IP-basierte Netze für eingebettete Systeme

Transkript

1 TP 2 Übersichtsvortrag IP-basierte Netze für eingebettete Systeme Dr. Thilo Streichert, Daimler AG Koordinator SEIS: Daniel Herrscher info@eenova.de Thilo Streichert, Seite 1

2 Quelle: N. Reindl, ELMOS-Workshop 2010 Ausgangssituation Als Schnittstelle zur Außenwelt und für die Fahrzeugübergreifende Kommunikation kommt zunehmend IP (teilweise mit Ethernet) zum Einsatz Diagnose Ladekommunikation Bei Fahrzeuginterner Kommunikation wird ein zunehmender Bandbreitenbedarf gesehen Bandbreite #Signale #ECUs W110/112 W120/121 W114/115 W123W124 W210 W211 W212 LIN, FlexRay? Seite 2

3 Technologieauswahl (AP2.1) Consumer-Elektronik Powerline Communication Ethernet mit Audio/Video-Bridging IEEE1394 (Firewire) WLAN Bluetooth UMTS Industrieautomatisierung Profinet EtherCAT Powerlink SafetyNET SERCOS III Luft- und Raumfahrt AFDX TTEthernet Automotive-Industrie 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

4 Ethernet mit AVB-Erweiterung Anwendung UDP/TCP/ IPv4/IPv6 Traffic Shaping Ethernet IEEE 1722 Time Sync. Bandwidth Reservation Anpassung von Ethernet/AVB und IP für die Fahrzeuginterne Kommunikation und als Schnittstelle zur Außenwelt Seite 4

5 Gliederung Anwendung UDP/TCP/ IPv4/IPv6 Traffic Shaping Ethernet IEEE 1722 Time Sync. Bandwidth Reservation Absicherung von Ethernet, sodass EMV-Anforderungen erfüllt werden und Erweiterung um Weckmechanismen Seite 5

6 Quelle: Ergebnisdokument AP2.2 Physikalische Eigenschaften (AP2.2) Verkabelungsaufwand bei etablierten Automotive-Kommunikationstechnologien Unshielded-Twisted-Pair (, FlexRay): Coax (Antennenanbindung): Shielded-Twisted-Quad (LVDS): Optische Polymerfasern (MOST): Ethernet-Variante (BroadR-Reach) ermöglicht die Übertragung von 100MBit/s bei gleichem Verkabelungsaufwand wie oder FlexRay Störabstrahlung und Festigkeit erfüllt nach aktuellem Kenntnisstand Automotive- Anforderungen Seite 6

7 Weckfähigkeit und Energiemanagement (AP2.2 & 2.4) Existierende -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: µc PHY Power Supply PHY µc Power Supply Power over Ethernet: PHY PHY Energy Detection: PHY Energy Detect idle pattern, link pulse, etc. Power Supply PHY (Selektives) An- und Abschalten von ECUs durch Netzwerkmanagement 14:00 Netzwerkmanagement in IP-basierten Fahrzeugnetzwerken Conti Norbert Balbierer Seite 7

8 Gliederung Anwendung UDP/TCP/ IPv4/IPv6 Traffic Shaping Ethernet IEEE 1722 Time Sync. Bandwidth Reservation Bewertung des Traffic Shaping und Time Synchronization für den Einsatz in Echtzeitanwendungen z.b. aus dem Fahrerassistenzbereich Seite 8

9 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/Video- Daten, da Wiedergabezeitpunkt von Audio/Video-Samples definiert ist (Presentation Time) Grand Master Clock Transparent oder Boundary Clock Slave Clock Außenbereich (Sonne, Schnee): Hohe/niedrige Temperatur Slave Clock Forschungsergebnisse: Bewertung der Uhrensynchronität unter Fahrzeugbedingungen Motorraum: Hohe Temperatur 14:30 Experimentelle Bewertung der Synchronisationsgenauigkeit von IEEE 802.1AS für variierende Temperaturbedingungen Daimler Andreas Kern Seite 9

10 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: Modellierung und simulative Bewertung des zeitlichen Verhaltens von Ethernet-AVB-Nachrichtenströmen Vergleich der simulativen und analytischen Bewertung sowie Bestimmung der Überapproximation im analytischen Fall AVB-Nachrichten (hohe Priorität) Standard Ethernet (niedrige Priorität) FIFO 1 FIFO 2 FIFO 3 FIFO 4 Credit Based Shaper Credit Based Shaper Port-Scheduler Switch 13:00 Performance Schranken in der Fahrzeugkommunikation Simulation vs. Worst Case Scheduling EADS / BMW F&T Heidinger / Lim Seite 10

11 Gliederung Anwendung UDP/TCP/ IPv4/IPv6 Traffic Shaping Ethernet IEEE 1722 Time Sync. Bandwidth Reservation Konzeptentwicklung für eine einheitliche IP-basierte Kommunikation Seite 11

12 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 Interne Kommunikation (VLAN A) Diagnose Kommunikation (VLAN B oder untagged) Externe Kommunikation Fahrzeug 3 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 Fahrzeug 1 Fahrzeug 2 ECU 2 ECU 1 ECU 4 IP1: O.E.M.21/24 IP2: W.S.T.80 Diagnose ECU 1 ECU 3 Internet Werkstatt - Netzwerk Seite 12

13 Architektur-Exploration und Migrationsszenario Fzg.-Schnittstelle (Diagnose: DoIP+Ethernet) Chassis Light ning Syst em Powertrain Chassis Lightning System LIN ESP Abgeschlossenes System (Ethernet als Kamera-Link) LIN Engine Control Powertrain Gear Control Chassis Powertrain LIN LIN Netzwerktechnologie (Domänen/Backbone-Bus) Lightning System ESP Engine Control Gear Control Body Radio Telematik Body Door Module Body- Computer LIN Central Gateway Telematik Gateway Radio MOST Telematik Body Door Module Body- Computer Central Gateway Telematik Gateway Radio Ethernet/IP MOST LIN Telematik zusätzlich zu, FlexRay, XX Seite 13

14 Architekturelemente zur Migration Konzept und Bewertung der Protokollumsetzung von etablierten Bussystemen (, 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 Paketformat Effiziente Ausnutzung der Frame-Größe ECU ECU ECU ECU Switch Hdr 13:30 Application and Realization of Gateways between conventional Automotive and IP/Ethernet based Networks Conti Helge Zinner Seite 14

15 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 Automobilspezifische Modifikation bestehender Standards AP2.2 Physikalische Eigenschaften AP2.3 Einheitliche IP-basierte Kommunikation AP2.4 Verfahren zum Netzwerkmanagement AP2.5 Real-Time-Eigenschaften AP2.6 Architekturexploration und Migration AP2.7 Quality-of-Service 13:00 Performance Schranken in der Fahrzeugkommunikation Simulation vs. Worst Case Scheduling 13:30 Application and Realization of Gateways between conventional Automotive and IP/Ethernet based Networks EADS / BMW F&T Conti Heidinger / Lim 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