Teil 1: Architektur, Aufgaben und Vorteile
Serielle Bussysteme im Automobil I #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Datensicherheit durch Fehlererkennung und -korrektur
Quantitativ lässt sich die Datensicherheit durch die Restfehlerwahrscheinlichkeit beschreiben. Diese ist ein statistisches Maß für die Verletzung der Datensicherheit. Unter Restfehlerwahrscheinlichkeit versteht man das Produkt aus der Wahrscheinlichkeit A, mit der die zu übertragenden Daten verfälscht sind, und aus der Wahrscheinlichkeit B, mit der verfälschte Daten unerkannt bleiben. Die Datensicherheit eines seriellen Bussystems hängt also einerseits davon ab, wie weitreichend es Datenverfälschungen vermeidet, und andererseits, in welchem Ausmaß es verfälschte Daten detektiert.
Als Ursachen für Datenverfälschungen kommen im Automobil die verschiedensten Wechselwirkungen durch galvanische, kapazitive oder induktive Kopplungen bzw. elektromagnetische Felder in Frage. Verantwortlich sind dafür im Einzelnen z.B. Verstell- und Lüftermotoren, hochfrequente Signale durch den Kommutierungs-prozess in Gleichstrommotoren und durch schnelle Datenübertragungen oder Reflexionen an den Bus-Enden. Je besser es gelingt, diese Ursachen zu eliminieren, desto störfester und sicherer ist die Datenübertragung.
Um die Störfestigkeit eines seriellen Bussystems zu erhöhen, sind einige wichtige Maßnahmen notwendig. Neben der Abschirmung des Übertragungsmediums sowie sämtlicher elektrischer und elektronischer Komponenten ist für einen ausreichend großen Abstand zwischen Daten- und Energieübertragungsleitungen sowie zwischen elektrischen und elektronischen Komponenten zu sorgen. Weiterhin gilt es, die Datenübertragungsfrequenz sowie die Anzahl und die Steilheit der Datensignalflanken zu begrenzen, das Prinzip der Differenzsignalübertragung zu nutzen und schließlich die beiden Bus-Enden mit dem Wellenwiderstand des Übertragungsmediums zu terminieren.
Selbst bei optimaler physikalischer Systemauslegung lassen sich Übertragungsfehler nicht vollständig ausschließen. Deshalb sind Fehlererkennungsmechanismen unerlässlich. Zu den am häufigsten eingesetzten Methoden zählt das Prüfsummenverfahren. Dabei berechnet der Sender über einen definierten Algorithmus aus dem zu versendenden Datenblock eine Prüfsumme, die er im Anschluss an den Datenblock überträgt. Mit Hilfe dieser Prüfsumme ist der Empfänger in der Lage, den empfangenen Datenblock zu verifizieren.
Je ausgeklügelter der Algorithmus, je kürzer der zu sichernde Datenblock und je länger die Prüfsumme, desto besser die Fehlererkennungsfähigkeit. Allerdings ist wegen der beschränkten Bandbreite und der zeitlichen Anforderungen ein Kompromiss zwischen der Fehlererkennungsfähigkeit und dem Verhältnis zwischen Datenblock und Prüfsumme (Übertragungseffizienz) zu schließen. Zudem muss berücksichtigt werden, dass auch eine Prüfsumme während der Übertragung nicht immun gegen Störungen ist.
Wann immer das System einen Übertragungsfehler detektiert, ist eine Fehlerkorrektur notwendig, beispielsweise mit einer fehlerkorrigierenden Prüfsumme. Dies erfordert allerdings gegenüber der bloßen Fehlererkennung eine deutlich längere Prüfsumme. Aus Effizienzgründen setzt man im Automobil keine fehlerkorrigierenden Prüfsummen ein. Die Fehlerkorrektur erfolgt vielmehr durch die Botschaftswiederholung: entweder hervorgerufen durch eine vom fehlererkennenden Busknoten übertragene Fehlersignalisierung oder automatisch im Falle einer zyklischen Botschaftsübertragung.
Ein echtzeitfähiges System muss die Übertragung sämtlicher auszutauschenden Daten zwischen den verschiedenen Busknoten innerhalb eines definierten Zeitfensters garantieren können. Die wesentlichen Einflussfaktoren sind Anzahl und Größe der Botschaften, die zur Verfügung stehende Bandbreite und insbesondere die Art des Buszugriffs. Bei Letzterem unterscheidet man grundsätzlich zwischen einem kontrollierten und einem zufälligen Buszugriff (Bild 2).
Bei seriellen Bussystemen mit kontrolliertem Buszugriff ist das Buszugriffsrecht bereits vor dem Buszugriff eindeutig festgelegt. Solche Systeme bieten deterministischen Botschaftsverkehr als wichtige Voraussetzung für die Verwirklichung echtzeitfähiger serieller Bussysteme. Da der gesamte Kommunikationsablauf planmäßig abläuft und nicht beeinflussbar ist, zeichnen sich serielle Bussysteme mit kontrolliertem Buszugriff allerdings durch ein schlechtes dynamisches Verhalten aus.
Diesen Nachteil kennen serielle Bussysteme mit unkontrolliertem Buszugriff nicht. Jeder Busknoten hat zu jeder Zeit das Recht, den Bus zu belegen, z.B. aufgrund eines aktuellen Ereignisses. Daraus resultiert einerseits ein sehr schneller Buszugriff; andererseits birgt dies aber in Abhängigkeit von der Ereignisdichte, den Botschaftsgrößen und der zur Verfügung stehenden Datenrate eine mehr oder weniger akute Kollisionsgefahr, was keine guten Voraussetzungen für eine echtzeitfähige Datenübertragung darstellt.
Die Überwachung des Busses durch sendewillige Busknoten reduziert die Kollisionsgefahr erheblich. Ganz verhindert werden kann sie durch das zusätzliche Einführen von Botschaftsprioritäten. Allerdings können auch diese auf Bus-Monitoring und Botschaftsprioritäten basierenden zufälligen Buszugriffsverfahren keine Rechtzeitigkeit garantieren. Denn durch die Priorisierung besteht die Gefahr, dass niederpriore Botschaften unverhältnismäßig lange verzögert werden.
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