Dynamisches Netzwerkmanagement Systemarchitekturen servicetauglich designen

Methoden für das Netzwerkmanagement

Um eine dynamische Netzwerkkonfiguration zu ermöglichen, ist es notwendig, ein geeignetes Netzwerkmanagement-System im Fahrzeug zur Verfügung zu stellen. In der Enterprise IT sind solche Systeme bereits seit vielen Jahren im Einsatz. Aus den etablierten Netzwerkmanagement-Methoden lassen sich Vorschläge zum Einsatz im automobilen Umfeld ableiten:

Dezentrales Netzwerkmanagement

Im Internet und dem überwiegenden Teil der Enterprise-IT erfolgt das Netzwerkmanagement heutzutage autonom und dezentral. Die einzelnen Netzwerkgeräte kümmern sich zur Laufzeit jeweils selbstständig um ihre Konfiguration (Bild 3a). Die Kontrollentscheidungen werden aufgrund der zur Verfügung stehenden Informationen jeweils lokal getroffen. Das erfolgt in Abstimmung mit den direkten Nachbarn im Netzwerk. Hierfür sind zweck- und problemgebundene Managementprotokolle implementiert, die zum Informationsaustausch mit Nachbarnetzwerkgeräten dienen. Weil jedes Netzwerkgerät eigenständig Entscheidungen trifft, müssen diese entsprechend mit Intelligenz ausgestattet sein.

Zentralisiertes Netzwerkmanagement

Beim zentralisierten Netzwerkmanagement kommt ein zentraler Netzwerkmanager zum Einsatz, in dem sich die komplette Intelligenz des Netzwerks befindet (Bild 3b). Dieser steht im ständigen Austausch mit den Netzwerkgeräten und schickt an diese Anweisungen, die das Betreiben des Netzwerks ermöglichen. Die Netzwerkgeräte führen nur dessen Anweisungen in Bezug auf die Datenweiterleitung aus und treffen keine eigenen Entscheidungen. Die Anweisungen müssen also vollständig und widerspruchsfrei sein, um ein Funktionieren des Netzwerkes sicherzustellen. Der Netzwerkmanager benötigt hierzu die globalen Informationen über das gesamte Netzwerk, die er zentral verwaltet. Der Informationsaustausch zwischen Netzwerkmanager und Netzwerkgeräten erfolgt über ein universelles Netzwerkmanagement-Protokoll.

Eine Form des zentralisierten Netzwerkmanagements ist Software Defined Networking (SDN). SDN ist ein Netzwerkarchitekturansatz, der durch Abstraktion von Netzwerkkomponenten eine Möglichkeit zur zentralisierten Konfiguration und Verwaltung von Netzwerkgeräten bietet. Die Grundidee hinter SDN ist, die Aufgabe der Kontrolle und der Datenweiterleitung des Netzwerks zu trennen und erstere zentralisiert zu steuern. Der Einsatz von SDN in der Enterprise IT ist derzeit in Diskussion, wobei es in Teilbereichen wie Rechenzentren bereits zum Einsatz kommt.

Übertragung auf das automobile Umfeld

Sowohl eine zentralisierte als auch eine dezentrale Netzwerkmanagement-Architektur haben je nach Anwendungsfall ihre Vorteile.

Kombination aus zentralisiertem und dezentralem Netzwerkmanagement

Eine Kombination aus beiden Ansätzen eignet sich am besten. Dabei werden sowohl ein zentraler Netzwerkmanager als auch autonome Protokolle aus dem dezentralen Ansatz zur Netzwerkkonfiguration eingesetzt. Ziel soll sein, die jeweiligen Stärken und Schwächen beider Methoden zu berücksichtigen.

Konkret wird vorgeschlagen, die Basiskommunikation über autonome Netzwerkprotokolle aufzubauen. Das heißt, hierüber erfolgt eine Initialkonfiguration, die es allen beteiligten Knoten im Netzwerk ermöglicht, Daten auszutauschen. Erst wenn alle Knoten erreichbar sind, dann können diese vom zentralen Netzwerkmanager angesprochen und gemäß den Netzwerkanforderungen konfiguriert werden. Das umfasst dann die dynamische Änderung von Datenpfaden, das Verwalten von Quality-of-Service-Mechanismen für priorisierte Daten, sowie die Kontrolle von Daten unter Berücksichtigung von Security- und Safety-Gesichtspunkten.

Bei diesem Ansatz muss sichergestellt sein, dass der zentrale Netzwerkmanager Kenntnis darüber hat, wenn Parameter durch autonome Netzwerkprotokolle konfiguriert werden. Nur so hat der Netzwerkmanager immer den vollständigen Überblick über das gesamte Netzwerk.

Zentraler Netzwerkmanager im Detail

Beim Netzwerkmanager handelt es sich um eine logische Software-Komponente, die bei Bedarf auch auf mehreren Recheneinheiten verteilt laufen kann. Er benötigt verschiedene Informationen zu den Applikationen und zum Netzwerk. Daraus bestimmt er dann die Konfiguration für die Netzwerkgeräte. Konkret handelt es sich um folgende Informationen:

  • Applikationsanforderungen: Jede Applikation hat Anforderungen an das Netzwerk in Bezug auf die Kommunikationsbeziehungen und die Dienstgüte. Das Netzwerk muss so konfiguriert werden, dass die gesamten Anforderungen von allen Applikationen erfüllt werden können.
  • Verortung der Applikationen: Für die Verortung der Applikationen auf die Steuergeräte im Fahrzeug ist die Applikationsschicht verantwortlich. Allerdings muss diese Information dem Netzwerkmanager bekannt sein und er muss die Kommunikationsbeziehungen kennen. Daraus kann er dann die Datenströme durch das Netzwerk ableiten.
  • Netzwerktopologie: Die gesamte Netzwerktopologie muss dem Netzwerkmanager bekannt sein, um die passende Netzwerkkonfiguration für alle Kommunikationsbeziehungen bestimmen zu können.
  • Gerätekonfiguration: Dem Netzwerkmanager muss jederzeit die aktuelle Konfiguration der Netzwerkgeräte bekannt sein, damit er diese mit den Applikationsanforderungen abgleichen kann.

Die Informationen zu den Applikationsanforderungen und der Verortung der Applikationen muss dem Netzwerkmanager von der Applikationsschicht zur Verfügung gestellt werden. Umgekehrt meldet er zurück, ob auch alle Anforderungen in eine entsprechende Netzwerkkonfiguration umgesetzt werden können.
Für die Generierung der Informationen zur Netzwerktopologie und Gerätekonfiguration ist der Netzwerkmanager (Bild 4) selbst verantwortlich, das heißt durch geeignete Netzwerkabfragen ermittelt er diese Informationen eigenständig.

Der Weg zum dynamischen Netzwerkmanagement

In heutigen Fahrzeugen ist die Netzwerkkonfiguration überwiegend statisch. Für eine zukünftige Realisierung des beschriebenen zentralisierten Netzwerkmanagements müssen folgende Bereiche betrachtet werden:

  • Zentraler Netzwerkmanager: Hierbei handelt es sich um eine logische Software-Komponente; eine zukünftige Implementierung als AUTOSAR-Modul ist erstrebenswert. Bei Ethernet kann zum Beispiel über eine Erweiterung des bereits vorhandenen AUTOSAR-Moduls „UDP NM“ nachgedacht werden.
  • Schnittstelle vom zentralen Netzwerkmanager zu den Applikationen: Hierüber werden dem Netzwerkmanager die Anforderungen der Applikationen an das Netzwerk mitgeteilt. Umgekehrt meldet der Netzwerkmanager Statusinformationen zurück, beispielsweise inwieweit er diese Anforderungen auch umsetzen kann.
  • Schnittstelle vom zentralen Netzwerkmanager zu den Netzwerkgeräten: Die Konfigurationsschnittstelle von heutigen Netzwerkgeräten ist herstellerspezifisch und nicht standardisiert. So kann man in einer Übergangsphase auf die einzelnen Netzwerkgeräte über die herstellerspezifische Schnittstelle zugreifen. Das bedeutet allerdings einen erhöhten Aufwand, weil für jeden einzelnen Hersteller eine eigene Schnittstellenimplementierung notwendig ist. Deshalb ist das langfristige Ziel, eine herstellerübergreifende und standardisierte Schnittstelle zu schaffen.
  • Netzwerkgeräte: Die Netzwerkgeräte der einzelnen Hersteller müssen die vorher beschriebene standardisierte Schnittstelle unterstützen, damit eine entsprechende Konfiguration möglich ist.

Generell ist es sinnvoll, die vorher beschriebenen Bereiche so weit wie möglich zu standardisieren und entsprechend zu implementieren. Die Einbindung in eine AUTOSAR-Umgebung bietet sich dafür an. Auch der im Rahmen von Ethernet Time Sensitive Networking (TSN) entstandene Standard IEEE 802.1Qcc beschreibt unter anderem einen zentralen Ansatz zur Konfiguration der TSN-Standards. Dort sind bereits entsprechende Schnittstellen definiert, jedoch noch keine Protokolle festgelegt.

 

Für die Zukunft gerüstet

Neue Geschäftsmodelle wie das Nachladen von Applikationen über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus erfordern neue Konzepte für die Fahrzeugarchitektur, die u.a. ein flexibles und dynamisches Konfigurationsmanagement ermöglichen. Das beinhaltet auch die adaptive Konfiguration von Netzwerkparametern, die auf die sich ändernden Anforderungen an das Kommunikationsnetzwerk abgestimmt ist. Als Lösungsansatz bietet sich dafür eine Kombination aus zentralisiertem und dezentralem Netzwerkmanagement an. Um eine herstellerübergreifende Lösung zu ermöglichen, sollte dieser Ansatz weitgehend standardisiert sein. Ein besonderes Augenmerk ist in Zukunft auch noch auf die Absicherung der Konfiguration zu legen, weil das gesamte Fahrzeug inklusive all seiner sicherheitsrelevanten Funktionen auch nach einer Konfigurationsänderung immer noch funktionieren muss.

 

Der Autor

Christian Humig

arbeitet bei Continental in der divisionsübergreifenden Vorentwicklung „Corporate Systems and Technology“ als Senior Project Manager. Er beschäftigt sich dort mit neuen Konzepten und Technologien zur Vernetzung von zukünftigen E/E-Architekturen im Fahrzeug mit dem Schwerpunkt Ethernet.