FlexRay總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理策略

車(chē)載網(wǎng)絡(luò )管理的重要作用是協(xié)調網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此外，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )管理還應具備網(wǎng)絡(luò )監測和診斷、網(wǎng)絡(luò )配置管理的作用。

　　FlexRay總線(xiàn)協(xié)議是FlexRay聯(lián)盟(FlexRay Consortium)制定的適用于汽車(chē)高速網(wǎng)絡(luò )的新一代車(chē)載總線(xiàn)，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)盟目前只規定了物理層協(xié)議和數據鏈路層協(xié)議，沒(méi)有制定網(wǎng)絡(luò )管理方面的標準。

　　FlexRay總線(xiàn)協(xié)議特性分析

　　(1)通信機制確定性

　　FlexRay總線(xiàn)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(lái)傳輸總線(xiàn)數據，即FlexRay報文。特征窗用來(lái)發(fā)送喚醒特征符(WUS, Wake Up Symbol)和媒介訪(fǎng)問(wèn)檢測特征符(MTS, Media Access Test Symbol)。網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)間用來(lái)實(shí)現分布式的時(shí)鐘同步和節點(diǎn)參數的初始化。FlexRay總線(xiàn)所有節點(diǎn)的通信周期必須保持同步。

圖1：FlexRay通信周期示例。

　　FlexRay節點(diǎn)如果通過(guò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議數據單元(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點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)決定，因此所有FlexRay節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)轉換必須在通信周期的間隔處執行。然而，FlexRay總線(xiàn)的通信周期為全局時(shí)間，在總線(xiàn)運行過(guò)程中會(huì )根據部分節點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，所以網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)轉換不能以?xún)炔慷〞r(shí)器的方式實(shí)現，必須使用計數器的方式配合總線(xiàn)通信周期實(shí)現，才能滿(mǎn)足所有節點(diǎn)同步轉換的要求。

　　(2)通信調度靈活性

　　FlexRay總線(xiàn)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(cháng)的靜態(tài)時(shí)隙(Static Slot)，不同幀ID的靜態(tài)幀在相應ID的時(shí)隙內發(fā)送，實(shí)現了報文發(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(cháng)的微時(shí)隙(Mini Slot)，不同幀ID的動(dòng)態(tài)幀在相應ID的動(dòng)態(tài)時(shí)隙(Dynamic Slot)內發(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，根據動(dòng)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(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(xiàn)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文，例如診斷報文、標定報文。

　　FlexRay總線(xiàn)的NMPDU需要根據靜態(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)幀能夠實(shí)現嚴格的周期性發(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(shí)隙只能分配給一個(gè)節點(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)節點(diǎn)，以提高總線(xiàn)的利用率，但是動(dòng)態(tài)幀要考慮總線(xiàn)實(shí)際負載情況造成的發(fā)送延時(shí)。

　　(3)應用層硬件支持

　　FlexRay總線(xiàn)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(kāi)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(cháng)度為0-12字節(所有節點(diǎn)NM Vector長(cháng)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)送消息標識符(Message ID)，長(cháng)度為2字節。

圖2：FlexRay數據幀結構。

　　FlexRay協(xié)議規定了凈荷段可選變量由數據鏈路層實(shí)現自動(dòng)寫(xiě)入和讀取的服務(wù)，由FlexRay通信控制器芯片實(shí)現該功能，以簡(jiǎn)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，接收節點(diǎn)可以通過(guò)讀取NM Vector寄存器，快速識別多個(gè)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )請求，從而有效提高信息的更新速率。

　　FlexRay總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理需求

　　車(chē)載網(wǎng)絡(luò )管理的重要作用是協(xié)調網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)，適合FlexRay總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )管理除了要求實(shí)現網(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(xiàn)協(xié)議適用于分布式控制網(wǎng)絡(luò )，在通信調度表的實(shí)現和時(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節點(diǎn)。因此FlexRay總線(xiàn)也須采用分布式的網(wǎng)絡(luò )管理機制，即每個(gè)總線(xiàn)節點(diǎn)獨立的執行其網(wǎng)絡(luò )管理行為，狀態(tài)轉換基于自身的網(wǎng)絡(luò )請求條件和接收的NMPDU。

　　(2)通過(guò)周期性報文發(fā)送NMPDU。

　　由于FlexRay總線(xiàn)采用確定性通信方式，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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點(diǎn)的總線(xiàn)時(shí)間，從而破壞總線(xiàn)通信。所以，FlexRay總線(xiàn)不支持事件觸發(fā)的非確定性報文，NMPDU必須通過(guò)周期性報文在確定的時(shí)間發(fā)送。根據實(shí)際網(wǎng)絡(luò )要求，網(wǎng)絡(luò )管理周期可以設為FlexRay通信周期的整數倍，每個(gè)節點(diǎn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理周期內發(fā)送其N(xiāo)MPDU一次。

　　(3)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)轉換和NM-Task必須與FlexRay通信周期配合執行。

　　由于FlexRay總線(xiàn)采用周期通信的方式，FlexRay節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)轉換必須在FlexRay通信周期的間隔處執行，NM-Task的執行需要在上一周期所有其它節點(diǎn)的NMPDU接收完成和下一周期發(fā)送本節點(diǎn)NMPDU之前完成。然而，FlexRay總線(xiàn)的全局時(shí)間每?jì)蓚€(gè)通信周期調整一次，所以上述二者不能采用定時(shí)器方式執行，必須與FlexRay通信周期配合執行，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )范圍的同步執行。

　　(4)根據兩種接入時(shí)序的特點(diǎn)，靈活使用靜態(tài)幀與動(dòng)態(tài)幀。

　　FlexRay靜態(tài)幀嚴格按照報文周期發(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)送周期遠大于通信周期，則造成了帶寬的浪費。而一個(gè)動(dòng)態(tài)幀ID可以分配給多個(gè)節點(diǎn)，不同節點(diǎn)的NMPDU可以通過(guò)設定相同的幀ID，不同的循環(huán)計數值(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(mǎn)足嚴格周期性發(fā)送。所以，靜態(tài)幀和動(dòng)態(tài)幀均可以用來(lái)發(fā)送NMPDU，需考慮網(wǎng)絡(luò )和節點(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(zhù)的提高網(wǎng)絡(luò )管理信息的更新速率，但是NM Vector的長(cháng)度為0-12字節，且要求所有節點(diǎn)長(cháng)度相同。如果NM Vector長(cháng)度較短，如1-2字節，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(guān)于節點(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(hù)數據(User Data)。

　　OSEK網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議

　　OSEK網(wǎng)絡(luò )管理可以監控網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)的狀態(tài)，向上層軟件提供當前網(wǎng)絡(luò )的配置，并使網(wǎng)絡(luò )中的節點(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 )管理報文，利用令牌環(huán)機制監控網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)后繼節點(diǎn)，邏輯環(huán)的第一個(gè)節點(diǎn)是該邏輯環(huán)最后一個(gè)節點(diǎn)的后繼節點(diǎn)，從而所有節點(diǎn)組成一個(gè)邏輯環(huán)。直接網(wǎng)絡(luò )管理要求網(wǎng)絡(luò )中所有的節點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò )管理并分配唯一的靜態(tài)節點(diǎn)地址。節點(diǎn)通過(guò)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。

　　節點(diǎn)通過(guò)發(fā)送Alive報文建立令牌環(huán)，功能正常的節點(diǎn)發(fā)送周期性(周期TTYP)的Ring報文指示該節點(diǎn)的功能正常，功能不正常的節點(diǎn)發(fā)送周期性(周期TError)的Limphome報文指示該節點(diǎn)的跛行狀態(tài)。請求網(wǎng)絡(luò )睡眠的節點(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)節點(diǎn)同意睡眠后發(fā)送Sleep.Ack置1的NMPDU。所有節點(diǎn)接收到Sleep.Ack置1的NMPDU后，等待相同時(shí)間(TWaitBussleep)后轉至睡眠狀態(tài)。

　　相應的，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 )配置區分為NMNormal子狀態(tài)和NMLimphome子狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)間的轉換基于內部定時(shí)器及不同類(lèi)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(guò)監控節點(diǎn)的周期性應用報文，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的監控。節點(diǎn)發(fā)送的周期性應用報文被成功接收即被認為在線(xiàn)，在預定時(shí)間內沒(méi)有被成功接收即被認為離線(xiàn)。間接網(wǎng)絡(luò )管理不需要網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )管理報文ID，較直接網(wǎng)絡(luò )管理簡(jiǎn)單靈活，網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)小。但是對于應用上只需要接收網(wǎng)絡(luò )報文或只發(fā)送事件觸發(fā)報文的節點(diǎn)需要增加專(zhuān)門(mén)的周期性報文。

　　OSEK網(wǎng)絡(luò )管理雖然沒(méi)有指定總線(xiàn)類(lèi)型，但是其特性決定了其只適合于事件觸發(fā)的總線(xiàn)協(xié)議，如CAN總線(xiàn)，而不能用于FlexRay總線(xiàn)協(xié)議，因為：節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)的轉換和NM-Task的執行基于定時(shí)器的超時(shí)，無(wú)法與FlexRay通信周期同步；直接網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )管理沒(méi)有考慮FlexRay總線(xiàn)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組織提出了標準化的軟件平臺及不同總線(xiàn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )管理規范。AUTOSAR網(wǎng)絡(luò )管理使用分布式的直接網(wǎng)絡(luò )管理機制，網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)轉換基于節點(diǎn)請求網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)及周期性NMPDU的接收。節點(diǎn)接收到一個(gè)廣播發(fā)送的NMPDU表明發(fā)送節點(diǎn)意圖保持網(wǎng)絡(luò )的喚醒狀態(tài)。如果某節點(diǎn)準備進(jìn)入總線(xiàn)睡眠狀態(tài)，則停止發(fā)送NMPDU，但只要接收到其它節點(diǎn)發(fā)送的NMPDU，就推遲總線(xiàn)睡眠模式的轉換。最終，如果節點(diǎn)因為接收不到NMPDU而使預設的時(shí)間(FlexRay通信周期計數器)溢出，節點(diǎn)便進(jìn)入總線(xiàn)睡眠狀態(tài)。如果網(wǎng)絡(luò )中的任意節點(diǎn)需要總線(xiàn)通信，它可以通過(guò)發(fā)送NMPDU將網(wǎng)絡(luò )從總線(xiàn)睡眠狀態(tài)喚醒。

　　AUTOSAR網(wǎng)絡(luò )管理功能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )管理模塊和網(wǎng)絡(luò )管理接口模塊實(shí)現。網(wǎng)絡(luò )管理模塊實(shí)現上述的網(wǎng)絡(luò )管理機制，根據不同網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型(CAN、FlexRay)的特點(diǎn)規定了不同的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)定義、通信調度和附加功能等。網(wǎng)絡(luò )管理接口模塊實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )管理模塊和上層應用軟件的隔離及網(wǎng)絡(luò )管理的協(xié)調功能。協(xié)調功能在網(wǎng)關(guān)中應用，除規定不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)調外，還規定了AUTOSAR網(wǎng)絡(luò )管理同OSEK網(wǎng)絡(luò )管理間的協(xié)調。

　　AUTOSAR FlexRay網(wǎng)絡(luò )管理充分考慮了FlexRay總線(xiàn)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(jiǎn)化，取消了Limphome狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)向睡眠的轉換更加迅速，也降低了開(kāi)發(fā)難度。更重要地是，AUTOSAR網(wǎng)絡(luò )管理在架構上考慮了網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的實(shí)現及與OSEK網(wǎng)絡(luò )管理的協(xié)作，迎合了FlexRay總線(xiàn)作為數據主干網(wǎng)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(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)轉換的執行基于定時(shí)器，此特點(diǎn)決定了其適用于事件觸發(fā)的總線(xiàn)協(xié)議，而FlexRay總線(xiàn)是確定性通信總線(xiàn)。OSEK網(wǎng)絡(luò )管理無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)轉換和NM-Task與FlexRay通信周期配合執行的需求，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現分布式控制網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)同步轉換，不能用于FlexRay總線(xiàn)。

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