車載FlexRay網絡管理策略的初步研究

　　網絡管理的目標是保障網絡可靠、有效地運行。在一般的計算機網絡中，網絡管理包含配置管理、性能管理及安全管理。車載網絡是面向實時控制的一類網絡，因此它采取的網絡管理策略與計算機網絡的管理策略有很大區別。本文旨在探討0SEK／VDX NM標準在FlexRay總線協議中的應用。

1 FlexRay簡介

　　F1exRay是高速串行通信的車載網絡，它的帶寬高、可靠性高、靈活、實時性強的特點，可以很好地滿足現代車載控制系統的強實時需求。目前已成立的FlexRay聯盟正在推廣FlexRay標準，主要成員包括BMW、Daimler—Chrvsler、Freescale、Bosch和Philips等，在BMW X5上，FlexRay已有實際應用。

　　與事件觸發的CAN網絡不同，FlexRay是一種能夠兼容事件觸發的時間觸發總線協議。它的介質訪問方式為FTDMA(靈活的時分多路訪問)。FTDMA不同于TDMA(時分多路訪問)。TDMA靜態地分配時間片(timeslot)，可能造成某些節點沒有數據可發卻占用了一定的時間片，造成資源浪費。

　　一個FlexRay循環包括靜態數據段和動態數據段，如圖1所示。兩段可以同時出現，也可以只有其中一種。靜態數據段被分成相等的靜態時間片，每個節點最多分配16個時間片，每個時間片有唯一的標識符。動態數據段用于事件觸發消息及診斷信息的傳輸，但時間和帶寬是受限的。

2 OSEK／VDX車載網絡管理

　　OSEK／VDX網絡管理的主要任務是保證網絡中各個ECU之間通信的可靠性和安全性。OSEK NM定義了直接網絡管理和間接網絡管理兩種網絡管理方法，同時定義了監測靜態網絡節點狀態的規范，并提供控制網絡管理組件接口程序。另外，在汽車應用中大多數網絡是靜態配置的，所以網絡中的節點大多固定，具有一個獨一無二的標識符，用OSEK NM對其進行管理是非常合適的，因此現在國外各大汽車制造廠商應用的幾乎都是基于OSEKNM的管理算法。

　　通常在車輛環境下ECU有3種不同的工作模式：正常模式(normal operation)、低功耗模式(low power)和睡眠模式(sleep)。網絡管理要在整個通信系統范圍內協調各個ECU節點工作狀態的切換，以減少總線的負載及功率損耗。OSEK VDX定義的網絡管理主要具備：網絡配置功能(OSEK NM將網絡配置區分為normal和1imphome兩個級別)，狀態管理功能(哪些節點在網絡上處于活躍狀態)和睡眠管理功能。

　　網絡管理的各種功能最終需要網絡協議來實現，0S—EK NM定義了網絡管理協議數據單元(Network Man—agement Protocol Data Unit，NMPDU)。如圖2所示，它包含了所有網絡管理要求的消息。

3 OSEK／VDX的FlexRay網絡管理協議

　　在OSEK／VDX NM中，要求參與網絡通信的每個節點有獨立的標識符，各節點依照邏輯環的順序發送網絡管理消息。邏輯環獨立于網絡的物理結構，每個節點具有一個邏輯后繼節點，邏輯環第一個節點是該邏輯環最后一個節點的邏輯后繼。

　　FlexRay是時間觸發的總線協議，因此FlexRay網絡管理消息在發送時，可以脫離邏輯環的模式，而且NMP—DU可以不需要源節點和目標節點的ID。

　　圖3給出了一個與OSEK／VDX標準兼容的FlexRayNMPDU。圖中，Byte 0為源節點ID，保留它是為了與OSEK標準兼容；Byte 1則包含網絡管理協議的一系列標識符，Sleep Ind(休眠指示)位與Sleep Ack(休眠確認)位是必需的，節點是否切換進入休眠模式由這兩個標識符來決定，Ring位也是為了與OSEK標準兼容，其他位(如Config位等)為1；Byte2～7為將來擴展保留。

4 AUTOSAR針對FlexRay的網絡管理

　　為了與FlexRay的應用前景相適應，AUTOSAR組織已經基于OSEK／VDX定義了一套針對FlexRay的網絡管理規范。針對FlexRay，AUTOSAR v2．O．1將網絡管理模塊劃分為2個部分：Generic NM和F1exRay NM。在這一規定中，每個節點必須周期性地發送一個網絡管理信息，也就是按事先設定好的時間觸發順序進行網絡管理信息的傳輸，直到所有節點不再進行任何總線通信為止。如果在一個系統定義的時間周期內，傳輸介質上沒有發送或收到任何網絡管理信息時，節點將同步轉入總線休眠模式狀態(BUS_SLEEP_MODE)。這里給出了一個可行的網絡管理的狀態機，如圖4所示。

　　圖中的幾個狀態分別是：

　　◆NETw0RK_MODE(網絡工作狀態)及其包含的子狀態
　　一NORMAL_0PERATION(正常工作狀態)
　　一REPEAT_MESSAGE(進入NETWORK_MODE時的初始狀態)
　　一READY__SLEEP(準備進入休眠狀態)
　　◆PREPARE_BUS_SLEEP_MODE(總線準備進入休眠狀態)
　　◆BUS_SLEEP_MODE(總線休眠狀態)

　　這里所給出的網絡管理狀態機，參照了AUTOSAR中關于NM的標準，使用最簡化的算法結構來實現最大化的效率及高穩定性，減少了總線的通信負荷及復雜性。在具體實現中，網絡管理位于FlexRay通信系統的最頂層，動態部分的第一個時間片用來傳輸網絡管理信息。每個節點把自己的網絡管理ID與FlexRay通信系統當時的循環數比較，如果相符，則這一節點發送此次通信循環的網絡管理消息，所有其他節點接受這一消息。

5  網絡管理測試實例

　　為了驗證上文所述FlexRay網絡管理的實用性及其應用前景，一家德國汽車OEM廠商已在多種網絡拓撲結構下對FlexRay NM進行了評估。實際上，AUTOSAR應用于F1exRay的網絡管理也已經結合Vector公司的FlexRay—Stack進行應用。測試中特別著眼于以下3方面：與AUTOSAR規范保持一致、系統的穩定性，以及在將一個節點重新引入總線系統時，FlexRay—Stack的重新同步情況。

   實驗中，搭建了一個基于NXP SJA2510的簡化通信節點平臺，NXP SJA2510是集成了F1exRay通信控制器的ARM9微控制器。FlexRay—Stack包含了FlexRay的網絡管理組件(generic和FlexRay協議)。

　　實驗中測試了以下的硬件拓撲結構：

　　①總線拓撲結構上直接連接FlexRay節點；
　　②用FlexRay收發器TJAl080互連的方式來實現主動星型拓撲結構，如圖5所示。

　　上述測試系統可以用來了解混合拓撲結構下的實際系統情況，以確定F1exRay網絡管理模塊在不同拓撲結構下的容錯程度。

　　實驗結果是:網絡系統工作平穩,與AUTOSAR規范保持一致,將一個節點重新引入總線系統時,FlexRay-StacK的重新同步情況良好,即添加和減少節點時,網絡仍能良好地進行通信

6 結 論

　　FlexRay的網絡管理與其他的事件觸發的總線協議(如CAN)不同，并擁有以下優勢：①網絡管理啟動時不會造成網絡擁堵，由于是時間觸發，在任何網絡狀態下它所產生的網絡負荷不變；②響應迅速；③容錯度高。網絡管理可以很好地保證F1exRay在高速、高靈活性的同時，可靠、安全地進行通信。在可靠、安全的前提下，合適的網絡管理使F1exRay在靈活性方面的優勢更加凸現。