CN101547118A - 一种基于osek网络管理机制的动态网络管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法。在实现OSEK标准里面的直接网络管理方法和间接网络管理方法的基础上，设计一个采用特定网络负载作为阈值的动态网络管理调度器，将网络负载分为四个级别，动态网络管理的节点定时查询网络负载级别，如果发现负载级别发生变化，则动态切换OSEK网络管理模式，对网络上消息不按时间均匀分布、随着节点数目不断增加、网络管理所消耗的网络资源也随之增多的情况。本发明具有可根据网络状况来调节网络管理占用的资源，以适应实时环境需求的优点。

Description

一种基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法

技术领域

本发明涉及汽车电子实时控制系统的网络管理技术，尤其是一种基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法。

背景技术

作为网络的大脑和中枢神经，网络管理系统通过监视和控制网络来保证网络中节点间通信的顺畅，并且使网络在性能与消耗之间取得有效地平衡。在对可靠性和安全性要求很高的汽车电子实时控制领域，网络管理系统的重要性尤为突出。高可靠性和强实时性要求网络管理系统能够在保证网络通信顺畅的前提下，确保网络内的节点能被其他已授权的实体访问，能够允许暂时性的错误发生，支持网络相关的诊断服务，并最终在性能和功能之间取得平衡。这就意味着网络管理系统的性能和实施网络管理技术对网络带来的负担之间必须达到平衡。

目前汽车电子领域多采用基于OSEK/VDX(Open Systems and thecorresponding interfaces for automobile Electronic/Vehicle Distributed eXecutive，下面简称OSEK)标准的网络管理协议来管理车用实时控制网络。这些网络管理协议属于静态性质的网络接口，可以为故障诊断系统提供精确实时的故障信息，具有一定的容错性能，但是不能保证网络管理系统能够适应负载波动比较大的动态网络环境。

目前车用网络以CAN总线最为普遍，而CAN是独占式的总线，不可以多路复用，又由于网络上的消息不是按时间均匀分布的，尤其是当某些特殊事件发生时，网络流量会发生爆炸式增长，使得静态网络管理方法具有局限性。当网络上某些节点需要占用大量带宽时，如果因为网络管理所占用的带宽导致节点正常通信受到影响，降低了系统的实时性和可靠性，反而违背了网络管理的初衷；当网络节点间的通信频率较低时，如果网络管理也采用了较低频率的方式，就会导致总线带宽的浪费，并且会降低网络管理的质量。在网络上的节点数目不断增加的情况下，网络管理所消耗的网络资源也随之增多，因此静态网络管理方法并不能适应动态变化的网络状况的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以根据网络状况来调节网络管理占用的资源、适应实时环境需求的基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：在实现OSEK标准里面的直接网络管理方法和间接网络管理方法的基础上，设计一个采用特定网络负载作为阈值的动态网络管理调度器，将网络负载分为四个级别，动态网络管理的节点定时查询网络负载级别，如果发现负载级别发生变化，则动态切换OSEK网络管理模式，对网络上消息不按时间均匀分布、随着节点数目不断增加、网络管理所消耗的网络资源也随之增多的情况，根据网络状况来调节网络管理占用的资源，以适应实时环境的需求，具体实现步骤如下：

(1)设计直接网络管理方法中用于维护节点自身状态的数据结构DNMNodeStatusTable；

(2)设计直接网络管理方法中用于维护节点所在令牌网络中其他节点状态的数据结构DNMNetworkConfigTable；

(3)设计直接网络管理方法的状态转换图，描述状态Reset、Normal、LimpHome和BusSleep之间的转换关系；

(4)设计间接网络管理方法中用于维护节点自身状态的数据结构IDNMNodeStatusTable；

(5)设计间接网络管理方法中用于维护网络中被该节点监控的所有节点状态的数据结构IDNMNetworkConfigTable；

(6)设计间接网络管理方法的状态转换图，描述状态Normal、LimpHome和BusSleep之间的转换关系；

(7)设计网络负载的阈值推算公式，为直接网络管理方法和间接网络管理方法之间的四种组合设计三个不同的网络负载阈值Thresh_12、Thresh_23和Thresh_34的计算公式；

(8)设计动态网络管理方法的调度器，定时地获取网络的负载，在适当的时候切换网络管理的模式。

本发明所述CAN总线网络中设置代表不同网络负载级别的阈值Thresh_12、Thresh_23和Thresh_34的计算方法如下，其中Thresh_12<Thresh_23<Thresh_34：

(1)定义Len是CAN总线上每一帧的平均长度，单位为bit，BaudRate是CAN总线采用的波特率，单位为kbps，Interval是相邻两条CAN帧之间的最短间隔，单位为bit，T_int是处理器采用中断方式接收一条CAN消息所需要的时间，单位为s，K为单位时间内CAN总线上最多传送的帧数，因为 $\frac{(1-K\&times;T_{\mathrm{int}})\&times;1000\&times;\mathrm{BaudRate}}{\mathrm{Len}+\mathrm{Interval}}=K,$

则 $K=\frac{1000\&times;\mathrm{BaudRate}}{\mathrm{Len}+\mathrm{Interval}+1000\&times;T_{\mathrm{int}}\&times;\mathrm{BaudRate}};$

(2)定义T_typ是采用直接网络管理方法的节点发送两个Ring消息的间隔，单位为s，K_{d_normal}是采用直接网络管理方法的节点在正常工作情况下单位时间内所要占用的网络带宽，即发送的消息帧数，则 $K_{d\_\mathrm{normal}}=\frac{1}{T_{\mathrm{tyq}}};$

(3)定义N是网络上允许最大的节点数目，T_max是采用直接网络管理方法的节点等待连续两个Ring消息的最大间隔，单位为s，M是采用直接网络管理方法的节点所组成的逻辑环发生网络重组的频率，T_{d_limphome}是逻辑环重组情况下DNM单位时间内所要占用网络的平均时间，单位为s，

则T_{d_limphome}＝M×((N-1)×T_typ+T_max)；

(4)定义T_cycle是应用程序发送周期性消息的最小间隔，单位为s，K_{ind_cycle}是采用间接网络管理方法的节点在单位时间内所要占用的网络带宽，即发送的消息帧数，则 $K_{\mathrm{ind}\_\mathrm{cycle}}=N\&times;\frac{1}{T_{\mathrm{cycle}}}=\frac{N}{T_{\mathrm{cycle}}};$

(5)由于网络管理程序会消耗一定的处理器资源，会影响到本节点在网络上发送消息的进程，从而间接地影响整个网络的运作，所以将网络管理程序对处理器时间的消耗也加入到负载阈值的计算中去，定义T_d是采用直接网络管理方法的节点处理一条网络管理消息所需要的平均时间，单位为s，T_dnm是采用直接网络管理方法的节点单位时间内占用的处理器资源，单位为s，T_ind是采用间接网络管理方法的节点处理一条消息所需要的平均时间，单位为s，T_indnm是采用间接网络管理方法的节点单位时间内占用的处理器资源，单位为s，并假设T_os是节点采用的实时操作系统在单位时间内独占处理器资源，单位为s，由于接收到消息后肯定要发送出去，所以会是两倍时间，则T_dnm＝T_d×K_{d_normal}×2，T_indnm＝T_ind×K_{ind_cycle}。

(6)前面所述的Thresh_12，Thresh_23和Thresh_34三个阈值由以下公式推算得到：

Thresh_12＝

(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_indnm-T_os)×(K-K_{d_normal}-K_{ind_cycle})+(K_{d_normal}+K_{ind_cycle})

＝(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_indnm-T_os)×K+(T_dnm+T_{d_limphome}+T_indnm+T_os)×(K_{d_normal}+K_{ind_cycle})

Thresh_23＝

(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_os)×(K-K_{d_normal})+K_{d_normal}

＝(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_os)×K+(T_dnm+T_{d_limphome}+T_os)×K_{d_normal}

Thresh_34＝

(1-T_indnm-T_os)×(K-K_{ind_cycle})+K_{ind_cycle}

＝(1-T_indnm-T_os)×K+(T_indnm+T_os)×K_{ind_cycle}

本发明中当一个车控实时网络中的若干节点之间只有很少量的通信，网络负载小于Thresh_12时，动态网络管理调度器将网络管理模式切换为同时使用直接网络管理模式和间接网络管理模式；

当节点间的通信逐渐增多，网络负载也随之增高到大于Thresh_12且小于Thresh_23时，动态网络管理调度器将网络管理模式切换为只使用直接网络管理模式；

当节点间的通信继续增多，网络负载继续增高到大于Thresh_23且小于Thresh_34时，动态网络管理调度器关闭直接网络管理模式，并开启间接网络管理模式；

当节点间的通信增加到最大的一个负载阈值所规定的程度，网络负载增高到大于Thresh_34时，动态网络管理调度器关闭直接网络管理模式和间接网络管理模式，以保证节点之间的正常通信。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1、该方法基于OSEK标准的两种静态网络管理方法，重新设计完善了节点各个状态之间转换关系和转换策略，具有更好的准确度和很高的实际应用价值；2、该方法结合了现有两种互补的静态网络管理方法，利用网络负载这一因子，通过动态切换网络管理模式，以达到在不影响网络节点间正常通信的前提下，尽可能地提供精确的网络管理信息的目标；3、该方法通过分析OSEK的接网络管理方法和间接网络管理方法以及其它影响通信的因素，给出了网络负载阈值的计算公式；4、该方法非常适合网络负载变化较大，并且需要很高可靠性的网络应用环境。

附图说明

图1为OSEK网络管理在OSEK体系架构中的位置示意图。

图2为直接网络管理方法管理的网络示意图。

图3为间接网络管理方法管理的网络示意图。

图4为本发明动态网络管理系统的结构图。

图5为本发明动态网络管理调度器的工作流程图。

图6为本发明动态网络管理方法的应用平台示意图。

图7为本发明动态网络管理方法的应用实例示意图。

图8为本发明直接网络管理方法的状态转换图。

图9为本发明间接网络管理方法的状态转换图。

具体实施方式

该用于车用实时网络的动态管理方法，利用了OSEK标准里面的直接网络管理和间接网络管理两种基本方法。直接网络管理方法能提供精确实时的网络状态信息，但是需要有专有的通信通道，同时还要消耗掉很多的系统资源，使系统的实时性能降低。间接网络管理方法则是建立在应用程序周期性信息传递的基础上，不会对网络负载带来直接影响，但是它能提供的网络状态信息比间接网络管理少。动态网络管理方法将网络负载分为四个级别(level 1～4)，级别依次升高，级别越高，代表网络的负载越大。实现了动态网络管理的节点会定时查询网络负载级别，如果发现负载级别发生了变化，则会切换网络管理模式。

该动态管理方法使用网络当前的负载为关键因子，通过动态切换OSEK网络管理模式，达到在不影响节点间正常通信的前提下，尽可能地提供精确的故障诊断信息。其中网络负载用单位时间内网络上传输的消息总数来表示。该动态管理方法定义相邻两个负载级别间的阈值Thresh_12，Thresh_23和Thresh_34，其中Thresh_12<Thresh_23<Thresh_34。动态网络管理系统中最重要的是表示网络负载级别的负载阈值的选择，因为阈值决定了网络管理模式变化的时机，如果阈值选择得不好，则会导致网络管理模式的切换时机错误，不但不能很好的管理网络，反而会影响节点间通信的正常进行，特别是实时性要求非常高的通信需求。

当一个车控实时网络中的若干节点之间只有很少量的通信，网络负载小于Thresh_12时，动态网络管理调度器将网络管理模式切换为同时使用直接网络管理模式和间接网络管理模式；

当节点间的通信逐渐增多，网络负载也随之增高到大于Thresh_12且小于Thresh_23时，动态网络管理调度器将网络管理模式切换为只使用直接网络管理模式；

当节点间的通信继续增多，网络负载继续增高到大于Thresh_23且小于Thresh_34时，动态网络管理调度器关闭直接网络管理模式，并开启间接网络管理模式；

当节点间的通信增加到最大的一个负载阈值所规定的程度，网络负载增高到大于Thresh_34时，动态网络管理调度器关闭直接网络管理模式和间接网络管理模式，以保证节点之间的正常通信。

该动态管理方法的具体实现步骤如下：

(1)设计直接网络管理方法中用于维护节点自身状态的数据结构DNMNodeStatusTable，其中有九个项，对应当前节点在直接网络管理下需要记录的九个自身状态，分别是：NetStable表示在直接网络管理下最后一次逻辑环完成之后网络的配置有没有发生变化，GotoModeCalled表示当前节点在直接网络管理下是否调用了睡眠请求，ModePassiveOrActive表示当前节点的直接网络管理功能是否被激活，ModeOnOrOff表示当前节点的直接网络管理功能是否开启，ModeLimpHome表示当前节点在直接网络管理下是否处于错误恢复状态，ModeBusSleep表示当前节点在直接网络管理下是否处于睡眠状态，ModeTwbsNormalLimpHome表示当前节点在直接网络管理下是否处于等待睡眠的状态，RingDataAllowed表示当前网络节点在直接网络管理下是否允许应用程序使用网络管理模块传递数据，NetInterfaceCorrect表示当前节点在直接网络管理下的网络接口是否运行正确；

(2)设计直接网络管理方法中用于维护节点所在令牌网络中其他节点状态的数据结构DNMNetworkConfigTable，网络上的每个节点都拥有一个表项，某项的值为1，表示当前节点认为这个表项对应的节点是存在于网络上的，并且是活动的，表项值为0，则表示对应的节点不存在于网络上，或者目前不活动；

(3)设计直接网络管理方法的状态转换图，描述状态Reset、Normal、LimpHome和BusSleep之间的转换关系，参见图8，在直接网络管理的状态管理中，Reset表示当前节点的直接网络管理处于重新启动状态，Normal表示当前节点的直接网络管理处于正常工作状态，LimpHome表示当前节点的直接网络管理处于错误恢复状态，BusSleep表示当前节点的直接网络管理处于睡眠状态。节点的状态随着应用程序的请求、自身硬件的功能和网络上的请求的变化而变化。直接网络管理启动时节点处于Reset状态，经过初始化操作之后，如果运行正常，节点会进入Normal状态，否则进入LimpHome状态；Normal状态下如果节点功能出现异常，则会进入LimpHome状态，如果是需要重新启动，则会进入Reset状态；LimpHome状态下节点如果修复了错误，就会进入Reset状态进行重新启动；Normal和LimpHome状态下，节点如果收到睡眠请求，则会进入BusSleep状态，在BusSleep状态下收到唤醒请求，则会进入Reset状态进行重新启动。

(4)设计间接网络管理方法中用于维护节点自身状态的数据结构IDNMNodeStatusTable，其中有五个项，对应当前节点在间接网络管理下需要记录的五个自身状态，分别是：NetInterfaceCorrect表示当前节点在间接网络管理下的网络接口是否运行正确，ModeOnOrOff表示当前节点的间接网络管理功能是否开启，ModeLimpHome表示当前节点在间接网络管理下是否处于错误恢复状态，ModeBusSleep表示当前节点在间接网络管理下是否处于睡眠状态，ModeTwbsNormalLimpHome表示当前节点在间接网络管理下是否处于等待睡眠的状态；

(5)设计间接网络管理方法中用于维护网络中被该节点监控的所有节点状态的数据结构IDNMNetworkConfigTable，网络上的每个被当前节点监控的节点都拥有一个表项，某项的值为1，表示当前节点认为这个表项对应的节点是存在于网络上的，并且是活动的，表项值为0，则表示对应的节点不存在于网络上，或者目前不活动；

(6)设计间接网络管理方法的状态转换图，描述状态Normal、LimpHome和BusSleep之间的转换关系，参见图9，在间接网络管理的状态管理中，Normal表示当前节点的间接网络管理处于正常工作状态，LimpHome表示当前节点的间接网络管理处于错误恢复状态，BusSleep表示当前节点的间接网络管理处于睡眠状态。节点的状态随着应用程序的请求、自身硬件的功能和网络上的请求的变化而变化。间接网络管理启动时节点直接进入Normal状态；Normal状态下如果节点功能出现异常，则会进入LimpHome状态，如果收到睡眠请求，则会进入BusSleep状态；LimpHome状态下节点如果修复了错误，就会进入Normal状态，如果收到睡眠请求，则会进入BusSleep状态；在BusSleep状态下收到唤醒请求，则会进入Normal状态运行。

(7)设计网络负载的阈值推算公式，为直接网络管理方法和间接网络管理方法之间的四种组合设计三个不同的网络负载阈值计算公式；

(8)设计动态网络管理方法的调度器，定时地获取网络的负载，在适当的时候切换网络管理的模式。

参见图1，网络管理在整个系统的位置及其各组件为：网络管理通过服务接口提供了诸多服务，站点管理对网络管理状态进行初始化、查询和控制，通过依赖于系统的算法来调整网络，决定网络上节点的状态，或者改变基于网络节点状态的应用程序的全部功能。网络管理算法被分为两部分：通用算法和协议特定算法。通用算法决定当前的网络配置，标识每一个节点的状态，并与上层应用程序和OSEK操作系统交互。网络管理提供了两种不同的算法：直接和间接方式。特定协议算法基于连接到节点的物理网络类型，每一个物理网络连接都要求一套特定的协议算法。网络管理模型支持多个网络连接到特定设备，提供多网络接口。交互层接口是由OSEK通信模块提供的，它对应用程序透明，被用于间接网络管理。与交互层类似，OSEK通信模块的数据链路层为网络管理提供接口服务，包括数据收发请求和错误指示等。

直接网络管理赋予节点“消息地址”的概念，使得每个网络上的节点有唯一的标识号，一般采用8位地址来标识。这样，即使底层物理网络不支持消息地址，直接网络管理也可以有软件来模拟点对点的通信。直接网络管理的网络拓扑如图2所示，网络上有7个节点，这些节点在逻辑上形成一个环，称之为逻辑环，实际上是一个以ring消息为令牌的令牌环，通过Ring消息序列实现消息传输。ring消息自低地址节点(ID号小)向高地址节点(ID号大)发送，再由最高节点传回最低节点，形成一个环网络。

参见图3，间接网络管理通过监控应用程序的周期性消息来监控相应的节点，采用分组的管理方式，组内节点以主从方式工作。间接网络管理要求节点能够在系统运行过程中周期性地发送消息，从节点周期性地向主节点发送信息，由主节点根据所接收到的消息更新网络状态。间接网络管理的网络拓扑如图3所示，网络上有7个节点，其中分为两组，节点3负责监控节点1、2和4，而节点6负责监控节点5和7。

参见图4，动态网络管理调度器负责根据网络负载的大小切换网络管理的模式。路径1表示在网络负载小于阈值Threshold_12时，同时使用直接网络管理方法和间接网络管理方法；路径2表示在网络负载大于阈值Threshold_12但是小于阈值Threshold_23时，只使用直接网络管理方法；路径3表示在网络负载大于阈值Threshold_23但是小于阈值Threshold_34时，只使用间接网络管理方法；路径4表示系统中动态网络管理模块与应用程序之间的接口，路径5表示系统中动态网络管理模块与底层网络之间的接口。

开启了直接网络管理方法的节点根据网络和应用程序的请求在Reset、Normal、LimpHome和BusSleep四种状态之间进行切换(Reset表示节点处于启动状态、Normal表示节点处于正常工作状态、LimpHome表示节点处于异常状态、BusSleep表示节点处于休眠状态)，开启了间接网络管理方法的节点则根据网络和应用程序的请求在Normal、LimpHome和BusSleep三种状态之间进行切换。当网络负载较低，节点同时开启了上述两种网络管理方法时，这两套状态之间相互独立，为应用程序提供最佳的服务支持。

在CAN总线网络中设置代表不同网络负载级别的阈值Thresh_12、Thresh_23和Thresh_34，其中Thresh_12<Thresh_23<Thresh_34，Thresh_12、Thresh_23和Thresh_34的计算方法如下：

(1)定义Len是CAN总线上每一帧的平均长度(单位为bit)，BaudRate是CAN总线采用的波特率(单位为kbps)，Interval是相邻两条CAN帧之间的最短间隔(单位为bit)，T_int是处理器采用中断方式接收一条CAN消息所需要的时间(单位为s)，K为单位时间内CAN总线上最多传送的帧数，因为 $\frac{(1-K\&times;T_{\mathrm{int}})\&times;1000\&times;\mathrm{BaudRate}}{\mathrm{Len}+\mathrm{Interval}}=K,$

则 $K=\frac{1000\&times;\mathrm{BaudRate}}{\mathrm{Len}+\mathrm{Interval}+1000\&times;T_{\mathrm{int}}\&times;\mathrm{BaudRate}};$

(2)定义T_typ是采用直接网络管理方法的节点发送两个Ring消息的间隔(单位为s)，K_{d_normal}是采用直接网络管理方法的节点在正常工作情况下单位时间内所要占用的网络带宽，即发送的消息帧数，则 $K_{d\_\mathrm{normal}}=\frac{1}{T_{\mathrm{tyq}}};$

(3)定义N是网络上允许最大的节点数目，T_max是采用直接网络管理方法的节点等待连续两个Ring消息的最大间隔(单位为s)，M是采用直接网络管理方法的节点所组成的逻辑环发生网络重组的频率，T_{d_limphome}是逻辑环重组情况下DNM单位时间内所要占用网络的平均时间(单位为s)，

则T_{d_limphome}＝M×((N-1)×T_iyp+T_max)；

(4)定义T_cycle是应用程序发送周期性消息的最小间隔(单位为s)，K_{ind_cycle}是采用间接网络管理方法的节点在单位时间内所要占用的网络带宽，即发送的消息帧数，则 $K_{\mathrm{ind}\_\mathrm{cycle}}=N\&times;\frac{1}{T_{\mathrm{cycle}}}=\frac{N}{T_{\mathrm{cycle}}};$

(5)由于网络管理程序会消耗一定的处理器资源，会影响到本节点在网络上发送消息的进程，从而间接地影响整个网络的运作，所以将网络管理程序对处理器时间的消耗也加入到负载阈值的计算中去，定义T_d是采用直接网络管理方法的节点处理一条网络管理消息所需要的平均时间(单位为s)，T_dnm是采用直接网络管理方法的节点单位时间内占用的处理器资源(单位为s)，T_ind是采用间接网络管理方法的节点处理一条消息所需要的平均时间(单位为s)，T_indnm是采用间接网络管理方法的节点单位时间内占用的处理器资源(单位为s)，并假设T_os是节点采用的实时操作系统在单位时间内独占处理器资源(单位为s)，由于接收到消息后肯定要发送出去，所以会是两倍时间，则T_dnm＝T_d×K_{d_normal}×2，T_indnm＝T_ind×K_{ind_cycle}。

(6)前面所述的Thresh_12，Thresh_23和Thresh_34三个阈值由以下公式推算得到：

Thresh_12＝

(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_indnm-T_os)×(K-K_{d_normal}-K_{ind_cycle})+(K_{d_normal}+K_{ind_cycle})

＝(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_indnm-T_os)×K+(T_dnm+T_{d_limphome}+T_indnm+T_os)×(K_{d_normal}+K_{ind_cycle})

Thresh_23＝

(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_os)×(K-K_{d_normal})+K_{d_normal}

＝(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_os)×K+(T_dnm+T_{d_limphome}+T_os)×K_{d_normal}

Thresh_34＝

(1-T_indnm-T_os)×(K-K_{ind_cycle})+K_{ind_cycle}

＝(1-T_indnm-T_os)×K+(T_indnm+T_os)×K_{ind_cycle}

参见图5，动态网络管理调度器的具体工作流程为：

1、动态网络管理模块启动；

2、查询并得到当前的网络负载；

3、将网络负载与预先计算出来的各个阈值进行比较，确定当前网络的负载级别；

4、动态网络管理调度器根据网络负载级别切换到相应的管理模式；

5、等待下一个查询当前的网络负载的时间点到来；

6、跳回到步骤2继续执行。

参见图6，该方法的应用平台的具体连线方式为：

1、平台由32块HCS12开发板组成，作为32个节点组成一个网络；

2、节点之间使用CAN总线连接；

3、节点各自负责不同的功能，有的负责接收外部信号，有的负责处理信号，有的负责传递信号，有的负责控制车灯等设备；

4、32个节点组成一个由直接网络管理模式管理的令牌网络；

5、同时，这32个节点分成4个组，1号到8号、9号到16号、17号到24号，以及25号到32号节点各自组成4个字网络，均使用间接网络管理模式进行管理，其中，节点1、9、17和25是主节点。

6、根据硬件环境和软件的实现，得到计算网络负载阈值的各个参数的值如下：BaudRate＝500kbps，M＝0.01，Len＝128bit，T_typ＝0.1s，Interval＝11bit，T_max＝0.25s，N＝32，T_cycle＝0.5s，T_d＝0.010194s，T_ind＝0.00232s，T_os＝0.15s，T_int＝0.00008s。计算得到三个阈值分别是：Thresh_12＝1337，Thresh_23＝1716，Thresh_34＝1979。

参见图7，其中NoNM表示节点不使用网络管理、IDNM表示节点只使用间接网络管理、DNM表示节点只使用直接网络管理、DNM+IDNM表示节点同时使用直接网络管理和间接网络管理，该方法的具体应用结果为：

1、由10个不同的案例组成，每个案例具有不同的网络通信要求；

2、案例1到案例10，从案例1每秒钟400条CAN消息开始，每个案例增加每秒200条CAN消息，到案例10是2200条CAN消息；

3、在案例1到5时，网络中每秒的CAN消息数最多为1200，小于Thresh_12，网络负载较低，所以动态网络管理模式由同时开启网络管理和间接网络管理运行组成；

4、在案例6和7时，网络中每秒的CAN消息数分别为1400和1600，大于Thresh_12，但是小于Thresh_23，网络负载一般，所以动态网络管理模式选择关闭间接网络管理模式，仅由直接网络管理运行组成；

5、在案例8时，网络中每秒的CAN消息数为1800，大于Thresh_23，但是小于Thresh_34，网络负载较高，所以动态网络管理模式选择关闭直接网络管理模式，仅由间接网络管理运行组成；

6、在案例9和10时，网络中每秒的CAN消息数分别为2000和2200，大于Thresh_34，网络负载非常高，所以动态网络管理模式选择同时关闭直接网络管理模式和间接网络管理模式。

Claims (3)

1、一种基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法，其特征是：在实现OSEK标准里面的直接网络管理方法和间接网络管理方法的基础上，设计一个采用特定网络负载作为阈值的动态网络管理调度器，将网络负载分为四个级别，动态网络管理的节点定时查询网络负载级别，如果发现负载级别发生变化，则动态切换OSEK网络管理模式，对网络上消息不按时间均匀分布、随着节点数目不断增加、网络管理所消耗的网络资源也随之增多的情况，根据网络状况来调节网络管理占用的资源，以适应实时环境的需求，具体实现步骤如下：

(1)设计直接网络管理方法中用于维护节点自身状态的数据结构DNMNodeStatusTable；

(2)设计直接网络管理方法中用于维护节点所在令牌网络中其他节点状态的数据结构DNMNetworkConfigTable；

(3)设计直接网络管理方法的状态转换图，描述状态Reset、Normal、LimpHome和BusSleep之间的转换关系；

(4)设计间接网络管理方法中用于维护节点自身状态的数据结构IDNMNodeStatusTable；

(5)设计间接网络管理方法中用于维护网络中被该节点监控的所有节点状态的数据结构IDNMNetworkConfigTable；

(6)设计间接网络管理方法的状态转换图，描述状态Normal、LimpHome和BusSleep之间的转换关系；

(7)设计网络负载的阈值推算公式，为直接网络管理方法和间接网络管理方法之间的四种组合设计三个不同的网络负载阈值Thresh_12、Thresh_23和Thresh_34的计算公式；

(8)设计动态网络管理方法的调度器，定时地获取网络的负载，在适当的时候切换网络管理的模式。

2、根据权利要求1所述的基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法，其特征是：所述CAN总线网络中设置代表不同网络负载级别的阈值Thresh_12、Thresh_23和Thresh_34的计算方法如下，其中Thresh_12<Thresh_23<Thresh_34：

(1)定义Len是CAN总线上每一帧的平均长度，单位为bit，BaudRate是CAN总线采用的波特率，单位为kbps，Interval是相邻两条CAN帧之间的最短间隔，单位为bit，T_int是处理器采用中断方式接收一条CAN消息所需要的时间，单位为s，K为单位时间内CAN总线上最多传送的帧数，因为 $\frac{(1-K\&times;T_{\mathrm{int}})\&times;1000\&times;\mathrm{BaudRate}}{\mathrm{Len}+\mathrm{Interval}}=K,$ 则 $K=\frac{1000\&times;\mathrm{BaudRate}}{\mathrm{Len}+\mathrm{Interval}+1000\&times;T_{\mathrm{int}}\&times;\mathrm{BaudRate}};$

(2)定义T_typ是采用直接网络管理方法的节点发送两个Ring消息的间隔，单位为s，K_{d_normal}是采用直接网络管理方法的节点在正常工作情况下单位时间内所要占用的网络带宽，即发送的消息帧数，则 $K_{d\_\mathrm{normal}}=\frac{1}{T_{\mathrm{typ}}};$

(3)定义N是网络上允许最大的节点数目，T_max是采用直接网络管理方法的节点等待连续两个Ring消息的最大间隔，单位为s，M是采用直接网络管理方法的节点所组成的逻辑环发生网络重组的频率，T_{d_limphome}是逻辑环重组情况下DNM单位时间内所要占用网络的平均时间，单位为s，

则T_{d_limphome}＝M×((N-1)×T_typ+T_max)；

(4)定义T_cycle是应用程序发送周期性消息的最小间隔，单位为s，K_{ind_cycle}是采用间接网络管理方法的节点在单位时间内所要占用的网络带宽，即发送的消息帧数，则 $K_{\mathrm{ind}\_\mathrm{cycle}}=N\&times;\frac{1}{T_{\mathrm{cycle}}}=\frac{N}{T_{\mathrm{cycle}}};$

(5)由于网络管理程序会消耗一定的处理器资源，会影响到本节点在网络上发送消息的进程，从而间接地影响整个网络的运作，所以将网络管理程序对处理器时间的消耗也加入到负载阈值的计算中去，定义T_d是采用直接网络管理方法的节点处理一条网络管理消息所需要的平均时间，单位为s，T_dnm是采用直接网络管理方法的节点单位时间内占用的处理器资源，单位为s，T_ind是采用间接网络管理方法的节点处理一条消息所需要的平均时间，单位为s，T_indnm是采用间接网络管理方法的节点单位时间内占用的处理器资源，单位为s，并假设T_os是节点采用的实时操作系统在单位时间内独占处理器资源，单位为s，由于接收到消息后肯定要发送出去，所以会是两倍时间，则T_dnm＝T_d×K_{d_normal}×2，T_indnm＝T_ind×K_{ind_cycle}。

(6)前面所述的Thresh_12，Thresh_23和Thresh_34三个阈值由以下公式推算得到：

Thresh_12＝

(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_indnm-T_os)×(K-K_{d_normal}-K_{ind_cycle})+(K_{d_normal}+K_{ind_cycle})

＝(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_indnm-T_os)×K+(T_dnm+T_{d_limphome}+T_indnm+T_os)×(K_{d_normal}+K_{ind_cycle})

Thresh_23＝

(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_os)×(K-K_{d_normal})+K_{d_normal}

＝(1-T_dnm-T_{d_limphome}-T_os)×K+(T_dnm+T_{d_limphome}+T_os)×K_{d_normal}

Thresh_34＝

(1-T_indnm-T_os)×(K-K_{ind_cycle})+K_{ind_cycle}

＝(1-T_indnm-T_os)×K+(T_indnm+T_os)×K_{ind_cycle}

3、根据权利要求1或2所述的基于OSEK网络管理机制的动态网络管理方法，其特征是：

当一个车控实时网络中的若干节点之间只有很少量的通信，网络负载小于Thresh_12时，动态网络管理调度器将网络管理模式切换为同时使用直接网络管理模式和间接网络管理模式；

当节点间的通信逐渐增多，网络负载也随之增高到大于Thresh_12且小于Thresh_23时，动态网络管理调度器将网络管理模式切换为只使用直接网络管理模式；

当节点间的通信继续增多，网络负载继续增高到大于Thresh_23且小于Thresh_34时，动态网络管理调度器关闭直接网络管理模式，并开启间接网络管理模式；

当节点间的通信增加到最大的一个负载阈值所规定的程度，网络负载增高到大于Thresh_34时，动态网络管理调度器关闭直接网络管理模式和间接网络管理模式，以保证节点之间的正常通信。

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