（车辆工程专业论文）车载CAN网络管理策略研究.pdf

摘要 摘要 汽车网络的出现是汽车行业发展的必然结果。为了保障车载网络有效运行， 网络状态得到实时监控，有必要研究车载网络管理技术。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 是目前使用较广泛、发展较成熟的车载网络总 线协议。c a n 的主要优点是使用灵活、查错能力强。但c a n 总线协议没有定义 网络管理方面的内容。另一方面，o s e k v d x 组织颁布的o s e k v d xn m 规范 已对车载网络管理的功能和实现进行了定义，因此，结合o s e k v d xn m 规范 建立适用于c a n 网络的网络管理策略，是一个实际而必要的任务。 本文首先分析比较了s a ej 1 9 3 9 8 1 和o s e k v d xn m 的不同，认为 o s e i 洲d xn m 提出的网络管理规范更通用、更符合实际情况。 其次，在详细研读o s e k d xn m 规范的基础上，针对c a n 网络的特点， 设计和提出了同时符合c a n 总线协议和o s e i d xn m 规范的直接网络管理 和间接网络管理方案。 最后，设计了一个车载c a n 网络及相关协议，基于这个网络仿真实现了直 接网络管理和间接网络管理。并最终在一个实验系统中完成了两类网络管理方 案的运行。测试结果表明，整套网络管理方案是有效可行的。 关键词：c a n 总线，网络管理，车载网络，o s e k v d x a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo ft h ei n v e h i c l en e t w o r kc a rn e t w o r kl st h ei n e v i t a b l eo u t c o m e o ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y i no r d e rt oe n s u r et h en e t w o r kt or u n e f f e c t i v e l y , t h en e t w o r ks t a t ei sc o n t r o l l e di nr e a lt i m e ，t h u si t sn e c e s s a r y t os t u d yt h e t e c h n o l o g yo fn e t w o r km a n a g e m e n ti nv e h i c l e s c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) i sa ne x t e n s i v e l yu s e db u sp r o t o c o li nv e h i c l e s i ti se x c e l l e n tm a i n l yf o ri t sf l e x i b l eu s ea n ds t r o n ga b i l i t yi nf i n d i n ge r r o r s t h e r ea r e n od e f i n i t i o n sa b o u tn e t w o r km a n a g e m e n ti nc a n - b u s ，a l t h o u g hi ti se s s e n t i a l o n t h eo t h e rs i d e ，t h eo s e k v d xn m s p e c i f i c a t i o n ，w h i c hi sr e l e a s e db yo s e k v d x o r g a n i z a t i o n ，h a s d e f i n i t e dt h ef u n c t i o n sa n dr e a l i z a t i o ni s s u eo fn e t w o r k m a n a g e m e n ti nv e h i c l e s t h e r e f o r e ，i t sa na c t u a la n dt h ee s s e n t i a lt a s kt os e tu pt h e n e t w o r km a n a g e m e n ts t r a t e g yc o m b i n e dw i t ho s e k v d xn m ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r c a n a tf i r s t ，a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nh a v eb e e nm a d ef r o ms a ej19 3 9 81a n d o s e k v d xn mt h a to s e k v d xn mi sm o r eg e n e r a l c o n f o r m st ot h ea c t u a l s i t u a t i o n s e c o n d a r i l y ，a f t e rr e a d i n go s e k v d xn mi nd e t a i l t h e d i r e c tn e t w o r k m a n a g e m e n ta n di n d i r e c tn e t w o r km a n a g e m e n tp l a nw e r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o c a na n do s e k v d xn m s p e c i f i c a t i o n f i n a l l y , ac a nn e t w o r k t e s t p l a t f o r m a n dc o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l sw e r e d e s i g n e di no r d e rt os i m u l a t et h ed i r e c tn e t w o r km a n a g e m e n ta n di n d i r e c tn e t w o r k m a n a g e m e n t a tl a s tt h et w om a n a g e m e n tm e t h o d sw e r er u n n i n gs m o o t h l yo nt h et e s t p l a t f o r m 。t h er e s u l t ss h o w e d t h a tb o t hm e t h o d sw e r ee f f e ：c t i v ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：c a nb u s ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，i n v e h i c l en e t w o r k ，o s e k v d x i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：彩星相 沙咕年寸月c 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 豸2 明 争年孑月c 【e l 第l 章引言 第1 章引言 1 1 汽车网络技术发展的背景和历史 1 1 1 汽车网络发展的背景 汽车网络是网络技术在汽车中的应用。过去，汽车电器系统中仅有开关和 执行器这样的简单设备，各设备之间通过点到点的连线实现车载通信。随着汽 车电子技术的不断发展，车内电子控制系统和电器的数量不断增加，功能越来 越复杂，各系统之间的通信导致了日益庞大、昂贵和复杂的线束，产生了下列 问题： 汽车的整体布置空间缩小； 制造和总成的难度增加； 成本和利润的比率提高； 不符合汽车轻量化的要求，车辆质量每减少5 0 k g ，油耗会增加0 2 l 1 0 0 k m t 2 1 ； 大量的连接器导致可靠性降低。 此外，汽车电子设备的控制需要来自其他部件的信息，实现数据共享和信 息融合，因此必须寻找一种新的技术解决上述问题。二十世纪八十年代初出现 的汽车网络技术是化解矛盾的最佳途径。 1 1 2 汽车网络技术的发展历史 汽车网络形成的初期，并未形成通用的网络标准，用户通常利用自己定制 的电路或通用u a r t ( 通用异步收发器) 设备实现简单的串行通信。由于没有统一 的标准，各汽车制造商都有一套独立定义的接口规范，有自己的专用供应商， 这样的做法造成的后果是，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商合作，却缺乏 与其他供应商的横向联系，导致生产的同类产品不能兼容互换。 网络标准成文后，供应商按照统一的标准生产部件，提高了同类产品的兼 容性和互换性。而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应商开发符合标准的 第1 章引等 模块，原来各制造商采用自定义的规范，现在转而支持工业范围内的标准化协 议。 国际著名汽车制造商和零部件供应商于二十世纪八十年代就致力于汽车刚 络技术的研究与应用，迄今已推出多种网络标准，如儿8 5 0 、v a n 、c a n 等。随 着汽车网络技术的飞速发展，特别是x b y w i r e 技术的提出，近几年又诞生了计 多新的协议，p f l l i n 、f l e x r a y 、b y t e f l i g h t 、t t p 等”。 汽车电子控制系统采用网络化设计可a 人降低设汁成本，缩短醴汁周j ， 其经济效益是1 分明显的。为此最仞只属于商档车的网络概念，现止逐步扩展 到大批量牛产的经济型车r 。今天m 杵化的i u 了系统已成为所秆级别汽车c j 生 关重要的部什。 1 1 3 汽车网络技术的作用 削1 1 现代汽下州绺 在汽车l 】引进网络技术最初是为了解决同益增长的线束问题，后来逐渐演 绎出另外一个重要功能，即优化汽车电子控制。目前，汽车i u 了控制l 经从初 期的“i u 了机械替代”阶段过渡到“独也系统的精确量化反馈控制”阶段，并朝着 “多日标综合摔制和智能化控制”的方向发胜，即把整体七相关、功能i 计目埘汕矗 而忙置上分布安装的电子系统或装置组成一个协侧控制的综合系统。为r 实现 多目标的优化控制，进一步全面提高汽午的整体性能( 动力性、操纵性、安全| 生、 第1 章引言 舒适性和经济性) ，根据智能化的要求和综合协调控制的特点，综合控制系统将 更多地依赖系统内、外部信息的获取，这要求互相独立的电子系统和装置间进 行数据交换和信息传递。因此，现代汽车采用网络技术解决分布式控制是一种 必然，使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠 性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享， 便于集中实现各子系统的在线故障诊断。 汽露衄：产摔獭啪就i 醚阶段 优化汽tl uj ，拧+ 图1 2 汽车网络技术的作用 r 一眦域 ff f f ；t t 在各类种汽车网络通信标准中，c a n 以其独特的设计，优良的性能和较高 的可靠性得到了最为广泛的应用。 1 2 车载c a n 网络简介 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是上世纪8 0 年代初b o s c h 公司为 解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串 行通信协议，经多次修订，于1 9 9 1 年9 月形成技术规范2 0 版本，后来产生的国际 标准是用于高速场合的i s o1 1 8 9 8 和用于低速场合的i s o1 1 5 1 9 4 1 。 c a n 总线协议的最大特点是废除了传统的节点地址编码，并为每一个通信 帧定义了标识符并以此作为它们的优先级。数据帧或远程帧的标识符可为1 1 位 或2 9 位，这种按数据帧编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。 数据段长度最多为8 个字节，可满足控制命令、工作状态及测试数据交换的一般 要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协议有五种错误处理方法，保证了数据通信的可靠型5 1 。c a n 总线协议具有下列 主要特性： 3 糕一 第1 章引言 c a n 节点为多主工作方式，通信方式灵活； 节点信息按标识符分成不同的优先级，可满足不同的实时要求； c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送消息时，优先 级较低的消息会主动地退出发送，而最高优先级的消息可不受影响地继续传 输数据，这有别于以太网的数据传输【6 】： c a n 节点只需通过消息滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种 数据传送方式； 单根c a n 总线的节点数主要取决于总线驱动电路，消息标识符可达2 0 3 2 个 ( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的消息标识符几乎不受限制【7 】； c a n 消息帧采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。c a n 节点在错误严 重的情况下具有自动脱离总线的功能，以使总线上其他节点的操作不受影 向： c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。 按照o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 标准模型，c a n 总线协议定义在数据 链路层和物理层，如图1 3 所示。 l l c 接收滤波 超敬通知 恢复讶理 i l a c 数据料装拆装 赖编码( 填充瓣除填瓷) 媒体访鲫伢理 错误偷测 蹦镑标定 磁答 串行化解除书行化 _ o o o o o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 物理层 p l s 位编鹅解鹳 位定时 州步 _ - - _ _ - _ - 一 p 姒 驱动器接收器特性 _-_ 洒i 迄接器 般控器 图i 3c a n 的分层结构 物理层定义信号实际传送的方式，主要描述了位时序、位编码方式和同步 方式。 4 第1 章引言 m a c 子层是整个c a n 协议的核心，定义了数据的发送和接收。m a c 子层运 行时借助“故障界定实体( f c e ) ”进行监控。故障界定是区别暂时性干扰和永久性 故障的一种自检机制。m a c 子层对消息帧、仲裁方式、应答、错误检测及出错 信号进行管理。 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通知和恢复管理。 目前c a n 总线协议的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自 动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。然而，c a n 总线协议却并没有定义 网络管理相关的内容。而对于一个完整的、成熟的实时通信网络而言，网络管 理非常重要。因此，建立适用于c a n 网络的网络管理策略，是一个必要的、迫 切的任务，也是一种新的挑战。 1 3 网络管理技术概述 网络管理技术伴随着计算机、网络及通信技术的发展而发展。一个运行良 好的网络一刻也离不开有效的网络管理。网络管理的概念最早由电信行业提出， 最初由人工管理实现，但随着网络规模的扩大，人工管理的方式越来越力不从 心，为此产生了由计算机代替人工进行网络管理的技术。计算机与通信的结合 产生了计算机网络，它的管理难度更大，为了对计算机网络进行有效管理，国 际标准化组织和i n t e m e t 体系结构委员会在网络管理的标准化方面做了卓有成效 的工作，并由此产生了两大标准，分别是i s o 的o s i 网络管理方案c m i s ( c o m m o n m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e ) 和c m i p ( c o m m o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) ：另一种是i n t e m e t 的s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 以及正 在形成的c m o t ( c m i s c m i p o v e rt c p i p ) 网络管理方案。这些管理标准主要是针 对计算机网络的管理。 网络管理一般是指监督、组织和控制网络通信服务和信息处理所必需的各 种活动的总称，包括网络监视和控制两个方面。网络管理的目标是确保网络连 续正常地运行，并且，当网络运行出现异常时能及时响应和排除故障【8 j 。 网络管理有三种基本模式：集中式管理，层次式管理以及分布式管理。集 中式管理就是整个网络中设置一个网络管理中心，负责整个网络运行状态的监 视和控制。层次式管理是按照网络的结构组织形式进行分层，每一层一个管理 中心，同一层次上的管理中心的地位等同，并响应上层管理中心的询问和控制。 5 第1 章引言 分布式管理结合了以上两种管理方式的优点，一般是按照功能域来分，每一个 功能域一个网络管理中心，各管理中心的地位相等且可以互相通信。 在对某个网络实施网络管理时，通常会建立一个网络管理模型，该模型详 细描述了网络管理的实现机制及策略。 o s i 的管理模型包括：信息模型、组织模型、通信模型和功能模型。信息模 型统一描述了被管理资源的参数的数据结构。组织模型是指网络中各设备在管 理上充当的角色。通信模型基于系统的通信体系结构，一般包括三种管理信息 交换机制：应用管理协议、特定层管理实体之间的通信协议及层与层之间接口 和服务。功能模型把整个管理系统划分成五个功能域：配置管理、故障管理、 性能管理、安全管理和计费管理。 s n m p 的管理模型包括：管理工作站、管理代理、管理信息库和网络管理协 议。与o s i 管理模型比较，s n m p 中的管理工作站和管理代理相当于o s i 的组织模 型，它实现的功能就是o s i 的功能模型中规定的功能。管理信息库是信息模型的 实现形式，网络管理协议则对应于通信模型。s n m p 的管理模型如图1 4 所示。 s n m p 管理站s n m p 管理代理 图1 4s n m p 的管理模型 由此可见，o s i 和s n m p 的网络管理模型在思路上是大致吻合的。不过，网 络技术应用于计算机领域已有几十年了，而车载网络是面向控制的一类网络， 6 第1 章引言 因此它采取的网络管理策略与计算机网络有很大区别。但不管什么网络，网络 管理的目标是基本相同的，都是为了保障网络可靠有效的运行。在车载网络中， 网络管理的主要功能是故障管理、配置管理，较少涉及常见计算机网络管理中 的性能管理及安全管理，更不会有计费管理。 目前国际上涉及网络管理的协议或标准有s a ej 1 9 3 9 协议以及o s e k v d x 标准等。 1 4s a ej 1 9 3 9 协议简介 如前所述，c a n 总线协议只定义了物理层和数据链路层，没有规定应用层 协议，这给用户提供了广阔的应用空间。在实际应用中有很多要求，如发送多 于八个字节的数据块、响应或确定数据传送、标识符分配、网络启动等等，这 些功能需要在应用层、网络层上实现。目前已有一些基于c a n 的上层协议，它 们分别适用于不同的场合，符合不同的需要，主要包括c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、 s d s 、s a ej 1 9 3 9 等等，其中c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、s d s 主要应用于工业自动化 领域，而s a ej 1 9 3 9 是面向载重车辆、大客车、特种车辆等大型汽车开发的一类 上层协议【引。 j i 击用糟 应用屡1麟巾，l 表示层 会话屡 传输屡+爨 管 网络廑网络屡 理 羧蜷壁路屡l l c 数据链路屡1 m a c ) 一2 加 物理屡物理屡 o s i 七层模型 s a ej 1 9 3 9 分屡结构 图1 5 与o s l 模型相对应的s a e j l 9 3 9 分层结构模型 1 9 9 4 年以前，在美国的商用车中，动力系统与电子控制单元之间的通信采 用了s a ej 1 5 8 7 j 1 7 0 8 ，由于这两种协议使用一般的串行通信，因而数据传输率 ： 7 第1 章引言 较低( s a ej 1 7 0 8 的波特率只有9 6 0 0 b p s ) ，所以1 9 9 4 年诞生了s a ej 1 9 3 9 标准。 s a ej 1 9 3 9 和它的前身相比，主要区别在于：s a ej 1 7 0 8 j 1 5 8 7 是一种广泛用 于b 类网络的协议，它主要提供简单的信息交换，其中包括电子控制装置的诊断 数据。而s a ej 1 9 3 9 是基于c a n 总线的协议，波特率为2 5 0 k b p s l l 0 】。 s a ej 1 9 3 9 的物理层和数据链路层是以c a n2 0 b 协议为基础的，除此之外， 它还定义了网络层和应用层的协议。但是，s a ej 1 9 3 9 为传输层、会话层和表示 层预留了位置，以便将来进行扩展。图1 5 为s a ej 1 9 3 9 的分层结构1 1 【l2 1 。 s a ej 1 9 3 9 标准协议由一些子标准组成【1 3 1 1 4 1 f 1 5 】，其文件结构如表1 1 所示： 表1 1s a ej 1 9 3 9 标准 s a e2 1 9 3 9 0 l 载货车、客车扮捌和通信网络心用文耥 s a ej 1 9 3 9s a e j 1 9 3 9 11 物理层文档，定义物理层的特惟 s a ej 1 9 3 9 2 1 数据链路层文拍，定义信息帧豹数据结构、编伊5 舰则 誓楠擀，擀 s 三j i 9 0 舅3 l ；d ：打，么 ，k 久f 矗：玉，厶i ：l j 矗i 血j ，状 述o s i 通 s a ej l9 3 9 ，4 x 预翅的馋输鹾文梢 信结构、子 s a ej 1 9 3 9 ，5 x 镄潮的会活磁，文档 标准结构， s a ej 1 9 3 9 6 x 预留的袭示磁文梢 提供命名 和分配傻 s a ej 1 9 3 9 7 1 疵膈层文档，定义常朋物理参数的格式 s a ej l9 39 ，7 3 应腰层支秽；，用j i 渗濒应彤从 的控制 s a ej 1 9 3 9 8 1 网络锋理沈泼 1 5o s e k v d x 规范简介 1 9 9 3 年5 月，德国一些汽车公司b m w 、b o s c h 、d a i m l e r c h r y s l e r 、o p e l 、 s i e m e n s 、v w 等共同建立了o s e k 组织，o s e k 是德语“o f f e n es y s t e m eu n dd e r e n s c h n i t t s t e l l e n 斯d i ee l e k t r o n i ki mk r a f t f a h r z e u g ”的缩写，中文含义为“汽车电子开 发体系及其接口”。同年，法国汽车制造商p s a 和r e n a u l t 建立了v d x 组织， v d x 是英语“v e h i c l ed i s t r i b u t e de x e c u t i v e ”的缩写。由于两个组织目的类似，1 9 9 4 年他们进行了合并，于1 9 9 5 年发布了第一个o s e k v d x 规范【1 6 1 。 o s e k v d x 规范包括o s e ko s ( 操作系统) 1 7 1 、o s e kc o m ( 通信) 呻】、o s e k o i l ( 配置语言) 、o s e kn m ( 网络管理) 1 2 0 、o s e k t i m eo s ( 时间触发操作系统) 2 1 】、o s e kf t c o m ( o s e k 容错通信) 2 2 1 。o s e k f v d x 的结构如图1 - 6 所示。 8 第1 章引言 图1 6o s e k v d x 的结构 上述这些标准是欧洲汽车行业先进开发技术的总结，提供了将各种汽车电 子设备有机结合在一起的网络化嵌入式计算机系统的开发规范。o s e k v d x 的 任务是：降低软件开发及其管理中重复的高额费用，研究不同制造商的电子产 品由于接口和协议不同带来的不兼容。它支持应用软件可移植性和可重用性， 因此，在o s e k v d x 中，实时操作系统、网络管理以及通信中的a p i 应尽可能与 应用无关、与用户接口、硬件和网络无关，在系统开发过程中，必须对软件进 行有效设计，以便于对功能进行配置从而优化系统。 采用o s e k v d x 开发环境的优点是：第一，明显节省成本和开发时间；第 二，提高不同公司的控制单元的软件性能；第三，控制单元接口是标准化的； 第四，有效使用分布在汽车中的智能资源，不需要额外硬件就提高整个系统的 性能；第五，o s e k v d x 规范没有规定软件如何实现，所以不同应用软件的实 现是相互独立的。 目前o s e k v d x 已有国际标准，为i s o1 7 3 5 6 ，且目前世界上很多著名公司， 如美国的w i n d r i v e r 、德国v e c t o r 和e t a s 等公司已经根据o s e k v d x 规范开发 o s e k 开发环境和工具，o s e k 已经为全世界许多汽车公司和零配件商所接受。 o s e k 广泛应用在汽车电子的下列领域中：a b s 、安全气囊、智能遮阳篷顶、雨 刮器、电动窗、倒车辅助系统、智能门锁、轮胎气压警告系统。除了汽车领域 外，其他工业控制领域中也使用o s e k 网络开发环境。在将来o s e k 还将运用于 汽车巡航控制、驾驶员识别、碰撞避免以及下一代汽车的x b y w i r e 系统中。 还需说明的是，目前航天工业也对o s e k v d x 开发非常感兴趣，他们认为， 9 第1 章引言 可以运用o s e l 洲d x 解决在航天工业中的相似问题。 我国在基于o s e k v d x 规范的汽车电子领域也做了相应的研究和工程化工 作，特别是在符合o s e k 规范的嵌入式实时操作系统方面，然而对于o s e k v d x n m 的研究和实现相对较少，这也是本文重点研究的方向。 在本文的第二章中将详细地对j 1 9 3 9 协议及o s e k v d x 规范中涉及网络管理 的部分进行对比，以提出适合c a n 网络管理的方案。 1 6 论文的主要工作及章节安排 本课题来源于国家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“燃料电池轿车动力 系统技术平台研究开发”( 2 0 0 6 a a l1 a 1 0 1 ) 。 文章的主要内容如下： 1 第二章介绍并比较了s a ej 1 9 3 9 8 1 和o s e k v d x n m 网络管理标准， 并结合c a n 网络进行分析讨论。 2 第三章结合c a n 总线协议和o s e kn m ，给出直接和间接网络管理的 具体实现流程，并针对某个网络及其协议，基于c a n o e 实现了网络管 理策略的仿真。 3 第四章设计了实验系统，并实现了基于该硬件实验系统的下位机网络管 理软件。 4 第五章测试了前文完成的实验系统，给出了测试结果和结论。 5 第六章在前文的基础上，对全文工作进行概括，并对今后的工作提出展 望。 1 0 第2 章网络管理策略研究 第2 章网络管理策略分析 2 1s a ej 1 9 3 9 的网络管理【1 5 】 s a ej 1 9 3 9 通信协议是由美国汽车工程师协会( s o c i e t yo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g ) - - - 卡车和客车电气电子委员会下的控制和通信网络分委员会( t h e t 】m c k & b u sc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ks u b c o m m i t t e eo ft h et l u c k & b u se l e c t r i c a lc o m m i t t e e ) 锖j 订的基于c a n 的网络通信协议。它主要为重型道路车 辆电子控制单元之间的通信提供标准的体系结构，是目前在大型汽车中应用最 广泛的协议。j 1 9 3 9 的前身是低速的j 1 7 0 8 和j 1 5 8 7 ，后二者只提供e c u 之间简单 的信息交换，包括诊断信息，j 1 9 3 9 完全兼容了j 1 7 0 8 和j 1 5 8 7 的功能。 如第一章所述，j 1 9 3 9 8 1 是j 1 9 3 9 的网络管理部分，它的主要功能和任务是 节点的地址分配和管理，没有实现节点状态监测功能。 s a ej 19 3 9 与c a n 的一个区别是，s a ej 1 9 3 9 要对节点进行地址编码。s a e j 1 9 3 9 网络初始化期间，所有节点都要检查各自静态配置的地址，确定这个地址 在网络中是独一无二的，确认后节点才能进行正常通信。s a ej 1 9 3 9 采用“地址声 明”( a d d r e s sc l a i m i n g ) 的方法来进行地址分配。s a ej 1 9 3 9 网络中要求每个节点有 一个6 4 位的名字，由设备编号、使用场合、设备类型等位域组成。节点名字具 有优先级，名字越小，优先级就越高。如果两个或多个网络节点同时申请同一 个节点地址，那么节点名字优先级最高的将获得该地址，失去该地址的节点必 须在全网络范围内重新申请新的地址。 2 1 1 节点地址配置等级 s a ej 1 9 3 9 根据网络节点的可配置性将网络节点分为四级： 不可配置的网络节点：该节点的地址在程序写入时就确定了。 可通过专用工具配置的网络节点：该节点地址可以通过专用工具调整，调整 时该节点必须处于某种特殊的工作模式下。 可通过命令来配置的网络节点：节点处于在正常工作模式下，通过网络使用 命令消息来调整节点的地址。 1 1 第2 章网络管理策略研究 可以自配置的网络节点：节点借助内部算法确定自己的地址，即通过“地址 声明”的方法来实现地址分配。如果发生地址冲突可重新确定一个地址，然 后通知网络中的其他节点。 节点有静态配置方式和动态配置方式：使用静态配置地址的节点通常固定 在网络中，上面提到的不可配置或可通过专用工具配置的节点应属于静态配置 方式。对于可以更换地址或经常不在网络中运行的节点，可使用动态配置方式。 图2 1 通过“地址声明帧”进行动态地址分配的过程 2 1 2 动态地址分配方法( “地址声明”方法) s a ej 1 9 3 9 支持三种动态分配地址的方法。 第一种，节点通过“地址声明”方法可以在网络范围内声明自己的地址。发送 节点向网络上其它节点发送“地址声明帧”，该帧的标识符包括该节点要声明的地 址，数据场包含了6 4 位的节点名字。如果地址有冲突，那么就根据名字的优先 级决定哪一个节点将最终获得声明的地址，而其它未获胜的节点将放弃原来声 明的地址，重新在网络范围内通过“地址声明帧”申请新的地址。无论什么原因， 当曾经发送“地址声明帧”失败的节点不能重新申请新地址时，都应该发送一个 “不能进行地址声明”帧，这样该节点就不能参与网络通信。图2 2 示出通过“地址 1 2 第2 章网络管理策略研究 声明帧”进行地址自动分配的过程。 节点a 网络节点a 赳 网络 ( a ) ( b ) 图2 2 通过“地址索取帧”和“地址声明帧”进行地址分配的过程 第- - 不e o ，节点a 通过“地址索取请求帧”要求网络中其它的一个或几个节点将 地址和名字发送给自己，节点a 可以通过三种方式来获得节点地址： 第( a ) 种，如图2 2 ( a ) 所示，节点a 将自己静态配置的地址x 作为目标地址向网 络中发送“地址索取请求帧”。等待一段时间后，如果还没有节点响应该“地址索 取请求”帧，那么节点a 就以该地址向网络中的其它节点发送一个“地址声明帧”， 等一段时间后就可以发送消息； 第( b ) 种，如图2 2 ( b ) 所示，节点a 通过“地址索取请求帧”向网络中其它节点 提出请求，请它们发送节点地址和名字，然后根据获得的地址和一定的算法选 择一个空闲的节点地址，再向网络发送一个“地址声明帧”，源地址就是刚才选择 的节点地址，等待一段时间后就可以与其他节点开始通信； 第三种，某节点可通过“地址命令”消息帧对其它节点进行地址分配，这些节 点应该属于可以通过命令配置的类型。图2 3 表示出具体流程，节点a 首先应通过 “地址索取请求帧”申请一个未用的地址z ，然后发送“地址命令”消息帧对节点c 进行地址调整，为了与节点c 进行通信，节点a 向网上发送的“地址命令”帧中必 须包含节点c 的名字和欲配置的地址z ，当节点c 收到该帧后，即向网络中的其它 节点发送“地址声明”帧，之后节点c 的地址就为z 。 13 第2 章网络管理策略研究 赳 节点a网络 图2 3 通过地址命令帧对节点进行地址分配 2 2o s e k v d x 网络管理( n e t w o r km a n a g e m e n t ) 1 o s e k v d x 网络管理( n m ) 的主要任务是保证网络中各个e c u 之间通信的 可靠性和安全性。o s e kv d x 定义的网络管理主要具备网络配置功能( o s e kn m 将网络配置区分为两个级别：n o r m a l 和l i m ph o m e ) 、状态管理功能( 哪些节点 在网络上处于活跃状态) 和休眠管理功能。o s e k v d xn m 定义了直接网络管理 和间接网络管理两种网络管理机制，同时定义了监测静态网络节点状态的规范， 并提供控制网络管理组件的a p i 函数。欧洲汽车工业界已广泛地采用o s e k 直 接网络管理或间接网络管理的多种形式。因为车载网络大多数是静态配置的， 在静态网络中，网络上所有可能的节点都是已知的，并且网络中的节点都具有 一个独一无二的标识符，用o s e l 洲d xn m 对其进行管理是非常合适的。 o s e kn m 包含以下部分： o s e k n m 与应用程序的接口( a p i ) ； 节点状态监控的算法； o s e kn m 与o s e kc o m 和o s e ko s 的接口； 转换到睡眠状态的算法； o s e kn m 协议数据单元烈m p d u ) 。 1 4 第2 章网络管理策略研究 o s e k v d xn m 适用于不同的总线协议( 如c a n 、v a n 、j 18 5 0 、d 2 b 等) ， 并提供相关的错误处理( 例如c a n 的离线错误处理，传输线错误处理等) ， o s e k v d xn m 还提供状态信息说明，例如c a n 节点中的错误活动状态和错误 认可状态。o s e k d xn m 配置时可根据具体的应用场合选择网络管理的对象， 裁剪不需要的部分，例如如果采用间接网络管理，那么系统配置时就不需配置 o s e k v d xn m 的直接网络管理部分，从而减小软件的复杂性。 图2 4 为o s e k 网络管理组件与o s e k 其他对象之间的接口： 图2 4 网络管理对象与其他对象之间接口 夺节点管理( 1 ) 驻留于用户应用程序中，协调网络正常运行。节点管理组件 根据应用场合的要求查询网络管理组件，由此决定网络中运行节点的状 态，并向特定的应用程序提供信息； 节点管理对象和网络管理对象之间的接口( 2 ) 负责初始化、控制、查询网 络管理组件的状态，不同的网络管理方法有不同的a p i 函数； 夺o s e k v d x 网络管理算法( 3 ) 中包含直接网络管理的算法和间接网络管 理的算法，通过这些算法确定当前的网络配置和每个节点的状态，但算 1 5 第2 章网络管理策略研究 法与网络的物理层类型无关； 夺o s e k v d x 网络管理对象和o s e k v d xc o m 交互层之间的接口( 4 ) 主 要用于间接网络管理算法； 具体协议的网络管理算法( 5 ) 只与某节点连接的网络类型有关； 夺数据链路层与网络管理之间的接口( 6 ) 是o s e k v d xc o m 为网络管理 提供的a p i 函数。 2 2 1 直接网络管理( d i r e c tn e t w o r km a n a g e m e n t ) 2 2 1 1 概述 直接网络管理包含以下主要功能： 在启动时初始化网络设置； 在总线系统运行时进行节点状态监测； 唤醒和休眠管理，在网络无需工作时进入节能状态； 启动硬件。 直接网络管理使用专用的网络管理消息主动监测网络状态，被监测节点根 据专用和统一的算法主动发送监测的消息。每个节点都被看作是可以进行通信 的逻辑体。从o s e k 的角度来说，一个拥有两个通信模块并同时与两个通信介质 相连的微处理器应当被看作两个节点。 直接网络管理通过逻辑环来实现各个节点网络管理消息之间的同步。逻辑 环上各个节点的通信独立于网络的物理结构，每个节点具有一个逻辑的后继节 点，逻辑环第一个节点是该逻辑环最后一个节点的逻辑后继节点。在网络中， 类似于令牌的环消息发送权按照节点标识符由小到大地从一个节点传递到另外 一个节点( 后继节点) ，如图2 5 所示。环上的专用网络消息要求广播式传输，使每 个节点在发送网络管理消息时，其它节点均能侦听该消息，便于各节点在接收 到环消息后可记录网络和发送节点的运行状态。也就是说，虽然网络管理消息 的物理传输是以广播的方式，但是消息在逻辑上的接收和传输却是按逻辑环的 方式进行的。直接网络管理就是通过逻辑环上消息的传递来对组成逻辑环的每 个节点和整个通信网络进行监控f 2 3 】。 1 6 第2 章网络管理策略研究 图2 5 直接网络管理的逻辑环结构 在逻辑环上传输的网络管理消息，在o s e k v d x 里被定义为网络管理协议 数据单元n m p d u ( n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o ld a t au n i t ) ，它被分为三种类型 的消息：r i n g 消息( 正常工作的环消息) 、a l i v e 消，皂, ( a l i v em e s s a g e ) 和l i m ph o m e 消 ，皂, ( l i m ph o m em e s s a g e ) 。a l i v e 消息用于表明加入了新节点，同时使网络管理从 稳态转化到瞬态。当新节点能识别网上所有节点后，网络管理才从瞬态返回稳 态。功能不正常的节点将周期性地传输l i m ph o m e 消息，关于这些消息的定义， 将在后文详细介绍。 2 2 1 2 直接网络管理的状态转换机制 直接网络管理定义了网络管理组件三个主要状态，如图2 6 所示。当系统被 唤醒复位时，网络管理进入n m o f r 状态，当应用程序启动n m 时，n m 组件进 入n m o n 状态( n m o n 状态包含3 个子状态) 。当应用程序要求停止n m 时，n m 组件进入n m s h u t d o w n 状态。 图2 6 网络管理主要状态 当n m 组件进入n m o n 状态时，即进入缺省的初始化状态n m i n i t 。完成初 始化任务后，转入n m a w a k e 状态( n m a w a k e 状态也包含了3 个子状态) 并将保 持这个状态，直到所有转到总线睡眠状态的条件都被满足，然后才转入 1 7 第2 章网络管理策略研究 n m b u s s l e e p 状态。当系统处于n m b u s s l e e p 状态时，一旦接收到网络管理消息， 系统将转入n m i n i t 状态。如图2 7 所示。 图2 7 n m o n 状态 系统执行完n m i n i t 状态所要求的所有功能后，将自动进入n m a w a k e 状态， 如图2 8 。 图2 8 n m a w a k e 状态 进入n m a w a k e 状态后，马上进入n m r e s e t 缺省状态。在这个状态中，n m 组件初始化，如果网络管理组件的消息已经被正确地发送和接收，就切换到 n m n o r m a l 状态。在n m n o r m a l 状态下，网络管理环消息被周期性地发送和接 1 8 第2 章网络管理策略研究 收，并且同时对网络的配置进行管理。当网络管理配置改变时，n m 组件能够通 知应用程序。 只要n m 组件确定n m 消息不能再传输，将切换到n m l i m p h o m e 状态。在 n m l i m p h o m e 状态下，n m 组件继续监听网络，以