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Elektronikplattformen mit Ethernet optimieren

Ethernet macht mobil

13. Juli 2012, 11:37 Uhr | Von Dr. Markuns Plankensteiner, Dr. Wilfried Steiner und Dr. Astrit Ademaj

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Drei Kommunikationsklassen

TTEthernet-Switches unterstützen dabei drei Kommunikationsklassen:

Zeitgesteuerte Kommunikation nach SAE-AS6802-Standard: Die Daten werden zeitgesteuert über das gesamte Netzwerk transportiert. Sender, Empfänger und alle Komponenten wissen aufgrund eines vorkonfigurierten, aber dynamisch veränderbaren Zeitplans, zu welcher Zeit die Daten zwischen den Steuergeräten transportiert werden sollen. Dies bedeutet: Der Programmierer kann die Latenz für jeden Datenaustausch zwischen verteilten Funktionen minimieren und fixieren. Dynamische Freigabe von Übertragungsraten ermöglicht eine effiziente Nutzung. Der Teil der Übertragungsrate, der nicht für zeitgesteuerte Kommunikation verwendet wird, kann für asynchronen Ethernet-Verkehr verwendet werden (Bild 2). In der Entwurfsphase gibt es völlige Freiheit, wann synchrone und asynchrone Nachrichten gesendet werden. Nur die synchronen Nachrichten werden konfiguriert, die restliche Übertragungsrate wird automatisch ohne Konfigurationsaufwand vom Switch zur Laufzeit vergeben. Daher ist es im Gegensatz zu FlexRay nicht nötig, eine starre Aufteilung zwischen synchronen und asynchronen Nachrichten festzulegen.
Rate-constrained-Kommunikation garantiert, dass bestimmte Daten mit einer vorgegebenen Datenrate im Netzwerk übertragen werden können. Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt keine zeitgesteuerte Kommunikation geplant ist, kann Rate-constrained-Kommunikation stattfinden. Die Daten werden nicht zyklisch zu festgelegten Zeiten übertragen, sondern werden gesendet, wenn erforderlich. Dieser Kommunikationstypus entspricht den bekannten QoS-Mechanismen (Quality of Service) für Sprach- und Multimediaübertragungen mittels Ethernet. Rate-constrained-Kommunikation kann für viele Anwendungen, die nicht Jitter-empfindlich sind, hervorragend eingesetzt werden, z.B. für Audio- und Video-Streaming. Gelegentliche Latenz wird hier toleriert. Für diese Art von Daten wird eine bestimmte Übertragungsrate reserviert, um die entsprechende QoS bereitzustellen.
Reguläre Ethernet-Kommunikation wird konform zum IEEE-802.3-Standard abgewickelt. Dafür wird die verbleibende Übertragungsrate genutzt, die nicht von den zeitgesteuerten und Rate-constrained-Nachrichten belegt wird. Sobald jedoch zeitgesteuerte oder Rate-constrained-Daten zur Übertragung angefordert werden, wird die reguläre Ethernet-Kommunikation verzögert. Ein Beispiel dafür sind Diagnosedaten, die keine strengen Anforderungen an Zeitgenauigkeit im Netzwerk haben.

Bei der Integration mehrerer Funktionen auf einem einzigen physikalischen Netzwerk ist sicherzustellen, dass fehlerhafte Funktionen, z.B. ein fehlerhaftes Steuergerät oder ein Software-Fehler, keinen Ausfall einer anderen Funktion verursachen oder das gesamte System zum Absturz bringen. Deshalb implementiert TTEthernet mehrere Traffic-Policing-Funktionen für zeitgesteuerte und Rate-constrained-Kommunikation. Diese Traffic-Policing-Funktionen stellen sicher, dass die Übertragungsrate für jede Verbindung die jeweils zugeordnete höchste Datenrate nicht überschritten wird. Im Auto kann das Verhalten von kritischen Kommunikationsdaten in Bezug auf Zeit und Last typischerweise exakt vorhergesagt, konfiguriert und gesteuert werden. TTEthernet unterstützt somit, dass Funktionen mit unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen Daten auf einem Netzwerk übertragen. Durch das integrierte Redundanz-Management wird auch eine hohe Verfügbarkeit erreicht.

Robuste Synchronisationsfähigkeit in μs-Präzision ist der Kern der zeitgesteuerten Kommunikation und dient dazu, die verfügbare Datenübertragungsrate im Netz effizient und zuverlässig zu verwalten. Um eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, verlässt sich TTEthernet nicht auf die Verbreitung von Zeitstempeln einer zentralen Uhr, sondern implementiert robuste, verteilte, fehlertolerante Uhrensynchronisationsalgorithmen, die im SAE-AS6802-Standard definiert sind. Formal verifizierte Mechanismen garantieren, dass das Netzwerk auch bei Störungen funktioniert. Selbst bei Ausfall einer einzelnen Uhr kommt es zu keiner Störung. Dies ist wichtig für die sichere Einbindung sicherheitsrelevanter Steuerungsfunktionen.