Verteiltes Energiemanagement bei Netzwerken im Automobil

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1 Verteiltes Energiemanagement bei Netzwerken im Automobil Norbert Balbierer, Thomas Waas Continental Automotive GmbH IT-Anwenderzentrum, Hochschule Regensburg 29. August 2011 Zusammenfassung In diesem Whitepaper wird ein Netzwerkmanagement (NM)-Ansatz beschrieben, um Teilnetze und deren Knoten in einem auf Ethernet basierenden Fahrzeugnetzwerk zu aktivieren und zu deaktivieren. Das NM ist vollständig verteilt, es gibt keine zentralen, entscheidenden Instanzen. Knoten, die sich nur in inaktiven Teilnetzen befinden, schalten sich aus. Das Wecken der Knoten eines Teilnetzes pflanzt sich durch das Netzwerk fort. Bei der Freigabe eines Teilnetzes wird ein zyklisches Nachrichtenmodell verwendet, um sicherzustellen, dass Knoten sich erst abschalten wenn alle Mitglieder das Teilnetz freigegeben haben. 1 Energiemanagement und Teilnetzbetrieb Moderne Fahrzeuge verfügen über eine Vielzahl von elektronischen Steuergeräten (Electronic Control Unit, ECU). Zur Realisierung komplexer Systeme sind die ECUs miteinander vernetzt. Gegenwärtig kommen dabei Bussysteme wie CAN (Controller Area Network), FlexRay und MOST (Media Oriented Systems Transport) zum Einsatz. Gegenstand aktueller Arbeiten ist die Verwendung von Internet-Protokoll (IP) basierten Netzwerken mit Ethernet als Netzzugangsschicht im Automobil. Energiemanagement als Teil des Netzwerkmanagements im Automobil dient dazu, ECUs einund auszuschalten, den Netzwerkstart zu koordinieren, und den Energiebedarf des Netzwerkes und seiner Knoten zu optimieren. Teilnetzbetrieb bezeichnet dabei die Möglichkeit, nicht benötigte Netzwerkknoten (ECUs) abzuschalten, und bei Bedarf wieder zu aktivieren. Voraussetzung hierfür ist, dass Knoten selektiv geweckt werden können. Ein möglicher Weckmechanismus für Ethernet-basierte Netzwerke, der diese Voraussetzung erfüllt, wird in [1] gezeigt. Im Rahmen dieses Papiers wird ein verteiltes Konzept zur Umsetzung von Teilnetzbetrieb bei Ethernet-basierten Fahrzeugnetzen gezeigt. Mit dem neuen Release 3.2 unterstützt AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) Teilnetzbetrieb bei CAN [2]. Das in dieser Arbeit vorgestellte Konzept ist so ausgelegt, dass es mit dem AUTOSAR-Standard zusammenarbeiten kann. 2 Energiemanager 2.1 Verteilte Architektur Jeder Knoten im Netzwerk verfügt über einen Energiemanager (EM), der mit anderen Energiemanagern durch das Netzwerk kommunizieren kann. Alle Knoten sind gleichberechtigt, und können Teilnetze anfordern oder freigeben. Die EM kommunizieren über ein Netzwerkmanagement- Protokoll miteinander. Die Architektur und die Einbindung in das System ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Energiemanager verwaltet den Zustand der Teilnetze, an denen ein Knoten beteiligt ist, mittels einer Zustandsmaschine (Partial Network State Machine, PnSM). Eine weitere 1

2 Applikation Energiemanager (EM) Ethernet State Machine (EthSM) Abstraktionsschicht (HAL) Weckmechanismen Partial Network State Machine (PnSM) NM-Protokoll IP- Protokollstapel Ethernet Systemarchitektur Kommunikationsstapel Abbildung 1: Architektur des Energiemanagers Zustandsmaschine (Ethernet State Machine, EthSM) verwaltet den Zustand aller Netzwerkschnittstellen des Knotens (hier: aller Ethernet-Ports). Eine mögliche Umsetzung der EthSM ist in [1] dargestellt (Switch Manager). Um Nachbarknoten auf physikalischer Ebene wecken zu können, greift der EM über eine Abstraktionsschicht auf geeignete physikalische Weckmechanismen zu. 2.2 Schnittstellen zur Applikation Applikationen können Teilnetze anfordern und freigeben. Dies geschieht über die Schnittstellen requestpartialnetwork(pnid), bzw releasepartialnetwork(pnid). Über die Schnittstelle notifyremoterelease(pnid) wird die Applikation über eine Freigabe eines Teilnetzes durch einen anderen Knoten benachrichtigt. Der Parameter pnid ist ein eindeutiger Identifier des jeweiligen Teilnetzes. Die Schnittstellen werden hier als Primitiven dargestellt. Die jeweilige Umsetzung ist anwendungsspezifisch. 3 Teilnetze 3.1 Einteilung des Netzwerkes in Teilnetze Teilnetze (Partial Network, PN) definieren eine Menge an Steuergeräten (Electronic Control Unit, ECU) die untereinander in Kommunikationsbeziehung stehen. Eine ECU kann Mitglied in mehreren PNs sein. Fordert ein Teilnehmer ein PN an, müssen alle Mitglieder dieses PNs aktiviert werden. Beim Abschalten eines Teilnetzes gilt: erst wenn alle Mitglieder das PN freigegeben haben, dürfen sich Teilnehmer ausschalten, sofern sie nicht Mitglied in einem anderen, noch angeforderten PN sind. 3.2 Lokale Topologieinformationen Jeder Knoten verfügt über eine Tabelle, die die Information enthält, welche Teilnetze über welche Netzwerkschnittstelle zu erreichen sind. In Abbildung 2 ist ein Beispielnetzwerk gezeigt, welches in Teilnetze {P N α...p N γ } strukturiert ist. Tabelle 1 stellt beispielhaft die Interfacetabellen für Knoten A bzw. E dar, um das Prinzip zu verdeutlichen. Endknoten (wie A) haben nur einen Port, und erreichen über diesen immer alle Teilnetze. Für die Funktionsweise des Konzeptes ist dies jedoch nicht von Bedeutung. Bei Knoten, 2

3 B α,β F γ A α D eth4 eth2 eth3 E α,γ eth4 eth2 eth3 G α C β H eth3 eth2 I β M L γ K J γ Abbildung 2: Beispielnetzwerk bestehend aus einem Ethernet {A...J} und einem CAN-Bus {H, K, L, M}. Das Netzwerk ist in Teilnetze {P N α...p N γ } strukturiert. Tabelle 1: Interfacetabellen von Knoten A und E Knoten A Interface Teilnetze {P N α, P N β, P N γ } Knoten E Interface Teilnetze {P N α, P N β, P N γ } eth2 {P N γ } eth3 {P H α } eth4 {P N β, P N γ } an denen mehrere Netzwerktechnologien zusammenlaufen (Gateways) wie z.b. Knoten H, werden alle Netzwerkschittstellen identisch behandelt. Die Schnittstelle von H hätte demnach Zugang zu den Teilnetzen {P N β, P N γ }. 3.3 Teilnetzmaske Eine Möglichkeit die Teilnetze und die Zugehörigkeit zu diesen darzustellen, ist die Teilnetzmaske. Die Teilnetze werden von 0 beginnend durchnummeriert. Die Nummer des Teilnetzes enspricht dabei der jeweiligen Bitposition in der Teilnetzmaske. Eine 1 an der Position des Teilnetzes in der Teilnetzmaske bedeutet, dass der Knoten Mitglied in diesem ist. Die Teilnetzmaske kann auch in der Interfacetabelle verwendet werden, um zu codieren welche Teilnetze über das jeweilige Interface erreichbar sind. Die Teilnetze {P N 3, P N 0 } werden beispielsweise durch die Teilnetzmaske 1001 b (9 dec ) kodiert. 3.4 Verwaltung der Teilnetze eines Knotens Für jedes Teilnetz, in dem eine ECU Mitglied ist, verwaltet der EM eine Zustandsmaschine (PnSM). Ein Teilnetz kann die Zustände PN_REQUESTED, REMOTE_RELEASE, LOCAL_RELEASE und PN_RELEASED besitzen. Im Zustand PN_REQUESTED ist ein Teilnetz im normalen Betrieb. Alle Mitglieder sind aktiv, und Kommunikation ist möglich. 3

4 Abbildung 3: Zustandsdiagramm der PnSM Im Zustand REMOTE_RELEASE hat ein anderer Knoten die Freigabe des Netzwerks initiiert, aber die lokale Applikation hat das Teilnetz noch nicht freigegeben. Im Zustand LOCAL_RELEASE hat die lokale Applikation das Teilnetz freigegeben. Im Zustand PN_RELEASED haben alle Knoten das Teilnetz freigegeben. Sind alle Teilnetze eines Steuergerätes in diesem Zustand, kann es heruntergefahren werden. Das Anfordern und Freigeben eines Teilnetzes, und damit die Zustandswechsel in der PnSM, werden in den nächsten Abschnitten genauer beschrieben. 4 Aktivieren eines Teilnetzes Will ein Knoten ein Teilnetz aktivieren, wird dies über die Schnittstelle requestpartialnetwork(pnid) ausgeführt. Die Instanz, die das Teilnetz anfordert (z.b. die Applikation) ruft beim lokalen EM diese Schnittstelle auf. Der Zustand der PnSM dieses Teilnetzes wechselt auf PN_REQUESTED. Der EM prüft anhand der Interfacetabelle, über welche Ports das Teilnetz pnid zu erreichen ist. Für jeden Port, in dem das angeforderte Teilnetz eingetragen ist, wird das jeweils angeschlossene Steuergerät geweckt, falls es nicht schon aktiv ist, und die Anfrage über ein NM-Protokoll an diesen Knoten weitergeleitet. Abbildung 4 zeigt das Sequenzdiagramm dieses Ablaufes auf einem Knoten. Das Wecken des angeschlossenen Steuergerätes wird durch die EthSM durchgeführt. Durch eine Abstraktionsschicht ist der Weckmechanismus vom Netzwerkmanagement unabhängig. Bei dem dadurch aufgeweckten Knoten wird über eine NM-Botschaft wiederum die Schnittstelle requestpartialnetwork(pnid) aufgerufen, und der Mechanismus läuft wie auf dem ersten Knoten ab, mit dem Unterschied dass der Aufrufer nicht die Applikation sondern der vorhergehende Knoten ist. Hierdurch pflanzt sich die Anforderung des Teilnetzes rekursiv durch das gesamte Netzwerk fort, und jeder dem Teilnetz angehörige Knoten wird geweckt. Dabei muss kein Knoten die Topologie an sich kennen, und wissen, welche Teilnehmer ein Teilnetz hat, sondern nur über welchen Port er welches Teilnetz erreicht. Dies ist durch die oben vorgestellte Interfacetabelle gewährleistet. 4

5 Abbildung 4: Sequenzdiagramm zum Ablauf des Weckprozesses eines Teilnetzes auf einem Knoten 5 Freigabe eines Teilnetzes Abbildung 5: Sequenzdiagramm zum Ablauf der Freigabe eines Teilnetzes auf einem Knoten 5

6 Ein Teilnetz wird freigegeben, wenn es nicht mehr benötigt wird. Jeder Teilnehmer kann diesen Freigabeprozess initiieren. Dazu ruft die Applikation die Schnittstelle releasepartialnetwork(pnid) des EM auf. Über das NM-Protokoll wird eine informrelease(pnid) -Botschaft an alle aktiven Knoten (z.b. durch Multicast) gesendet, wodurch diese über die gewünschte Freigabe informiert werden. Die PnSM des initiierenden Knotens wechselt in den Zustand LOCAL_RELEASE, die der anderen Knoten bei Empfang der Nachricht in den Zustand REMOTE_RELEASE. Die Applikation wird hiervon über die Schnittstelle informremoterelease(pnid) benachrichtigt. Solange die lokale Applikation das Teilnetz noch nicht freigeben kann, muss der Knoten im Zustand REMOTE_RELEASE zyklisch eine notok(pnid) -Botschaft als Multicast versenden, und damit der Freigabe wiedersprechen. Wenn die Applikation alle Datenübertragungen beendet hat, und bereit ist, das Teilnetz freizugeben, ruft sie releasepartialnetwork(pnid) auf und der Zustand wechselt ebenfalls in LOCAL_RELEASE. Damit werden auch keine notok(pnid) -Botschaften mehr gesendet. Wenn ein Knoten in LOCAL_RELEASE für eine festgelegte Zeit keine notok(pnid) -Botschaften mehr empfängt, wechselt der Zustand des jeweiligen Teilnetzes in PN_RELEASED, da kein Knoten mehr das Teilnetz aktiv hält. Wurden auf einem Steuergerät alle Teilnetze, in denen es Mitglied ist, freigegeben, kann sich dieses Steuergerät ggf. abschalten. Das Sequenzdiagramm zu diesem Ablauf ist in Abbildung 5 dargestellt. 6 Zusammenfassung In diesem Papier wurde ein verteiltes Konzept für Teilnetzbetrieb bei Ethernet-basierten Netzwerken in Automobil vorgestellt. Es wurde der Begriff des Teilnetzes eingeführt, der eine Gruppierung von Steuergeräten die miteinander in Kommunikationsbeziehung stehen darstellt. Jeder Knoten im Netzwerk verfügt über einen Energiemanager, der die Teilnetze und Netzwerkschnittstellen des Knotens verwaltet, und über das Netzwerk mit anderen EM kommuniziert. Kein Knoten muss über die gesamte Topologie Bescheid wissen, sondern lediglich darüber, welche Teilnetze er über welche Netzwerkschnittstelle erreichen kann. Mittels Weckmechanismen kann der EM benachbarte Knoten einschalten. Fordert ein Knoten ein Teilnetz an, pflanzt sich die Anfrage durch das Netzwerk fort, bis alle Mitglieder des Teilnetzes aktiv sind. Ein Teilnetz gilt als freigegeben, wenn alle Mitglieder es freigegeben haben. Sind alle Teilnetze, in denen ein Knoten Mitglied ist, freigegeben, kann der Knoten sich abschalten. Literatur [1] Patentanmeldung DE , Verfahren zur Aktivierung einer Netzwerk- Komponente eines Fahrzeug-Netzwerksystems, Angemeldet am , N. Balbierer, J. Nöbauer, Continental Automotive GmbH [2] AUTOSAR, Specification of Communication Manager, AUTOSAR 3.2 Standard, Version 2.2.0, April