FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)管理策略

車載網(wǎng)絡(luò)管理的重要作用是協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此外，車載網(wǎng)絡(luò)管理還應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和診斷、網(wǎng)絡(luò)配置管理的作用。

　　FlexRay總線協(xié)議是FlexRay聯(lián)盟(FlexRay Consortium)制定的適用于汽車高速網(wǎng)絡(luò)的新一代車載總線，具備高傳輸速率、硬實(shí)時(shí)、安全性和靈活性的特點(diǎn)。FlexRay聯(lián)盟目前只規(guī)定了物理層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，沒有制定網(wǎng)絡(luò)管理方面的標(biāo)準(zhǔn)。

　　FlexRay總線協(xié)議特性分析

　　(1)通信機(jī)制確定性

　　FlexRay總線采用周期通信的方式，一個(gè)通信周期(Communication Cycle)可以劃分為靜態(tài)部分、動(dòng)態(tài)部分、特征窗(SW, Symbol Window)和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間(NIT, Network Idle Time)4個(gè)部分(圖1)。靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分用來傳輸總線數(shù)據(jù)，即FlexRay報(bào)文。特征窗用來發(fā)送喚醒特征符(WUS, Wake Up Symbol)和媒介訪問檢測特征符(MTS, Media Access Test Symbol)。網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間用來實(shí)現(xiàn)分布式的時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)參數(shù)的初始化。FlexRay總線所有節(jié)點(diǎn)的通信周期必須保持同步。

圖1：FlexRay通信周期示例。

　　FlexRay節(jié)點(diǎn)如果通過發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NMPDU，Network Management Protocol Data Unit)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，NMPDU可以在靜態(tài)部分或動(dòng)態(tài)部分周期性傳輸。而NMPDU發(fā)送的允許或禁止由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)決定，因此所有FlexRay節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換必須在通信周期的間隔處執(zhí)行。然而，F(xiàn)lexRay總線的通信周期為全局時(shí)間，在總線運(yùn)行過程中會(huì)根據(jù)部分節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，所以網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換不能以內(nèi)部定時(shí)器的方式實(shí)現(xiàn)，必須使用計(jì)數(shù)器的方式配合總線通信周期實(shí)現(xiàn)，才能滿足所有節(jié)點(diǎn)同步轉(zhuǎn)換的要求。

　　(2)通信調(diào)度靈活性

　　FlexRay總線在一個(gè)通信周期采用了兩種接入時(shí)序：靜態(tài)部分采用時(shí)分多址(TDMA, Time Division Multiple Access)的接入時(shí)序，動(dòng)態(tài)部分采用柔性時(shí)分多址(FTDMA, Flexible TDMA)的接入時(shí)序。(圖1)靜態(tài)部分將通信時(shí)間劃分為多個(gè)等時(shí)長的靜態(tài)時(shí)隙(Static Slot)，不同幀ID的靜態(tài)幀在相應(yīng)ID的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了報(bào)文發(fā)送的確定性。動(dòng)態(tài)部分將通信時(shí)間劃分為多個(gè)等時(shí)長的微時(shí)隙(Mini Slot)，不同幀ID的動(dòng)態(tài)幀在相應(yīng)ID的動(dòng)態(tài)時(shí)隙(Dynamic Slot)內(nèi)發(fā)送。一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)隙可以占用一個(gè)或多個(gè)微時(shí)隙，動(dòng)態(tài)幀的發(fā)送時(shí)間并不確定，根據(jù)動(dòng)態(tài)部分的負(fù)載情況可能延后發(fā)送，甚至延后到下一周期。在雙信道傳輸時(shí)，兩個(gè)信道的動(dòng)態(tài)幀的傳輸時(shí)間也可能不同。動(dòng)態(tài)幀的使用有效地提高了總線的實(shí)際帶寬，適用于發(fā)送對實(shí)時(shí)性要求不高的事件型報(bào)文，例如診斷報(bào)文、標(biāo)定報(bào)文。

　　FlexRay總線的NMPDU需要根據(jù)靜態(tài)幀和動(dòng)態(tài)幀的特點(diǎn)，選擇合適的發(fā)送方式。靜態(tài)幀能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的周期性發(fā)送，但是靜態(tài)幀的資源受限——出于安全性的考慮，同一ID的靜態(tài)時(shí)隙只能分配給一個(gè)節(jié)點(diǎn)。所以，使用靜態(tài)幀發(fā)送NMPDU需要考慮網(wǎng)絡(luò)的資源情況。而同一ID的動(dòng)態(tài)時(shí)隙可以分配給多個(gè)節(jié)點(diǎn)，以提高總線的利用率，但是動(dòng)態(tài)幀要考慮總線實(shí)際負(fù)載情況造成的發(fā)送延時(shí)。

　　(3)應(yīng)用層硬件支持

　　FlexRay總線協(xié)議的數(shù)據(jù)幀包含起始段(Header Segment)、凈荷段(Payload Segment)和結(jié)束段(Trailer Segment)(圖2)。起始段中的凈荷段指示位(Payload Preamble Indicator)指出在凈荷段開頭是否包含可選變量。如果是靜態(tài)幀，此位置1時(shí)表示凈荷段首先發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理向量(NM Vector)，長度為0-12字節(jié)(所有節(jié)點(diǎn)NM Vector長度相同)；如果是動(dòng)態(tài)幀，此位置1時(shí)表示凈荷段首先發(fā)送消息標(biāo)識(shí)符(Message ID)，長度為2字節(jié)。

圖2：FlexRay數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

　　FlexRay協(xié)議規(guī)定了凈荷段可選變量由數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)自動(dòng)寫入和讀取的服務(wù)，由FlexRay通信控制器芯片實(shí)現(xiàn)該功能，以簡化軟件并提高讀取速率。如果使用靜態(tài)幀的NM Vector發(fā)送NMPDU，接收節(jié)點(diǎn)可以通過讀取NM Vector寄存器，快速識(shí)別多個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)請求，從而有效提高信息的更新速率。

　　FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)管理需求

　　車載網(wǎng)絡(luò)管理的重要作用是協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)，適合FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)管理除了要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的功能外，還需要：

　　(1)采用分布式網(wǎng)絡(luò)管理方式。

　　FlexRay總線協(xié)議適用于分布式控制網(wǎng)絡(luò)，在通信調(diào)度表的實(shí)現(xiàn)和時(shí)鐘同步方面均采用了分布式的控制方式，即網(wǎng)絡(luò)中不存在Master或Slave節(jié)點(diǎn)。因此FlexRay總線也須采用分布式的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，即每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的執(zhí)行其網(wǎng)絡(luò)管理行為，狀態(tài)轉(zhuǎn)換基于自身的網(wǎng)絡(luò)請求條件和接收的NMPDU。

　　(2)通過周期性報(bào)文發(fā)送NMPDU。

　　由于FlexRay總線采用確定性通信方式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所有報(bào)文需要按照通信調(diào)度發(fā)送和接收。任何通信調(diào)度表設(shè)計(jì)之外的報(bào)文均有可能占用分配給其它節(jié)點(diǎn)的總線時(shí)間，從而破壞總線通信。所以，F(xiàn)lexRay總線不支持事件觸發(fā)的非確定性報(bào)文，NMPDU必須通過周期性報(bào)文在確定的時(shí)間發(fā)送。根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)要求，網(wǎng)絡(luò)管理周期可以設(shè)為FlexRay通信周期的整數(shù)倍，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理周期內(nèi)發(fā)送其NMPDU一次。

　　(3)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換和NM-Task必須與FlexRay通信周期配合執(zhí)行。

　　由于FlexRay總線采用周期通信的方式，F(xiàn)lexRay節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換必須在FlexRay通信周期的間隔處執(zhí)行，NM-Task的執(zhí)行需要在上一周期所有其它節(jié)點(diǎn)的NMPDU接收完成和下一周期發(fā)送本節(jié)點(diǎn)NMPDU之前完成。然而，F(xiàn)lexRay總線的全局時(shí)間每兩個(gè)通信周期調(diào)整一次，所以上述二者不能采用定時(shí)器方式執(zhí)行，必須與FlexRay通信周期配合執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍的同步執(zhí)行。

　　(4)根據(jù)兩種接入時(shí)序的特點(diǎn)，靈活使用靜態(tài)幀與動(dòng)態(tài)幀。

　　FlexRay靜態(tài)幀嚴(yán)格按照報(bào)文周期發(fā)送，但是靜態(tài)幀會(huì)占用一個(gè)靜態(tài)時(shí)隙。如果所有NMPDU均占用一個(gè)靜態(tài)時(shí)隙并且其發(fā)送周期遠(yuǎn)大于通信周期，則造成了帶寬的浪費(fèi)。而一個(gè)動(dòng)態(tài)幀ID可以分配給多個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)的NMPDU可以通過設(shè)定相同的幀ID，不同的循環(huán)計(jì)數(shù)值(Cycle Counter)在多個(gè)通信周期的相同動(dòng)態(tài)時(shí)隙發(fā)送，有效的提高了帶寬利用率。實(shí)際上，幀ID最小的動(dòng)態(tài)幀同樣可以滿足嚴(yán)格周期性發(fā)送。所以，靜態(tài)幀和動(dòng)態(tài)幀均可以用來發(fā)送NMPDU，需考慮網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)通信的實(shí)際情況靈活使用。

　　(5)合理利用靜態(tài)幀的NM Vector。

　　在FlexRay靜態(tài)幀中使用NM Vector可以顯著的提高網(wǎng)絡(luò)管理信息的更新速率，但是NM Vector的長度為0-12字節(jié)，且要求所有節(jié)點(diǎn)長度相同。如果NM Vector長度較短，如1-2字節(jié)，則可以同應(yīng)用報(bào)文合并一起發(fā)送，以避免帶寬的浪費(fèi)。所以，可在NM Vector中只發(fā)送關(guān)于節(jié)點(diǎn)地址、網(wǎng)絡(luò)請求狀態(tài)的信息，使用動(dòng)態(tài)幀發(fā)送NMPDU中可選的用戶數(shù)據(jù)(User Data)。

　　OSEK網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

　　OSEK網(wǎng)絡(luò)管理可以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，向上層軟件提供當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的配置，并使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)商進(jìn)入睡眠狀態(tài)。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理采用分布式網(wǎng)絡(luò)管理方式，定義了兩種網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制：直接網(wǎng)絡(luò)管理和間接網(wǎng)絡(luò)管理。

　　1.直接網(wǎng)絡(luò)管理

　　直接網(wǎng)絡(luò)管理使用特定的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，利用令牌環(huán)機(jī)制監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)后繼節(jié)點(diǎn)，邏輯環(huán)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是該邏輯環(huán)最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)，從而所有節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)邏輯環(huán)。直接網(wǎng)絡(luò)管理要求網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)管理并分配唯一的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)地址。節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送NMPDU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，OSCK NMPDU舉例如圖3所示。

圖3：OSEK NMPDU舉例。

　　節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送Alive報(bào)文建立令牌環(huán)，功能正常的節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期性(周期TTYP)的Ring報(bào)文指示該節(jié)點(diǎn)的功能正常，功能不正常的節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期性(周期TError)的Limphome報(bào)文指示該節(jié)點(diǎn)的跛行狀態(tài)。請求網(wǎng)絡(luò)睡眠的節(jié)點(diǎn)將NMPDU中的Sleep.Ind置1并發(fā)送請求，邏輯環(huán)中最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)同意睡眠后發(fā)送Sleep.Ack置1的NMPDU。所有節(jié)點(diǎn)接收到Sleep.Ack置1的NMPDU后，等待相同時(shí)間(TWaitBussleep)后轉(zhuǎn)至睡眠狀態(tài)。

　　相應(yīng)的，OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為NMAwake狀態(tài)和NMBusSleep狀態(tài)。在NMAwake狀態(tài)下按照網(wǎng)絡(luò)配置區(qū)分為NMNormal子狀態(tài)和NMLimphome子狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換基于內(nèi)部定時(shí)器及不同類型NMPDU文的接收。

　　2.間接網(wǎng)絡(luò)管理

　　間接網(wǎng)絡(luò)管理不需要NMPDU，而是通過監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的周期性應(yīng)用報(bào)文，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。節(jié)點(diǎn)發(fā)送的周期性應(yīng)用報(bào)文被成功接收即被認(rèn)為在線，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒有被成功接收即被認(rèn)為離線。間接網(wǎng)絡(luò)管理不需要網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文ID，較直接網(wǎng)絡(luò)管理簡單靈活，網(wǎng)絡(luò)開銷小。但是對于應(yīng)用上只需要接收網(wǎng)絡(luò)報(bào)文或只發(fā)送事件觸發(fā)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)需要增加專門的周期性報(bào)文。

　　OSEK網(wǎng)絡(luò)管理雖然沒有指定總線類型，但是其特性決定了其只適合于事件觸發(fā)的總線協(xié)議，如CAN總線，而不能用于FlexRay總線協(xié)議，因?yàn)椋汗?jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和NM-Task的執(zhí)行基于定時(shí)器的超時(shí)，無法與FlexRay通信周期同步；直接網(wǎng)絡(luò)管理采用令牌環(huán)機(jī)制，與FlexRay報(bào)文的確定性發(fā)送方式不符。

　　此外OSEK網(wǎng)絡(luò)管理沒有考慮FlexRay總線的不同接入時(shí)序、硬件支持和雙通道通信等特點(diǎn)。

　　AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

　　AUTOSAR組織提出了標(biāo)準(zhǔn)化的軟件平臺(tái)及不同總線協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范。AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理使用分布式的直接網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換基于節(jié)點(diǎn)請求網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)及周期性NMPDU的接收。節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)廣播發(fā)送的NMPDU表明發(fā)送節(jié)點(diǎn)意圖保持網(wǎng)絡(luò)的喚醒狀態(tài)。如果某節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)入總線睡眠狀態(tài)，則停止發(fā)送NMPDU，但只要接收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的NMPDU，就推遲總線睡眠模式的轉(zhuǎn)換。最終，如果節(jié)點(diǎn)因?yàn)榻邮詹坏絅MPDU而使預(yù)設(shè)的時(shí)間(FlexRay通信周期計(jì)數(shù)器)溢出，節(jié)點(diǎn)便進(jìn)入總線睡眠狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)需要總線通信，它可以通過發(fā)送NMPDU將網(wǎng)絡(luò)從總線睡眠狀態(tài)喚醒。

　　AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理功能通過網(wǎng)絡(luò)管理模塊和網(wǎng)絡(luò)管理接口模塊實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)管理模塊實(shí)現(xiàn)上述的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)類型(CAN、FlexRay)的特點(diǎn)規(guī)定了不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)定義、通信調(diào)度和附加功能等。網(wǎng)絡(luò)管理接口模塊實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理模塊和上層應(yīng)用軟件的隔離及網(wǎng)絡(luò)管理的協(xié)調(diào)功能。協(xié)調(diào)功能在網(wǎng)關(guān)中應(yīng)用，除規(guī)定不同類型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)調(diào)外，還規(guī)定了AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理同OSEK網(wǎng)絡(luò)管理間的協(xié)調(diào)。

　　AUTOSAR FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理充分考慮了FlexRay總線周期性通信的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地對NMPDU進(jìn)行了分離，充分發(fā)揮了靜態(tài)幀和動(dòng)態(tài)幀的優(yōu)勢。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)方面進(jìn)行了簡化，取消了Limphome狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)向睡眠的轉(zhuǎn)換更加迅速，也降低了開發(fā)難度。更重要地是，AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理在架構(gòu)上考慮了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)及與OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的協(xié)作，迎合了FlexRay總線作為數(shù)據(jù)主干網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

　　對比和結(jié)論

　　根據(jù)上文的論述，可以得出OSEK直接/間接網(wǎng)絡(luò)管理與AUTOSAR FlexRay NM的對比(圖4)。

圖4：網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議比較。

　　OSEK網(wǎng)絡(luò)管理中狀態(tài)轉(zhuǎn)換的執(zhí)行基于定時(shí)器，此特點(diǎn)決定了其適用于事件觸發(fā)的總線協(xié)議，而FlexRay總線是確定性通信總線。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理無法滿足網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換和NM-Task與FlexRay通信周期配合執(zhí)行的需求，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)分布式控制網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)同步轉(zhuǎn)換，不能用于FlexRay總線。

　　AUTOSAR FlexRay網(wǎng)絡(luò)管理充分考慮了FlexRay總線的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，滿足FlexRay總線高速、確定性通信的需求并體現(xiàn)了FlexRay總線硬件支持、靈活性的優(yōu)勢，是目前唯一適用于FlexRay總線的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。