FlexRay總線網絡管理策略

車載網絡管理的重要作用是協(xié)調網絡中的節(jié)點同步進入睡眠狀態(tài)。此外，車載網絡管理還應具備網絡監(jiān)測和診斷、網絡配置管理的作用。

　　FlexRay總線協(xié)議是FlexRay聯(lián)盟(FlexRay Consortium)制定的適用于汽車高速網絡的新一代車載總線，具備高傳輸速率、硬實時、安全性和靈活性的特點。FlexRay聯(lián)盟目前只規(guī)定了物理層協(xié)議和數據鏈路層協(xié)議，沒有制定網絡管理方面的標準。

　　FlexRay總線協(xié)議特性分析

　　(1)通信機制確定性

　　FlexRay總線采用周期通信的方式，一個通信周期(Communication Cycle)可以劃分為靜態(tài)部分、動態(tài)部分、特征窗(SW, Symbol Window)和網絡空閑時間(NIT, Network Idle Time)4個部分(圖1)。靜態(tài)部分和動態(tài)部分用來傳輸總線數據，即FlexRay報文。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)。網絡空閑時間用來實現(xiàn)分布式的時鐘同步和節(jié)點參數的初始化。FlexRay總線所有節(jié)點的通信周期必須保持同步。

圖1：FlexRay通信周期示例。

　　FlexRay節(jié)點如果通過發(fā)送網絡管理協(xié)議數據單元(NMPDU，Network Management Protocol Data Unit)進行網絡管理，NMPDU可以在靜態(tài)部分或動態(tài)部分周期性傳輸。而NMPDU發(fā)送的允許或禁止由節(jié)點網絡管理狀態(tài)決定，因此所有FlexRay節(jié)點的網絡管理狀態(tài)轉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間，在總線運行過程中會根據部分節(jié)點的時間進行實時調整，所以網絡管理狀態(tài)轉換不能以內部定時器的方式實現(xiàn)，必須使用計數器的方式配合總線通信周期實現(xiàn)，才能滿足所有節(jié)點同步轉換的要求。

　　(2)通信調度靈活性

　　FlexRay總線在一個通信周期采用了兩種接入時序：靜態(tài)部分采用時分多址(TDMA, Time Division Multiple Access)的接入時序，動態(tài)部分采用柔性時分多址(FTDMA, Flexible TDMA)的接入時序。(圖1)靜態(tài)部分將通信時間劃分為多個等時長的靜態(tài)時隙(Static Slot)，不同幀ID的靜態(tài)幀在相應ID的時隙內發(fā)送，實現(xiàn)了報文發(fā)送的確定性。動態(tài)部分將通信時間劃分為多個等時長的微時隙(Mini Slot)，不同幀ID的動態(tài)幀在相應ID的動態(tài)時隙(Dynamic Slot)內發(fā)送。一個動態(tài)時隙可以占用一個或多個微時隙，動態(tài)幀的發(fā)送時間并不確定，根據動態(tài)部分的負載情況可能延后發(fā)送，甚至延后到下一周期。在雙信道傳輸時，兩個信道的動態(tài)幀的傳輸時間也可能不同。動態(tài)幀的使用有效地提高了總線的實際帶寬，適用于發(fā)送對實時性要求不高的事件型報文，例如診斷報文、標定報文。

　　FlexRay總線的NMPDU需要根據靜態(tài)幀和動態(tài)幀的特點，選擇合適的發(fā)送方式。靜態(tài)幀能夠實現(xiàn)嚴格的周期性發(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)時隙只能分配給一個節(jié)點。所以，使用靜態(tài)幀發(fā)送NMPDU需要考慮網絡的資源情況。而同一ID的動態(tài)時隙可以分配給多個節(jié)點，以提高總線的利用率，但是動態(tài)幀要考慮總線實際負載情況造成的發(fā)送延時。

　　(3)應用層硬件支持

　　FlexRay總線協(xié)議的數據幀包含起始段(Header Segment)、凈荷段(Payload Segment)和結束段(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時表示凈荷段首先發(fā)送網絡管理向量(NM Vector)，長度為0-12字節(jié)(所有節(jié)點NM Vector長度相同)；如果是動態(tài)幀，此位置1時表示凈荷段首先發(fā)送消息標識符(Message ID)，長度為2字節(jié)。

圖2：FlexRay數據幀結構。

　　FlexRay協(xié)議規(guī)定了凈荷段可選變量由數據鏈路層實現(xiàn)自動寫入和讀取的服務，由FlexRay通信控制器芯片實現(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)點可以通過讀取NM Vector寄存器，快速識別多個節(jié)點的網絡請求，從而有效提高信息的更新速率。

　　FlexRay總線網絡管理需求

　　車載網絡管理的重要作用是協(xié)調網絡中的節(jié)點同步進入睡眠狀態(tài)，適合FlexRay總線的網絡管理除了要求實現(xiàn)網絡管理的功能外，還需要：

　　(1)采用分布式網絡管理方式。

　　FlexRay總線協(xié)議適用于分布式控制網絡，在通信調度表的實現(xiàn)和時鐘同步方面均采用了分布式的控制方式，即網絡中不存在Master或Slave節(jié)點。因此FlexRay總線也須采用分布式的網絡管理機制，即每個總線節(jié)點獨立的執(zhí)行其網絡管理行為，狀態(tài)轉換基于自身的網絡請求條件和接收的NMPDU。

　　(2)通過周期性報文發(fā)送NMPDU。

　　由于FlexRay總線采用確定性通信方式，網絡節(jié)點的所有報文需要按照通信調度發(fā)送和接收。任何通信調度表設計之外的報文均有可能占用分配給其它節(jié)點的總線時間，從而破壞總線通信。所以，F(xiàn)lexRay總線不支持事件觸發(fā)的非確定性報文，NMPDU必須通過周期性報文在確定的時間發(fā)送。根據實際網絡要求，網絡管理周期可以設為FlexRay通信周期的整數倍，每個節(jié)點在一個網絡管理周期內發(fā)送其NMPDU一次。

　　(3)節(jié)點的網絡管理狀態(tài)轉換和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)點的網絡管理狀態(tài)轉換必須在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)點的NMPDU接收完成和下一周期發(fā)送本節(jié)點NMPDU之前完成。然而，F(xiàn)lexRay總線的全局時間每兩個通信周期調整一次，所以上述二者不能采用定時器方式執(zhí)行，必須與FlexRay通信周期配合執(zhí)行，以實現(xiàn)網絡范圍的同步執(zhí)行。

　　(4)根據兩種接入時序的特點，靈活使用靜態(tài)幀與動態(tài)幀。

　　FlexRay靜態(tài)幀嚴格按照報文周期發(fā)送，但是靜態(tài)幀會占用一個靜態(tài)時隙。如果所有NMPDU均占用一個靜態(tài)時隙并且其發(fā)送周期遠大于通信周期，則造成了帶寬的浪費。而一個動態(tài)幀ID可以分配給多個節(jié)點，不同節(jié)點的NMPDU可以通過設定相同的幀ID，不同的循環(huán)計數值(Cycle Counter)在多個通信周期的相同動態(tài)時隙發(fā)送，有效的提高了帶寬利用率。實際上，幀ID最小的動態(tài)幀同樣可以滿足嚴格周期性發(fā)送。所以，靜態(tài)幀和動態(tài)幀均可以用來發(fā)送NMPDU，需考慮網絡和節(jié)點通信的實際情況靈活使用。

　　(5)合理利用靜態(tài)幀的NM Vector。

　　在FlexRay靜態(tài)幀中使用NM Vector可以顯著的提高網絡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)點長度相同。如果NM Vector長度較短，如1-2字節(jié)，則可以同應用報文合并一起發(fā)送，以避免帶寬的浪費。所以，可在NM Vector中只發(fā)送關于節(jié)點地址、網絡請求狀態(tài)的信息，使用動態(tài)幀發(fā)送NMPDU中可選的用戶數據(User Data)。

　　OSEK網絡管理協(xié)議

　　OSEK網絡管理可以監(jiān)控網絡中每個節(jié)點的狀態(tài)，向上層軟件提供當前網絡的配置，并使網絡中的節(jié)點能夠協(xié)商進入睡眠狀態(tài)。OSEK網絡管理采用分布式網絡管理方式，定義了兩種網絡管理機制：直接網絡管理和間接網絡管理。

　　1.直接網絡管理

　　直接網絡管理使用特定的網絡管理報文，利用令牌環(huán)機制監(jiān)控網絡。網絡中，每個節(jié)點都有一個后繼節(jié)點，邏輯環(huán)的第一個節(jié)點是該邏輯環(huán)最后一個節(jié)點的后繼節(jié)點，從而所有節(jié)點組成一個邏輯環(huán)。直接網絡管理要求網絡中所有的節(jié)點參與網絡管理并分配唯一的靜態(tài)節(jié)點地址。節(jié)點通過發(fā)送NMPDU進行網絡管理，OSCK NMPDU舉例如圖3所示。

圖3：OSEK NMPDU舉例。

　　節(jié)點通過發(fā)送Alive報文建立令牌環(huán)，功能正常的節(jié)點發(fā)送周期性(周期TTYP)的Ring報文指示該節(jié)點的功能正常，功能不正常的節(jié)點發(fā)送周期性(周期TError)的Limphome報文指示該節(jié)點的跛行狀態(tài)。請求網絡睡眠的節(jié)點將NMPDU中的Sleep.Ind置1并發(fā)送請求，邏輯環(huán)中最后一個節(jié)點同意睡眠后發(fā)送Sleep.Ack置1的NMPDU。所有節(jié)點接收到Sleep.Ack置1的NMPDU后，等待相同時間(TWaitBussleep)后轉至睡眠狀態(tài)。

　　相應的，OSEK直接網絡管理的網絡狀態(tài)分為NMAwake狀態(tài)和NMBusSleep狀態(tài)。在NMAwake狀態(tài)下按照網絡配置區(qū)分為NMNormal子狀態(tài)和NMLimphome子狀態(tài)。網絡狀態(tài)間的轉換基于內部定時器及不同類型NMPDU文的接收。

　　2.間接網絡管理

　　間接網絡管理不需要NMPDU，而是通過監(jiān)控節(jié)點的周期性應用報文，實現(xiàn)網絡的監(jiān)控。節(jié)點發(fā)送的周期性應用報文被成功接收即被認為在線，在預定時間內沒有被成功接收即被認為離線。間接網絡管理不需要網絡中的所有節(jié)點分配網絡管理報文ID，較直接網絡管理簡單靈活，網絡開銷小。但是對于應用上只需要接收網絡報文或只發(fā)送事件觸發(fā)報文的節(jié)點需要增加專門的周期性報文。

　　OSEK網絡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，因為：節(jié)點網絡管理狀態(tài)的轉換和NM-Task的執(zhí)行基于定時器的超時，無法與FlexRay通信周期同步；直接網絡管理采用令牌環(huán)機制，與FlexRay報文的確定性發(fā)送方式不符。

　　此外OSEK網絡管理沒有考慮FlexRay總線的不同接入時序、硬件支持和雙通道通信等特點。

　　AUTOSAR網絡管理協(xié)議

　　AUTOSAR組織提出了標準化的軟件平臺及不同總線協(xié)議的網絡管理規(guī)范。AUTOSAR網絡管理使用分布式的直接網絡管理機制，網絡狀態(tài)轉換基于節(jié)點請求網絡的狀態(tài)及周期性NMPDU的接收。節(jié)點接收到一個廣播發(fā)送的NMPDU表明發(fā)送節(jié)點意圖保持網絡的喚醒狀態(tài)。如果某節(jié)點準備進入總線睡眠狀態(tài)，則停止發(fā)送NMPDU，但只要接收到其它節(jié)點發(fā)送的NMPDU，就推遲總線睡眠模式的轉換。最終，如果節(jié)點因為接收不到NMPDU而使預設的時間(FlexRay通信周期計數器)溢出，節(jié)點便進入總線睡眠狀態(tài)。如果網絡中的任意節(jié)點需要總線通信，它可以通過發(fā)送NMPDU將網絡從總線睡眠狀態(tài)喚醒。

　　AUTOSAR網絡管理功能通過網絡管理模塊和網絡管理接口模塊實現(xiàn)。網絡管理模塊實現(xiàn)上述的網絡管理機制，根據不同網絡類型(CAN、FlexRay)的特點規(guī)定了不同的網絡狀態(tài)定義、通信調度和附加功能等。網絡管理接口模塊實現(xiàn)了網絡管理模塊和上層應用軟件的隔離及網絡管理的協(xié)調功能。協(xié)調功能在網關中應用，除規(guī)定不同類型網絡的網絡管理協(xié)調外，還規(guī)定了AUTOSAR網絡管理同OSEK網絡管理間的協(xié)調。

　　AUTOSAR FlexRay網絡管理充分考慮了FlexRay總線周期性通信的特點，創(chuàng)造性地對NMPDU進行了分離，充分發(fā)揮了靜態(tài)幀和動態(tài)幀的優(yōu)勢。同時在網絡管理狀態(tài)方面進行了簡化，取消了Limphome狀態(tài)，使網絡狀態(tài)向睡眠的轉換更加迅速，也降低了開發(fā)難度。更重要地是，AUTOSAR網絡管理在架構上考慮了網關節(jié)點的實現(xiàn)及與OSEK網絡管理的協(xié)作，迎合了FlexRay總線作為數據主干網的發(fā)展趨勢。

　　對比和結論

　　根據上文的論述，可以得出OSEK直接/間接網絡管理與AUTOSAR FlexRay NM的對比(圖4)。

圖4：網絡管理協(xié)議比較。

　　OSEK網絡管理中狀態(tài)轉換的執(zhí)行基于定時器，此特點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網絡管理無法滿足網絡管理狀態(tài)轉換和NM-Task與FlexRay通信周期配合執(zhí)行的需求，進而無法實現(xiàn)分布式控制網絡的狀態(tài)同步轉換，不能用于FlexRay總線。

　　AUTOSAR FlexRay網絡管理充分考慮了FlexRay總線的特點及應用領域，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總線的網絡管理協(xié)議。