Robuste Software Architekturen für die Car2X Kommunikation

Transkript

1 Robuste Software Architekturen für die Car2X Kommunikation Dr.-Ing. Ralf Münzenberger, Gründer und Geschäftsführer Ingo Houben, Business Development Landshut, 24. September 2014

2 Echtzeit beherrschen Over and out! Roger! 2

3 Abstract In bisherigen Betrachtungen wird der Datenfluss für die Kommunikation unter den einzelnen Steuergeräten innerhalb von Fahrzeugen untersucht. Diese Untersuchungen sind Standard für die Bestimmung der Auslegung einer System- und Softwarearchitektur in einem Fahrzeug. Der Datenfluss, die sogenannte Event Chain, kann über meherer Steuergeräte mit verschiedenen OS gehen. Diese sind untereinander mit CAN, LIN, FlexRay oder auch über Ethernet verbunden. Dieser Datenfluss erfolgt ausschließlich im geschlossenen System. Durch die CAR2X Kommunikation kommen nun Informationen von aussen hinzu, die Auswirkungen auf das interne Verhalten haben können. Die CAR2X Kom. stellt sehr strenge Anforderungen an max. Latenzzeiten der Event Chains. Diese verteilen sich auf das Erkennen des Ereigniss, Bereitstellung und Übertragung der Informationen über eine Luftschnittstelle im 1. Fahrzeug, sowie das Aufnehmen der Daten, die Auswertung und Durchführung der daraus resultierende Aktionen im 2. Fahrzeug. Um die Sicherheit zu gewährleisten müssen Verfahren eingesetzt werden, wie z.b. asymetrische Kryptographie, die zur Verfikation und Signierung dienen. Diese Massnahmen kosten Laufzeit und haben einen großen Einfluß auf die Event Chain. Werden nun die Anforderungen auf ein Szenario wie eine Notbremsung übertragen, wird klar, warum harte Echtzeitanforderungen vorliegen. Die Auslegung der Systemund Software Archtitektur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Performanz, max. Latenzzeiten und somit auf das Echtzeitverhalten. In einem WC-Scenario muss das System bis zu 1k Nachrichten pro Sek. verarbeiten, verifizieren, auswerten und ggf. weiter senden. Da die Anforderungen der CAR2X Kommunikation vorschreiben, die Daten in einer Datenbank (LDM) vorzuhalten, müssen zusätzliche Operationen ausgeführt und mit aktuellen Fahrzeugdaten zusammengeführt werden. Erst dann kann bestimmt werden, ob die ankommenden Daten auch für das Fahrzeug bedeutend sind. 3

4 Abstract In diesem Vortrag wird darauf eingegangen, welche Anforderungen an eine Archtitektur für die Beherrschung der CAR2X Kommunikation gestellt wird. Es werden verschiedene Aspekte für die Auslegung einer adäquaten Architektur diskutiert und es wird aufgezeigt, wie diese mit einer bestehenden Fahrzeugarchitektur zusammen arbeiten muss. Gefahrenpotenzial durch falsche Architekturentscheidungen wird näher erläutert. Durch die Untersuchung von Event-Chains wird eine Methodik vorgestellt die Systemauslegung zu validieren und im Fehlerfall Anhaltspunkte für eine Optimierung zu erhalten. Dies schliesst die Betrachtung der Performanz, der sich ergebenen Latenzen und der Struktur des Systems einschließlich der Software-Architektur mit ein. Neben der heutigen Verwendung der CAR2X Kommunikationsdaten zur Information des Fahrer sind in Zukunft auch aktive Eingriffe in das Fahrzeugverhalten vorgesehen. Dadurch ergeben sich neue Anforderungen an die jetzigen Architekturen. Diese sollen als Ausblick auf zukünftige Arbeiten kurz vorgestellt werden. 4

5 Feldversuch Car2X Einsatzszenarien: Hinderniswarnung Elektronisches Bremslicht Ampelphasenassistent 5

6 Einsatzscenario Notbremsung Detection t 100 ms t 100 ms t 100 ms 6

7 Einsatzscenario Notbremsung Detection t 100 ms t 100 ms t 100 ms 7

8 Einsatzscenario Notbremsung Detection t 100 ms t 100 ms t 100 ms 8

9 FPGA I/O INCHRON GmbH 2014 Perspektive V-Model hinsichtlich Echtzeit Signal detection Object Verification Decision Specification Braking Detection of timing errors Preprocessing Tracking Timing Requirement: t 100 ms Signal detection Preprocessing Design Object Verification Tracking Decision Integration & Test Braking Timing Requirement: t 100 ms Implementation 9

10 Typische Echtzeitfehler und deren Ursachen t 300 ms t 10 ms t 10 ms 10

11 Typische Echtzeitfehler und deren Ursachen t 300 ms t 10 ms t 10 ms 11

12 Einsatzscenario Notbremsung Detection t 100 ms t 100 ms t 100 ms 12

13 FPGA I/O INCHRON GmbH 2014 Ebenen in E/E-Systemen Vehicle Domain ECU Software 13

14 FPGA I/O FPGA I/O INCHRON GmbH 2014 Ebenen in E/E-Systemen für Car2X Vehicle Domain ECU Software 14

15 Logische Architekturebene Preprocessing Object Verification Decision Detect Braking Car-to-X Protocol Sending Timing Requirement: t 100 ms 15

16 FPGA I/O INCHRON GmbH 2014 Mapping von Funktionen auf HW Signal Preprocessing detection Object Preprocessing Verification Car-to-X Object Verification Protocol Detect Tracking Braking Car-to-X Decision Protocol Sending Braking Timing Requirement: t 100 ms 16

17 FPGA I/O INCHRON GmbH 2014 Wirkketten in E/E-Systemen Preprocessing Object Verification Decision Detect Braking Car-to-X Protocol Sending Timing Requirement: t 100 ms 17

18 FPGA I/O, Bus FPGA I/O, Bus INCHRON GmbH 2014 Mehere Lieferanten von SW Komponenten OEM Tier1 Tier1 Tier2 18

19 Wirkketten auf einer Zeitachse time 19

20 Wirkketten auf einer Zeitachse time 20

21 Wirkketten auf einer Zeitachse time 21

22 Wirkketten auf einer Zeitachse Event chain broken Data lost Timing Requirement: t 10 ms Failed! time 22

23 Wirkketten auf einer Zeitachse Preemption by other task Clock drift and delayed by other task time 23

24 Technische und organisatorische Komplexität Complexity of automotive control systems (Source: FhG ISST Report 77/06) Elements and dependencies of a single component Elements and dependencies of a few components Elements and dependencies of the whole car network 24

25 Einsatzscenario Notbremsung Detection t 100 ms t 100 ms t 100 ms 25

26 Benötigte Performance Car2X Protokoll 1 Kern Timing Requirement: Load 70 % Failed! Paket bereitstellen ASN.1 Codierung Verifikation Net Pack. Gen MAC Phy 3 ms 4 ms 45 ms 3 ms 1 ms 1 ms 26

27 Benötigte Performance Car2X Protokoll 2 Kerne Timing Requirement: Load 70 % Failed! Paket bereitstellen ASN.1 Codierung Verifikation Net Pack. Gen MAC Phy 3 ms 4 ms 45 ms 3 ms 1 ms 1 ms 27

28 Benötigte Performance Car2X Protokoll 4 Kerne Timing Requirement: Load 70 % Success! Paket bereitstellen ASN.1 Codierung Verifikation Net Pack. Gen MAC Phy 3 ms 4 ms 45 ms 3 ms 1 ms 1 ms 28

29 Einsatzscenario Notbremsung Paket bereitstellen ASN.1 Codierung Verifikation Net Pack. Gen MAC Phy 3 ms 4 ms 45 ms 3 ms 1 ms 1 ms 29

30 Einsatzscenario Notbremsung Timing Requirement: t 80 ms Failed! Event chain broken Data lost Paket bereitstellen ASN.1 Codierung Verifikation Net Pack. Gen MAC Phy 3 ms 4 ms 45 ms 3 ms 1 ms 1 ms t 100 ms 30

31 Echtzeitanforderungen und Überprüfung T n T m Real-Time Data Sheet Real-Time Data Sheet and Bus Load Event Chain Latencies Event Chain Synchronization Signal Rate, Loss or Age Runnable s Response Time Runnable s Execution Rate and Order Runnable s Activation Condition IRQ s Loss or Blocking T o T p Timing-Model and Bus Load Event Chain Latencies Event Chain Synchronisation Signal Rate, Loss or Age Runnable s Response Time Runnable s Execution Rate and Order Runnable s Activation Condition IRQ s Loss or Blocking 31

32 Zusammenfassung Budgetierung t t t Spezifikation Echtzeitanforderungen Kollaboration Architekturauslegung-/ optimierung 32

33 Vielen Dank