Teilprojekt 2: IP-basierte Netze für eingebettete Systeme
Werbung
TP 2 Übersichtsvortrag IP-basierte Netze für eingebettete Systeme 20.09.2011 Dr. Thilo Streichert, Daimler AG Koordinator SEIS: Daniel Herrscher • • [email protected] Thilo Streichert, 20.09.2011 Seite 1 Ausgangssituation Als Schnittstelle zur Außenwelt und für die Fahrzeugübergreifende Kommunikation kommt zunehmend IP (teilweise mit Ethernet) zum Einsatz 001001110100 110010001000 111111010101 011100111001 110011010101 110000111101 010101100101 110011110010 101011011010 101000011110 Ladekommunikation Bei Fahrzeuginterner Kommunikation wird ein zunehmender Bandbreitenbedarf gesehen Bandbreite #Signale #ECUs W110/112 W120/121 W114/115 W123W124 W210 W211 LIN, CAN W212 FlexRay ? Quelle: N. Reindl, ELMOS-Workshop 2010 Diagnose Seite 2 Technologieauswahl (AP2.1) Consumer-Elektronik Industrieautomatisierung Luft- und Raumfahrt Automotive-Industrie • • • • • • Powerline Communication Ethernet mit Audio/Video-Bridging IEEE1394 (Firewire) WLAN 802.11 Bluetooth UMTS • AFDX • TTEthernet • • • • • Profinet EtherCAT Powerlink SafetyNET SERCOS III • MOST150 • FlexRay Auswahlkriterien: • Technische Kriterien: Echtzeitfähigkeit, Protokolleffizienz, Flexibilität,… • Ökonomische Kriterien: Verbreitung, Standard, … Ergebnis: • Ethernet mit Erweiterungen wie AVB wird zur weiteren Untersuchung ausgewählt Seite 3 Ethernet mit AVB-Erweiterung Anwendung UDP/TCP/… IPv4/IPv6 IEEE 1722 Traffic Time Shaping Sync. Ethernet Bandwidth Reservation Anpassung von Ethernet/AVB und IP für die Fahrzeuginterne Kommunikation und als Schnittstelle zur Außenwelt Seite 4 Gliederung Anwendung UDP/TCP/… IPv4/IPv6 IEEE 1722 Traffic Time Shaping Sync. Ethernet Bandwidth Reservation Absicherung von Ethernet, sodass EMV-Anforderungen erfüllt werden und Erweiterung um Weckmechanismen Seite 5 Physikalische Eigenschaften (AP2.2) Verkabelungsaufwand bei etablierten Automotive-Kommunikationstechnologien • Unshielded-Twisted-Pair (CAN, FlexRay): • Coax (Antennenanbindung): • Shielded-Twisted-Quad (LVDS): • Optische Polymerfasern (MOST): Ethernet-Variante (BroadR-Reach) ermöglicht die Übertragung von 100MBit/s bei gleichem Verkabelungsaufwand wie CAN oder FlexRay Quelle: Ergebnisdokument AP2.2 • Störabstrahlung und –Festigkeit erfüllt nach aktuellem Kenntnisstand AutomotiveAnforderungen Seite 6 Weckfähigkeit und Energiemanagement (AP2.2 & 2.4) • Existierende CAN-Transceiver verfügen über Mechanismen für das Wecken von ECUs über den Bus • Leistungsaufnahme muss im Bereich von µW liegen • Ethernet-Mechanismen wie Wake-on LAN oder Energy Efficient Ethernet haben zu hohe Leistungsaufnahme • Mögliche Ansätze: Activation Lines: Power over Ethernet: Energy Detection: µC Power Supply PHY PHY µC Power Supply PHY PHY Energy Power Detect Supply idle pattern, link pulse, etc. PHY PHY • (Selektives) An- und Abschalten von ECUs durch Netzwerkmanagement 14:00 Netzwerkmanagement in IP-basierten Fahrzeugnetzwerken Conti Norbert Balbierer Seite 7 Gliederung Anwendung UDP/TCP/… IPv4/IPv6 IEEE 1722 Traffic Time Shaping Sync. Ethernet Bandwidth Reservation Bewertung des Traffic Shaping und Time Synchronization für den Einsatz in Echtzeitanwendungen z.B. aus dem Fahrerassistenzbereich Seite 8 Echtzeiteigenschaften (AP2.5 & 2.7) Time-Synchronization: • Verteilte Uhren werden zu einer globalen Zeitbasis synchronisiert Anwendungsszenario: • Bei Sensordatenfusion kann das Alter der Daten bestimmt und zur Fusion verwendet werden • Synchrones Abspielen von Audio/VideoDaten, da Wiedergabezeitpunkt von Audio/Video-Samples definiert ist (Presentation Time) Grand Master Clock Transparent oder Boundary Clock Slave Clock Slave Clock Außenbereich (Sonne, Schnee): Hohe/niedrige Temperatur Forschungsergebnisse: • Bewertung der Uhrensynchronität unter Fahrzeugbedingungen 14:30 Experimentelle Bewertung der Synchronisationsgenauigkeit von IEEE 802.1AS für variierende Temperaturbedingungen Motorraum: Hohe Temperatur Daimler Andreas Kern Seite 9 Echtzeiteigenschaften (AP2.5 & 2.7) Bewertung des zeitlichen Verhaltens mit und ohne AVB AVB Traffic Shaping mittels Credit-based Shaping: • Bandbreitenbegrenzung und –Garantie für Nachrichtenströmen • Priorisierung von Nachrichtenströmen • Analytische Bestimmung von oberen Schranken für Latenzen möglich ECU ECU ECU Forschungsergebnisse: AVB-Nachrichten (hohe Priorität) FIFO 2 Credit Based Shaper Credit Based Shaper FIFO 3 Standard Ethernet (niedrige Priorität) Port-Scheduler • Modellierung und simulative Bewertung des zeitlichen Verhaltens von Ethernet-AVB-Nachrichtenströmen • Vergleich der simulativen und analytischen Bewertung sowie Bestimmung der Überapproximation im analytischen Fall FIFO 1 FIFO 4 Switch 13:00 Performance Schranken in der Fahrzeugkommunikation Simulation vs. Worst Case Scheduling EADS / BMW F&T Heidinger / Lim Seite 10 Gliederung Anwendung UDP/TCP/… IPv4/IPv6 IEEE 1722 Traffic Time Shaping Sync. Ethernet Bandwidth Reservation Konzeptentwicklung für eine einheitliche IP-basierte Kommunikation Seite 11 IP-Adresskonzept Vorschlag für Automotive-Adresskonzept: • • • Adresskonzept unterscheidet zwischen interner und externer Kommunikation Intern: ECUs haben Fahrzeug/Baureihen-übergreifend die gleiche IP-Adresse wg. verbesserter Aufstartzeiten und Entwicklungsmöglichkeit Extern: Dynamische Adresszuweisung, da statische Adressen zu Konflikten in z.B. Werkstattnetzen führen können Fahrzeug 3 Interne Kommunikation (VLAN A) Diagnose Kommunikation (VLAN B oder untagged) Externe Kommunikation IP1: O.E.M.1/24 IP2: W.S.T.3 IP3: W.W.W.99 IP1: O.E.M.64/24 IP2: W.S.T.11 IP1: O.E.M.51/24 IP2: W.S.T.5 ECU 2 ECU 1 ECU 4 IP1: O.E.M.21/24 IP2: W.S.T.80 Fahrzeug 1 Fahrzeug 2 ECU 1 Diagnose ECU 3 Internet Werkstatt Netzwerk Seite 12 Architektur-Exploration und Migrationsszenario Fzg.-Schnittstelle (Diagnose: DoIP+Ethernet) Abgeschlossenes System (Ethernet als Kamera-Link) Chassis Powertrain LIN Powertrain Chassis ... Lightning System Lightning System LIN ... ... ... ... Engine Control ESP Chassis Powertrain Netzwerktechnologie (Domänen/Backbone-Bus) LIN ... ... Gear Control CAN Lightning System CAN ... Radio CAN Engine Control CAN Door Module Radio ... Body 1985 1990 1995 LIN ... 2000 BodyComputer CAN Telematik Gateway Radio ... Ethernet/IP zusätzlich zu CAN, FlexRay, … ... ... ... Telematik Gear Control CAN CAN Telematik Gateway ... Body ... Central Gateway CAN BodyComputer ... ... ESP Central Gateway Door Module LIN ... MOST Telematik 2005 Body LIN ... MOST Telematik 20XX Seite 13 Architekturelemente zur Migration Konzept und Bewertung der Protokollumsetzung von etablierten Bussystemen (CAN, FlexRay, etc.) zu Ethernet/IP Anpassung von Sendetypen • Welche Sendetypen kommen bei Ethernet/IP zum Einsatz? (zyklisch, spontan, etc.) Adressierung • Übergang von Nachrichten- auf Knoten/Verbindungsadressierung Msg Msg Msg ECU Msg ECU Msg ECU Msg Switch Msg Msg Paketformat • Effiziente Ausnutzung der Frame-Größe ECU Msg Msg Hdr Msg Msg Msg Msg Msg 13:30 Application and Realization of Gateways between conventional Automotive and IP/Ethernet based Networks Conti Helge Zinner Seite 14 Zusammenfassung SEIS hat Grundlagenabsicherung und Konzeptentwicklung für den Einsatz von Ethernet/AVB mit IP im Fahrzeug durchgeführt Die Zwischenergebnisse liegen in Form von Ergebnisdokumenten zu den folgenden Arbeitspaketen vor: • • • • • • • AP2.1 AP2.2 AP2.3 AP2.4 AP2.5 AP2.6 AP2.7 Automobilspezifische Modifikation bestehender Standards Physikalische Eigenschaften Einheitliche IP-basierte Kommunikation Verfahren zum Netzwerkmanagement Real-Time-Eigenschaften Architekturexploration und –Migration Quality-of-Service 13:00 Performance Schranken in der Fahrzeugkommunikation Simulation vs. Worst Case Scheduling EADS / BMW F&T Heidinger / Lim 13:30 Application and Realization of Gateways between conventional Automotive and IP/Ethernet based Networks Conti Helge Zinner 14:00 Netzwerkmanagement in IP-basierten Fahrzeugnetzwerken Conti Norbert Balbierer 14:30 Experimentelle Bewertung der Synchronisationsgenauigkeit von IEEE 802.1AS für variierende Temperaturbedingungen Daimler Andreas Kern Seite 15