng)之間有兩種類型的報文，即直接網(wǎng)絡管理報文和測試管理報文。測試管理報文是測試管理模塊和輔助測試模塊之間的數(shù)據(jù)通道，使測試管理模塊能夠間接控制IUT，從而實現(xiàn)測試功能。圖4所示為測試管理模塊和輔助測試模塊之間的兩種通信模式。

測試系統(tǒng)用圖4(a)所示的通信模式獲取被測系統(tǒng)中NM模塊當前的狀態(tài)以及配置信息，用圖4(b)所示的通信模式控制輔助測試模塊調(diào)用NM服務函數(shù)，圖中虛線箭頭表示根據(jù)需求服務的返回值可以選擇性的傳回測試系統(tǒng)。

測試管理報文的格式有apiCall和apiStatus兩種：

(1)apiCall：用來請求輔助測試模塊調(diào)用NM API，控制OSEK NM實現(xiàn)特定的動作。報文名定義形式為CallXXX（其中“XXX”表示NM API名稱，如：StartNM）；
(2)apiStatus：將調(diào)用NM API函數(shù)的返回值和當前NM的狀態(tài)信息返回給測試系統(tǒng)，相應的報文有APIStatus，NetStatusMsg等。

測試管理報文兩種格式的數(shù)據(jù)單元映射到CAN報文的數(shù)據(jù)幀上,如表1所示。其中，報文名編號為不同功能測試管理報文的編號;服務編號為NM API編號，用以標識該報文是控制某個API的調(diào)用或?qū)δ硞€API的響應;目的ID為標識該測試管理報文要發(fā)送到的目標網(wǎng)絡管理節(jié)點；報文數(shù)據(jù)單元為apiStatus報文專有數(shù)據(jù)單元，用來存儲API函數(shù)調(diào)用的返回值或當前網(wǎng)絡管理單元的配置和狀態(tài)信息。


2.3 測試的流程

OSEK NM測試可分為以下步驟：
(1)根據(jù)OSEK NM規(guī)范，抽象出需要測試的內(nèi)容。如從NMNormal→NMBusSleep轉(zhuǎn)換過程中,網(wǎng)絡管理內(nèi)部狀態(tài)的變化。
(2)根據(jù)測試內(nèi)容和測試方法，將直接網(wǎng)絡管理功能分為一個或多個功能模塊，針對各個功能模塊設(shè)計相應的測試用例。
(3)在測試系統(tǒng)中執(zhí)行測試用例，并記錄執(zhí)行過程中測試系統(tǒng)獲取的網(wǎng)絡管理狀態(tài)數(shù)據(jù)。
(4)將測試結(jié)果數(shù)據(jù)與OSEK NM管理協(xié)議做對比，分析被測功能模塊是否與協(xié)議一致，并分析不一致的可能原因。

3 測試方法驗證

3.1 測試用例設(shè)計

本文以網(wǎng)絡管理狀態(tài)從NMNormal轉(zhuǎn)向NMBusSleep為例進行測試。測試用例分為三個部分，即初始狀態(tài)、測試步驟和期望結(jié)果。下面給出測試用例的詳細內(nèi)容：

(1)初始狀態(tài)

①操作模式為主動模式（NMActive）;
②本地NM設(shè)置networkstatus.bussleep=0;
③網(wǎng)絡管理狀態(tài)為NMNormal;
④測試系統(tǒng)狀態(tài)與被測節(jié)點一致，在整個網(wǎng)絡中已建立邏輯環(huán)，并正常工作。

(2)測試步驟

①測試設(shè)備發(fā)送CallGotoMode(Sleep)報文；
②當接收接下來IUT發(fā)來的第一條報文后使測試系統(tǒng)中其他的虛擬節(jié)點調(diào)用GotoMode(Sleep)服務；
③當接收到IUT發(fā)來的第二條報文后，測試設(shè)備發(fā)送CallGetStatus報文，等待NetStatusMsg報文的響應，讀取被測節(jié)點中IUT當前的狀態(tài)；
④等待TwaitBusSleep時間段后，再次發(fā)送CallGetStatus報文，等待NetStatusMsg報文的響應，讀取被測節(jié)點中IUT當前的狀態(tài)。

(3)期望結(jié)果

①IUT發(fā)送的第一條網(wǎng)絡管理報文中，sleep.ind位被置位；
②IUT發(fā)送的第二條網(wǎng)絡管理報文中，sleep.ack位被置位，且當前IUT的網(wǎng)絡狀態(tài)為NMTwbsNormal；
③接收到sleep.ack=1的報文TwaitBusSleep后節(jié)點進入NMBusSleep狀態(tài)；
④整個運行過程中，IUT都處于NMActive狀態(tài)。

3.2 測試平臺搭建與測試

測試設(shè)備由裝有CANoe軟件的PC機、CANcaseXL和CANstress組成。CANoe是由Vector公司開發(fā)的網(wǎng)絡分析、設(shè)計和測試的專用工具，支持多種總線系統(tǒng)。CANcaseXL為Vector提供的新一代CAN和LIN的USB 2.0接口卡，與CANoe軟件組合使用。CANstress是CAN總線干擾儀，它可以直接串連到CAN網(wǎng)絡中，實現(xiàn)各種觸發(fā)條件與邏輯的干擾。被測設(shè)備為帶有OSEK NM功能的汽車儀表，外接12 V直流電源為汽車儀表供電。

基于上述測試平臺進行網(wǎng)絡管理功能測試。首先在CANoe軟件平臺上實現(xiàn)3個CAN節(jié)點，并用CAPL語言對每個節(jié)點編程，實現(xiàn)基于OSEK 規(guī)范的直接網(wǎng)絡管理功能，在其中一個節(jié)點中添加測試管理功能模塊，運行測試用例，實現(xiàn)總體測試管理控制。汽車儀表ECU軟件中添加輔助測試程序模塊，作為儀表的應用軟件。最后，根據(jù)預先設(shè)計好的測試用例對NMNormal到NMBusSleep的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行一致性測試，并記錄測試結(jié)果。

3.3 測試結(jié)果

圖5所示為直接網(wǎng)絡管理測試在CANoe的Trace窗口上的顯示結(jié)果。圖中對報文和數(shù)據(jù)的含義做了相應的說明。在測試系統(tǒng)的控制下，整個網(wǎng)絡進入睡眠狀態(tài)，并根據(jù)測試案例成功讀取到直接網(wǎng)絡管理的狀態(tài)信息。

通過對Trace窗口中的數(shù)據(jù)進行分析可見,測試結(jié)果跟測試案例中的預期結(jié)果一致，這說明儀表節(jié)點中直接網(wǎng)絡管理睡眠流程符合OSEK NM規(guī)范。同時也驗證了該測試方法的正確性。

本文提出了一種基于OSEK NM管理的一致性測試方法，并詳細敘述了測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、測試方案、測試管理報文的定義，以及測試流程。最后通過對儀表節(jié)點的直接網(wǎng)絡管理睡眠過程的測試，說明了該方法的有效性。通過對基于OSEK規(guī)范的直接網(wǎng)絡管理的測試，能夠發(fā)現(xiàn)OSEK NM在正常工作中很難出現(xiàn)的錯誤，并能有效地驗證OSEK NM的正確性,對提高基于OSEK規(guī)范的直接網(wǎng)絡管理可靠性和穩(wěn)定性有重要的作用。