CN103036704B - 一种快速重建汽车osek nm逻辑环的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速重建汽车OSEK NM逻辑环的方法，在实现OSEK NM逻辑环机制运行基础上，通过引入节点逻辑位置差概念，将新节点加入造成的逻辑环重建划分为三种模式；设计了面向汽车CAN网络节点的逻辑后继更新机制，实时判断逻辑环重建模式，动态选择逻辑后继节点，迅速完成逻辑环重建。本发明能够缩短逻辑环重建环时间和降低网络负载率，进而提高了OSEK NM逻辑环实时性和可靠性。

Description

一种快速重建汽车OSEK NM逻辑环的方法

技术领域

本发明涉及汽车电子网络控制系统的实时网络管理技术，尤其是一种快速重建汽车OSEK NM逻辑环的方法。

背景技术

随着汽车工业和信息技术的飞速发展，越来越多的电子控制系统（ECU，Electronic Control Unit）被应用到汽车上。由于系统间通信具有数据量大、类型复杂和实时性要求高等特点，ECU网络化成为了必然趋势。这也使得网络本身安全性成为了汽车整体控制安全的重要因素之一。网络管理（NM,Network Management）具有网络状态在线监测、网络故障诊断和自处理等功能，是保障汽车网络系统运行的重要安全机制。

目前汽车电子网络应用中大多数采用OSEK/ VDX直接NM( OSEK/ VDX Direct Network Management) 。OSEK 直接NM具有强实时性、高容错性、低资源占用率和分布式管理等特点，能够实时监控ECU站点通信状况，能够及时反馈故障站点信息，保障被监控ECU 节点状态安全。OSEK 直接NM是一种基于逻辑环的网络管理方式，稳定的逻辑环是整个网络管理机制运行基础。只有在逻辑环稳定状态下，各个节点才能够根据网络中NM消息来判断自身和整个网络的通信状况，实时采取相应安全措施。但是，当有节点加入和退出网络时，稳定运行的逻辑环将被破坏，OSEK NM 将不能对逻辑环上各节点进行监控，进入到不稳定状态，直至逻辑环重建完成。因此这种不稳定状态的时间长短，即逻辑环重建时间，对于OSEK NM机制运行的可靠性和实时性有着至关重要的影响。

当前应用最广泛的汽车网络是CAN(Controller Area Network)总线。但是OSEK NM只提供了汽车网络管理框架，没有给出针对CAN网络协议的实现方法。同时，现有OSEK NM规范中逻辑环重建主要集中在分布式建环机制上，对于逻辑环重建时可能产生的大量突发性NM消息，及其对逻辑环重建时间和网络负载不良影响也缺乏考虑。因此，针对常用汽车CAN总线，在原有OSEK NM基础上设计逻辑环快速重建方法，缩短逻辑环不稳定状态时间、降低突发NM消息数量，成为了OSEK NM应用中需要迫切解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速重建汽车OSEK NM逻辑环的方法，在不改变原有分布式建环机制基础上，根据汽车CAN网络中节点在逻辑环中相对位置，动态选择重建环模式，快速完成逻辑环重建，进而保证OSEK NM机制运行的可靠性和实时性。

本发明为解决上述问题，所采用的技术方案为：

一种快速重建汽车OSEK NM逻辑环的方法，在实现OSEK NM逻辑环机制正常运行基础上，引入节点逻辑位置差的概念，将新节点加入造成的逻辑环重建划分为三种模式；定义了OSEK NM消息的CAN帧结构，设计一种CAN网络节点逻辑后继更新机制，实时计算节点逻辑位置差，判断逻辑环重建模式，动态选择逻辑后继节点，迅速完成逻辑环重建，进而满足OSEK NM 逻辑环的实时性要求；具体实现方法如下：

（1）定义节点逻辑环位置差LogPosErr概念，设计节点间LogPosErr计算公式及逻辑环重建的模式转换图，描述Best_Join、 Normal_Join、Worst_Join模式之间关系；

（2）设计OSEK NM 协议数据单元NMPDU的数据域为三部分，分别为：源节点（即发送该NM消息节点）在逻辑环中位置souceIndex_NM；源节点是否修改逻辑后继的标志isOldSuccessorValid_NM；源节点修改逻辑后继前的原始逻辑后继节点oldSuccessor_NM，并设计与该NMPDU相应CAN总线数据帧格式；

（3）设计面向CAN网络节点的逻辑后继更新机制，该机制根据收到的Alive消息和Ring消息，计算节点逻辑环位置差来判断逻辑环重建模式，动态选择逻辑后继节点，完成逻辑环重建。

本发明所述节点逻辑环位置差LogPosErr及其计算公式、三种逻辑环重建模式（Best_Join、 Normal_Join、Worst_Join）之间关系如下：

（1）节点逻辑环位置差LogPosErr为新节点加入逻辑环时刻，其直接前驱节点和正在定时Ttyp节点间的逻辑位置差。定义m为当前时刻逻辑环中节点的数目，myIndex 为节点在逻辑环中相对位置索引，souceIndex_NM为NM消息中表明发送该消息的节点在逻辑环中相对位置索引，则有

$\mathrm{LogPosErr}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{souceInde}{x\_}_{\mathrm{NM}}-\mathrm{myIndex},& {\mathrm{souceIndex}\_}_{\mathrm{NM}}>\mathrm{myIndex}-1\\ m+{\mathrm{souceIndex}\_}_{\mathrm{NM}}-\mathrm{myIndex},& {\mathrm{souceIndex}\_}_{\mathrm{NM}}\≤\mathrm{myIndex}-1\end{array}\right.$

（2）定义maxErr为最大允许的位置误差，则Best_Join、Normal_Join、Worst_Join三种逻辑环重建模式与LogPosErr关系为：当LogPosErr=0时，逻辑环重建模式为Best_Join；当0<LogPosErr<maxErr时,逻辑环重建模式为Normal_Join；当LogPosErr ≥ maxErr时，逻辑环重建模式为Worst_Join。

本发明使用基于ISO11898标准的汽车CAN总线，消息帧为CAN标准帧，该帧数据域长度为8个Byte，其中第1个Byte为NM消息目的节点 (Destination) ID，第二个Byte为NM消息操作码（Opcode），第3-8个字节为NM数据域 (Data byte)，第6个Byte的0～6bit为souceIndex_NM，第7个bit 为isOldSuccessorValid_NM，第8个Byte为oldSuccessor_NM；

所述CAN网络节点逻辑后继更新机制实现如下：

（1）稳定逻辑环中任意节点i收到某节点j发送的Alive消息，根据OSEK NM 逻辑后继判别机制判断节点j是否是本节点后继节点，如果节点j是后继节点，则执行（2）；否则，执行（6）；

（2）如果节点j是本节点的后继节点，则读取最近收到Ring 消息数据域中的souceIndex_NM和本节点myIndex，计算节点逻辑环位置差LogPosErr，判断当前逻辑环重建模式。如果重建模式为Best_Join或Normal_Join，更改本节点后继节点为节点j后执行（6）；如果重建模式为Worst_Join，更改本节点后继节点为节点j，设置本节点原后继节点有效标志isOldSuccessorValid，然后执行（6）；

（3）逻辑环中任意节点i收到某节点j发送的Ring消息，判断该消息是否发送给自己，如果确认发送给自己，执行（4）；否则执行（5）；（4）根据Ring消息中标志isOldSuccessorValid_NM判断节点j原后继节点是否有效，如有效，更改本节点后继为节点j原后继节点。如无效，则执行（5）；

（5）根据OSEK NM 逻辑后继判别机制判断节点j是否是本节点后继节点。如果节点j是后继节点，更改本节点后继节点为节点j后执行（6）；如果节点j不是后继节点，直接执行（6）；

（6）该机制执行完毕，退出。

本发明的对于现有技术的优势有：

（1）从实时性角度，在节点加入过程中，避免大量节点无必要的被跳过，节省了逻辑环建立时间，增强了网络管理机制运行的可靠性。

（2）从网络负载角度，在逻辑环重新建立过程中，减少了大量Alive消息和Ring消息的突然发送，降低了网络负载瞬间过大的不良影响。

附图说明

图1是OSEK NM逻辑环的建立过程图。

图2是节点加入时逻辑环断开与重建图。

图3 是LogPosErr与逻辑环重建模式关系图。

图4 是网络管理消息的CAN数据帧格式图。

图5 是OSEK NM 中节点逻辑后继更改SDL图。

图6是网络节点逻辑后继更改的流程图。

具体实施方式

在OSEK NM中，逻辑环建立是一种基于网络管理消息的分布式机制，无需中央节点（专门节点）进行组织，如图1所示。节点 1在t=0时刻开始定时Ttyp，节点 2,3定时Tmax。节点1在Ttyp到时发送Ring消息到总线上，同时节点2,3收到Ring消息，但是Ring消息的目标不是节点3，节点3忽略消息，节点2接收并定时Ttyp准备发送消息，节点1定时Tmax，节点3取消当前Tmax并重启Tmax。顺序下去，当节点1收到节点3发送给它的Ring消息时逻辑环建立完成。

逻辑环进入稳定状态后有节点加入网络，则逻辑环断开重建。逻辑环重建时间长短和产生多余的Alive消息数量与逻辑位置差LogPosErr相关。在图2中LogPosErr达到了最大值，如果所有Alive消息能否在一个Ttpy时间内传送完毕，则重建环时间将达到(w+3) Ttpy，产生的多余Alive消息将达到（w-1）条。利用逻辑环位置差LogPosErr，将逻辑环重建分为Best_Join、 Normal_Join、Worst_Join，各模式转换如图3所示。在不改变OSEK NM 原有分布式建环机制基础上，根据不同的重建环模式，动态选择逻辑后继更改机制。其中，Best_Join、 Normal_Join模式下选择OSEK NM本身的逻辑后继更改机制，Worst_Join模式下选择新的逻辑后继更改机制。

该OSEK NM 逻辑环重建方法具体实现步骤如下：

网络管理消息使用CAN标准帧，如图4所示。该帧标示符11位，8-10bit为BaseID,0-7bit为消息源节点source_NM，CAN帧数据域长度为8个Byte, 其中第1个Byte为消息目的节点destination_NM，第二个Byte为NM消息操作码（Opcode），第3-8个字节为NM数据域 (Data byte) 。第6个Byte的0～6bit为souceIndex_NM，第7个bit 为isOldSuccessorValid_NM，第7个Byte为oldSuccessor_NM。

各节点内部定义如下变量：mySource为本节点ID, myIndex为本节点在逻辑环中位置，mySuccessor为本节点逻辑后继节点，isOldSuccessorValid为本节点是否修改逻辑后继的标志，myOldSuccessor为本节点原逻辑后继节点。

网络节点逻辑后继更改步骤如图5、6所示，具体描述如下：

（1）设置myOldSuccessor=mySuccessor，判断所收到的NM消息类型，是Alive消息还是Ring消息。

（2）如果是Ring消息，判断该消息的destination_NM是不是等于本节点的mySource，如果相等，并且Ring消息数据域isOldSuccessorValid_NM等于1,则mySuccessor=oldSuccessor_NM。否则执行（3）。

（3）根据mySource、mySuccessor和所收到消息的source_NM，运用OSEK更改逻辑后继规则来判断节点是否需要更改本节点后继，如果确定更改，则设置本节点mySuccessor=source_NM。否则退出本次更新。

（4）如果是Alive消息，执行（3）操作。同时，如果更改了本节点逻辑后继，则计算节点逻辑环位置差LogPosErr，判断当前逻辑环重建模式，其中LogPosErr计算公式如下：

$\mathrm{LogPosErr}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{souceInde}{x\_}_{\mathrm{NM}}-\mathrm{myIndex},& {\mathrm{souceIndex}\_}_{\mathrm{NM}}>\mathrm{myIndex}-1\\ m+{\mathrm{souceIndex}\_}_{\mathrm{NM}}-\mathrm{myIndex},& {\mathrm{souceIndex}\_}_{\mathrm{NM}}\&le;\mathrm{myIndex}-1\end{array}\right.$ 重建模式判断依据图3。如果重建模式为Best_Join或Normal_Join，则设置isOldSuccessorValid=0。如果重建模式Worst_Join，则设置isOldSuccessorValid=1。

（5）当节点Ttyp定时结束时，发送Ring消息。该消息中，source_NM= mySource,destination_NM=mySuccessor，souceIndex_NM=myIndex ，   isOldSuccessorValid_NM=isOldSuccessorValid，

oldSuccessor_NM=myOldSuccessor。

Claims (1)

1.一种快速重建汽车OSEK NM逻辑环的方法，其特征在于：在实现OSEK NM逻辑环机制正常运行基础上，引入节点逻辑位置差概念，将新节点加入造成的逻辑环重建划分为三种模式；定义了OSEK NM消息的CAN帧结构，设计一种CAN网络节点逻辑后继更新机制，实时计算节点逻辑位置差，判断逻辑环重建模式，动态选择逻辑后继节点，迅速完成逻辑环重建，进而满足OSEK NM 逻辑环的实时性要求；具体实现方法如下：

（1）定义节点逻辑环位置差LogPosErr概念，设计节点间LogPosErr计算公式及逻辑环重建的模式转换图，描述Best_Join、 Normal_Join、Worst_Join模式之间关系：

1）节点逻辑环位置差LogPosErr为新节点加入逻辑环时刻，其直接前驱节点和正在定时Ttyp节点间的逻辑位置差；定义m为当前时刻逻辑环中节点的数目，myIndex 为节点在逻辑环中相对位置索引，sourceIndex_NM为NM消息中表明发送该消息的节点在逻辑环中相对位置索引，则有

2）定义maxErr为最大允许的位置误差，则Best_Join、Normal_Join、Worst_Join三种逻辑环重建模式与LogPosErr关系为：当LogPosErr=0时，逻辑环重建模式为Best_Join；当0<LogPosErr<maxErr时，逻辑环重建模式为Normal_Join；当LogPosErr ≥ maxErr时，逻辑环重建模式为Worst_Join；

（2）设计OSEK NM 协议数据单元NMPDU的数据域为三部分，分别为：源节点在逻辑环中位置sourceIndex_NM，源节点即发送该NM消息节点；源节点是否修改逻辑后继的标志isOldSuccessorValid_NM；源节点修改逻辑后继前的原始逻辑后继节点oldSuccessor_NM；并设计与所述NMPDU相应CAN总线数据帧格式； 

与NMPDU相对应的是CAN标准帧，该CAN总线协议符合ISO11898标准，该帧数据域长度为8个Byte, 其中第1个Byte为NM消息目的节点ID， 第2个Byte为NM消息操作码，第3-8个Byte为NM数据域 ，第6个Byte的0～6bit为sourceIndex_NM，第6个Byte的第7个bit 为isOldSuccessorValid_NM，第8个Byte为oldSuccessor_NM；

（3）设计面向CAN网络节点的逻辑后继更新机制，该机制根据收到的Alive消息和Ring消息，计算节点逻辑环位置差来判断逻辑环重建模式，动态选择逻辑后继节点，完成逻辑环重建；

所述CAN网络节点逻辑后继更新机制实现如下：

1）稳定逻辑环中任意节点i收到某节点j发送的Alive消息，根据OSEK NM 逻辑后继判别机制判断节点j是否是本节点后继节点，如果节点j是后继节点，则执行2）；否则，执行6）；

2）如果节点j是本节点的后继节点，则读取最近收到Ring 消息数据域中的sourceIndex_NM和本节点myIndex，计算节点逻辑环位置差LogPosErr，判断当前逻辑环重建模式；如果重建模式为Best_Join或Normal_Join，更改本节点后继节点为节点j后执行6）；如果重建模式为Worst_Join，更改本节点后继节点为节点j，设置本节点原后继节点有效标志isOldSuccessorValid，然后执行6）；

3）逻辑环中任意节点i收到某节点j发送的Ring消息，判断该消息是否发送给自己，如果确认发送给自己，执行4）；否则执行5）；

4）根据Ring消息中标志isOldSuccessorValid_NM判断节点j原后继节点是否有效，如有效，更改本节点后继为节点j原后继节点；如无效，则执行5）；

5）根据OSEK NM 逻辑后继判别机制判断节点j是否是本节点后继节点；如果节点j是后继节点，更改本节点后继节点为节点j后执行6）；如果节点j不是后继节点，直接执行6）；

6）该机制执行完毕，退出。