WO2022117167A1 - Verfahren zum schnellen flashen von sensorknoten über ein ethernetnetzwerk - Google Patents

Verfahren zum schnellen flashen von sensorknoten über ein ethernetnetzwerk Download PDF

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WO2022117167A1
WO2022117167A1 PCT/DE2021/200227 DE2021200227W WO2022117167A1 WO 2022117167 A1 WO2022117167 A1 WO 2022117167A1 DE 2021200227 W DE2021200227 W DE 2021200227W WO 2022117167 A1 WO2022117167 A1 WO 2022117167A1
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control unit
ethernet network
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bus
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Helge ZINNER
Daniel HOPF
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Continental Automotive Gmbh
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    • H04L2012/40273—Bus for use in transportation systems the transportation system being a vehicle

Definitions

  • Ethernet and radio technologies are only just finding their way into automobiles and, thanks to their open and standardized protocols, offer the possibility of attacking the car from the outside for the first time.
  • a variant of the new standard is the CSMA/CD-based MultiDrop mode. This differs significantly from the other Ethernet variants (>10 Mbit/s), since the aim of this is to be able to design Ethernet more cost-effectively and thus also to address simpler control devices.
  • This standard does not require switches (switch ICs) but is designed as a bus (similar to CAN). This halves the number of required PHYs (transceivers). This means that Ethernet is becoming a serious competitor to CAN/CAN-FD and FlexRay, as it significantly reduces system costs.
  • typical automotive interfaces such as SPI instead of xMII for communication between controllers and physical transceivers (PHYs) are also possible.
  • Fig. 1 compares the essential features of Switched Ethernet and "Bus Ethernet” (MultiDrop) as defined in the IEEE standard IEEE P802.3cg. The most important difference is that the resources, the bus access, are exclusively available with Switched Ethernet, which means that each Ethernet node (ECU) can send at any time without collisions appear. With the new Ethernet bus conversion with multi-drop mode, a shared medium is used, ie the bus access has to wait until this resource is available.
  • the IEEE P802.3cg standard uses, among other things, a newly defined mechanism (PLCA - Physical Layer Collision Avoidance) to avoid collisions during bus access and to implement fair access. Only one PHY (Physical Transceiver) has access to the bus at any one time. This prevents collisions. Access is based on a so-called round robin procedure. Each ECU (node) on the BUS has the opportunity to send once within a defined cycle (or sequence).
  • PLCA Physical Layer Collision Avoidance
  • a so-called headnode which takes on the function of a network controller, determines the cycle and sends recurring "beacons" on the bus. Depending on their previously defined identity ID, which determines the sequence when they are allowed to send, the nodes start a timer and after this and the recognition that it is your turn, you are allowed to send.
  • Figure 3 shows the physical representation of the Ethernet bus with stubs.
  • EP 2 585 940 A1 describes a systems and methods for scheduling network communications in a managed network may include a network controller recognizing multiple network nodes; the network controller classifies the detected network nodes into two or more classifications of nodes for prioritizing network communication at the node level; the network controller receiving reservation requests from at least a portion of the plurality of network nodes, wherein the requesting reservation requests for one or more time slots for their respective network nodes in an upcoming communication window; and the network controller allocates time slots in the forthcoming communication window to one or more network nodes in response to reservation requests, the allocation being based on a priority of the network nodes and the priority being assigned to the nodes according to their classification.
  • This patent application describes how a network controller creates a cyclic media access plan (MAP) in which the accesses of the network nodes are defined in each cycle.
  • the basis is the required quality of service, the reservation requests from the respective nodes and their priority/lower priority, from which the network controller creates the MAP.
  • the network controller can also automatically send MAP messages without reservation requests.
  • a coordinating device performs bandwidth allocation procedures based on information from previously unsatisfied bandwidth allocation requests and responds to current bandwidth allocation requests.
  • the current bandwidth allocation requests specify the current requested bandwidth amounts for multiple streams, and the current bandwidth allocation requests can be received from multiple entities with multiple streams.
  • the information from previously unsatisfied bandwidth allocation requests is taken into account when allocating the available bandwidth between multiple streams or multiple entities for the currently requested bandwidth amounts.
  • the headnode also takes into account the 'unserved' access reservation from the previous cycle.
  • the bus In contrast to a switched network (as with 100/1000... Mbit/s), with 10Mbit/s, as described, the bus cannot be accessed immediately, but the respective point in time must be awaited. Compared to other Ethernet types, the 10Mbit bus offers a significantly lower data rate, which is why here special attention must be paid to the efficiency of the data transmission and the latency of the transmission (or also the access time). If security also becomes part of the 10Mbit/s system, then there is hardly any data rate left for user data (similar to the current CAN FD implementations).
  • Flashing i.e. updating software, new functions, eliminating errors, of control units is not really a new topic for the automotive industry, but will become even more important in the coming years due to the new 5G mobile communications standard. Flashing does not pose any problems via Ethernet (100 Mbit/s, 1000 Mbit/s ... ), since there is sufficient bandwidth on the one hand and exclusive access on the other (point-to-point full-duplex connections).
  • the problem today is that the standard only allows one frame to be sent per cycle, so the remaining data rate for the respective node (in this case the master node or head node) decreases as the number of participants on the bus increases.
  • the headnode will either be implemented in a head unit, a gateway, a fusion unit or generally in a zone controller, i.e. usually on the control unit from which updates or diagnostic queries also originate. It is known to use a so-called burst mode in which nodes max.
  • the object of the invention is to enable an optimization of the flash time, especially the time of the download, software or a diagnostic query from sensors or other control devices.
  • the invention advantageously adapts the new Ethernet technologies in terms of costs and implementation effort for use in automobiles.
  • the invention proposes a method that adapts the bus cycle to the data rate requirements of the headnode. This means that more bandwidth can be dynamically allocated to the headnode as needed.
  • the invention proposes a method that, depending on the size of the data to be transmitted, adapts the bus cycle in such a way that the download/update requirements for the transmission time are not violated.
  • the method calculates how much bandwidth has to be provided at what time. However, the method always takes the standard into account and does not have to intervene on the other nodes.
  • beacon cycle time only depends on the bus and its configuration, but not on the individual nodes or their requirements.
  • the fundamental revolution of the new architectures is characterized by the centering of the software on fewer and fewer computing units.
  • These so-called servers or central computers no longer consist of just one pc or pP, but contain several pC, pP, SOC and also Ethernet switches with a large number of ports - they represent their own local network, each with individual software (the also means that the respective software components do not (cannot) know that they are communicating, for example, with components that are located in the same housing).
  • Zone architectures with central servers are known. Here it applies that on the one hand the server contains many powerful processors and on the other hand a lot of software resp. Applications run on it. The communication effort within the control unit is enormous (this represents a separate local network). All of the vehicle's software will be executed here in the future and each controller has its own software stack which is made available by various providers.
  • the flash time and thus, for example, the download of the software from control devices can be significantly optimized and shortened by the invention.
  • the idea can be implemented without additional financial expenditure, such as hardware costs, and while maintaining the standard.
  • With the use of the newly introduced Ethernet protocols in automobiles mechanisms are necessary that make use of simple techniques and given properties of technologies in order to be able to do without expensive implementations and other additional hardware.
  • the network system according to the invention is improved in terms of reliability.
  • the advantage of the application-specific determination of a more accurate and predictable delay results in an improvement in the planning and execution of communication in the vehicle.
  • the logging of data can be made even more precise.
  • the invention offers the advantage that software can be flashed about 8 times faster than is possible with the prior art in the 10 Mbit/s Ethernet bus system. As a result, memory can be dimensioned smaller or memory can be freed up for other applications. If it is a software update, the invention allows a more realistic time window to be reported and the worst case does not have to be assumed. This allows downloads/updates that would otherwise never be started or would be started later.
  • Protocols like IP, AVB, and TSN have thousands of pages of specifications and test suites. The controllability of these new protocols in the automobile is not directly given.
  • An advantage of this invention is that the current hardware does not have to be changed, but the existing hardware can continue to be used.
  • the new method can be integrated into an existing network without damaging existing devices. A standard to be complied with is not violated since the existing protocol can be used.
  • the method according to the invention can be used in other industrial areas that use 10 Mbit/s Ethernet, such as, for example, in industrial automation.
  • the object is advantageously achieved by a method for quickly flashing sensor nodes via an Ethernet network with a headnode and a number of associated nodes, the method comprising: a) determining the number of active nodes by a headnode, b) classifying the detected nodes into two or more classifications of nodes to prioritize Ethernet network communications by the headnode; c) the headnode receiving reservation requests from at least a portion of the plurality of nodes, d) Allocation of time slots in response to reservation requests to one or more nodes in the forthcoming communication window, where the allocations are based on a priority of the nodes and the priority is assigned to the nodes according to their classification and that after determining the number of active nodes, a determination a necessary download data rate and a determination of a current bus utilization takes place, the bus utilization being determined by calculating the time difference between a last beacon and the number of nodes, and the bus cycle of the Ethernet network being optimized with regard to the necessary download data rate.
  • the bus utilization is continuously monitored.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that after the necessary download data rate has been determined, a currently free data rate in the Ethernet network is determined in the last bus cycle (Dfree) of the Ethernet network, a necessary data rate per bus cycle (D Z us ) takes place, whereby if the free data rate in the Ethernet network in the last bus cycle (Dfree) of the Ethernet network is greater than or equal to the necessary data rate per bus cycle (D Z us), no change is made in the next bus cycle, and if the free data rate in the Ethernet network in last bus cycle (Dok) of the Ethernet network is less than the necessary data rate per bus cycle, a change is made in the next bus cycle.
  • a control unit for an Ethernet network which as a first node is designed as a control unit, is particularly advantageous for sending a signal to a second control unit of the Ethernet vehicle electrical system and receiving the signal from the second control unit; determine a propagation time of the signal on a connection path to the second control unit; determine a maximum speed of the connection path based on the propagation time; and a type of transmission medium of the connection path based on the To determine maximum speed, at least includes a microprocessor, a volatile memory and non-volatile memory, at least two communication interfaces, a synchronizable timer, the non-volatile memory contains program instructions that, when executed by the microprocessor, at least one embodiment of the method according to the invention can be implemented and executed .
  • an Ethernet network for a motor vehicle is particularly advantageous, with a first control unit and a second control unit, the control units being connected to one another via at least one connection path, and the first control unit being designed to carry out the method according to the invention.
  • a particularly advantageous embodiment of the Ethernet vehicle electrical system is characterized in that the Ethernet network has a third control unit, which is only indirectly connected to the first control unit and is connected directly to the second control unit via a third connection path, with the third control unit being designed for this purpose to determine a transit time of a third signal on the third connection path, the first control unit being designed to trigger the determination of the transit time of the third signal by a service message to the third control unit.
  • the Ethernet network has a third control unit, which is only indirectly connected to the first control unit and is connected directly to the second control unit via a third connection path, with the third control unit being designed for this purpose to determine a transit time of a third signal on the third connection path, the first control unit being designed to trigger the determination of the transit time of the third signal by a service message to the third control unit.
  • platform-independent software with higher quality and durability can be used.
  • the use of the invention can be used in other communication systems with clock synchronization components and embedded systems.
  • Fig. 1 a simplified representation of the differences between an Ethernet bus (1 OMbit/s) and a switched network
  • FIG. 3 shows a physical representation of the Ethernet bus with stubs.
  • 1 shows a simplified representation of the differences between an Ethernet bus (1 OMbit/s) and a switched network.
  • FIG. 2 illustrates the basic flow of communication on the Ethernet network bus. By sending out the beacon, it is only node 0's turn and when this has finished its transmission, the next node is allowed to send. Typically, only a single Ethernet frame can be sent in the slot.
  • Fig. 3 is the component representation of the Ethernet bus with stubs. 4 shows the simplified representation of the task according to the invention.
  • the general solution of the invention is represented by a dynamically changing beacon cycle time, with the beacon signals being represented as 'B'.
  • the invention proposes a new method to optimize the efficiency of data transmission on the automotive 10Mbit/s bus and to reduce the bus access time for the headnode.
  • the idea of the invention describes the adaptations of the Ethernet network bus cycle. In contrast to the FlexRay, this has no negative or thoughtless effects.
  • the nodes do not have a fixed time window, but only follow a transmission order based on pre-configured, unique node IDs.
  • Figure 6 illustrates on what basis the bus cycle is optimized.
  • the headnode determines which data has to be transmitted in which time unit. This can be the size of a file or the duration of a stream.
  • the absolute data rate on the bus can be determined in this way, taking into account the overhead in the data transmission (e.g. Ethernet header).
  • the method suggests determining the current bus load.
  • the current utilization can be determined using the time difference between the last beacons and the number of participating nodes. If the bus load is low, it can be statistically assumed that this does not suddenly increase with the next cycle. You can still react to any changes, since it is suggested to monitor the bus load continuously.
  • FIG. 7 represents a partial step of the method in which the necessary data rate is compared with the current bus capacity.
  • the necessary download data rate in relation to the 10Mbit bus is calculated first.
  • the number of active nodes is determined by the headnode.
  • the slots of the inactive participants are determined and are to be made available to the headnode by the method, which is referred to as Dfree.
  • Another possible optimization level is described, based on the calculated, necessary data rate at the headnode, to prevent a subset (or all) of the other participants on the bus (except of course the headnode) from sending and thus to reduce the cycle time for the purpose of the download (or security update). reduce that the headnode can serve its necessary data rate, even if, according to normal bus operation, there would not be enough bandwidth available. For this purpose, a constant comparison is made as to how much data the headnode would still have to send in the current cycle, with this value being taken as a limit value which must not fall below 0 in this cycle and which is why the cycle would be ended beforehand by sending the next beacon.
  • the invention proposes determining the trustworthiness of a communication partner or its application. If this trustworthiness is determined, the exchange of sensitive data can be carried out.
  • FIG. 3 also shows a section of an overall system architecture in which an ECU (server) can be connected to other sensors and ECUs and components outside the vehicle.
  • the headnodes on the server are typically connected to the PCB (board) via MH (Media Independent Interface) or PCI-Express and therefore always manage without transceivers (PHYs).
  • MH Media Independent Interface
  • PHYs transceivers
  • An Ethernet transceiver causes a delay in the 3-digit nanosecond range. That doesn't sound like much, but the delay on layer 2 (MAC) is in the 1-digit nanosecond range or tends towards 0 - depending on how high the resolution of the measurement is.
  • the method first determines the address of the application that is to be used to exchange data (receive, send, or both).
  • the method then starts a runtime measurement for this component.
  • the PDelay_Request procedure of the gPTP protocol (or 802.1AS) can be used.
  • Two responses are sent back in response, and hardware timestamps can be used to determine the message's transit time.
  • the use of a protocol with hardware time stamps NTP, for example, is ruled out because the resolution is too imprecise.
  • the method calculates the physical distance to this participant. The distance is not directly expressed by a unit of measurement such as meters or centimeters, but can be converted to the number of components (PHYs, switches) that are part of the connection, since this delay is significant in contrast to the delay on the actual cable is.
  • the method measures the transit time to a participant/address by starting transit time measurements (e.g. part of the PTP protocol) and calculating the distance to this participant from this.
  • the measured running time must first be evaluated in order to provide information about the location.
  • the software cannot know whether a partner is located within the same ECU or not, and ideally it should not know if a generalized SW and not a special version is used; IP addresses can also be falsified or changed.
  • the runtime of a Mll-based connection does not require PHYs (transceivers). However, neither the time synchronization software nor the actual application that commissions this investigation knows this.
  • a PHY converts the data into electrical signals and encodes them, which takes much more time than when two Ethernet MACs communicate with each other via the MH-based lines.
  • the method presented recognizes whether a participant is directly connected to the requesting participant. If this is not the case, the appropriate protocol can be selected depending on the latency. For latencies that apply within the vehicle, MAC-Sec, IP-Sec and other IP/TCP-based methods could be used, for example, if the latency is so high and the participant is undoubtedly outside the vehicle.

Abstract

Verfahren zum schnellen Flashen von Sensorknoten über ein Ethernetnetzwerk mit einem Headnode und mehreren zugeordneten Knoten, wobei das Verfahren umfasst: a) Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten durch einen Headnode, b) Klassifizierung der erkannten Knoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Ethernetnetzwerkkommunikation durch den Headnode; c) Empfang von Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Knoten durch den Headnode, d) Zuweisung von Zeitschlitze als Antwort auf Reservierungsanforderungen an einen oder mehreren Knoten im bevorstehenden Kommunikationsfenster, wobei die Zuweisungen auf einer Priorität der Knoten basiert und die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird, wobei nach der Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine Bestimmung einer notwendigen Download-Datenrate und eine Ermittlung einer aktuellen Busauslastung erfolgt, wobei die Busauslastung durch die Berechnung der zeitlichen Differenz eines letzten Beacons und der Anzahl der Knoten erfolgt, und eine Optimierung des Buszyklus des Ethernetnetzwerkes hinsichtlich der notwendigen Download-Datenrate erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum schnellen Flashen von Sensorknoten über ein Ethernetnetzwerk
STAND DER TECHNIK
Mit 10 Mbit/s (IEEE802.3ch) wird neben 100 Mbit/s; 1000 Mbit/s und den laufenden Multi-Gigabit-Standardisierungen ein weiterer Ethernet-Standard für Automotive Anwendungen zur Verfügung stehen.
Ethernet und Funktechnologien erfahren zurzeit erst Einzug in das Automobil und bergen durch ihre offenen und standardisierten Protokolle erstmals die Möglichkeit das Auto auch von außen anzugreifen. Vermehrt sind in der Presse Meldungen über Angriffe auf Fahrzeuge zu lesen, bei denen es Angreifer über Funk geschafft haben Zugriff auf das Fahrzeug zu gelangen und somit auch auf wichtige Fahrzeugfunktionen zugreifen konnten.
Eine Variante des neuen Standards ist der auf CSMA/CD basierende MultiDrop-Modus. Dieser unterscheidet sich deutlich von den anderen Ethernet-Varianten (>10 Mbit/s), da mit diesem das Ziel verfolgt wird Ethernet kostengünstiger auslegen zu können und damit auch einfachere Steuergeräte zu adressieren. Dieser Standard benötigt keine Switches (Switch ICs) sondern wird als Bus (ähnlich zum CAN) ausgelegt. Dadurch halbiert sich ca. die Anzahl der notwendigen PHYs (Transceiver). Somit wird Ethernet eine ernsthafte Konkurrenz zu CAN/CAN-FD und FlexRay, da hiermit die Systemkosten deutlich gesenkt werden. Weiterhin sind auch typische Automotive-Schnittstellen wie SPI statt xMII zur Kommunikation zwischen Controllern und Physical Transceivern (PHYs) möglich.
Fig. 1 stellt die wesentlichen Merkmale von Switched Ethernet und dem „Bus-Ethernet“ (MultiDrop) wie es im IEEE-Standard IEEE P802.3cg definiert wird gegenüber. Der wichtigste Unterschied ist dabei, dass die Ressourcen, der Buszugriff, bei Switched Ethernet exklusiv zur Verfügung stehen, was bedeutet das jeder Ethernet-Knoten (ECU) jederzeit senden darf, ohne dass dabei Kollisionen auftreten. Beim der neuen Ethernet Bus-Umsetzung mit Multi-Drop-Mode wird ein geteiltes Medium („shared media“) verwendet, d.h. es muss mit dem Buszugriff gewartet werden bis diese Ressource zur Verfügung steht.
Der Standard IEEE P802.3cg verwendet unter anderem einen neu definierten Mechanismus (PLCA - Physical Layer Collision Avoidance), um Kollisionen beim Buszugriff zu vermeiden und einen fairen Zugriff zu realisieren. Dabei erhält immer nur genau ein PHY (Physical Transceiver) zu genau einem Zeitpunkt Zugriff auf den Bus. Hierdurch kann es nicht zu Kollisionen kommen. Der Zugriff wird nach einem sog. Round Robin-Verfahren gestaltet. Jede ECU (Knoten) am BUS bekommt die Möglichkeit einmal innerhalb eines definierten Zyklus (bzw. Reihenfolge) zu senden.
Ein sogenannter Headnode, der die Funktion eines Netzwerkcontrollers übernimmt, bestimmt dabei den Zyklus und sendet wiederkehrend „Beacons“ auf dem Bus. Damit starten die Knoten in Abhängigkeit ihrer vorher definierten Identität ID, die bestimmt die Reihenfolgen wann Sie senden dürfen, einen Timer und nach Ablauf dessen und der Erkennung, das Sie an der Reihe sind, dürfen Sie senden.
Fig. 2 stellt den prinzipiellen Ablauf der Kommunikation am Ethernet-Bus. Nach Aussendung des Beacons ist erst Knoten 0 an der Reihe, und wenn dieser seine Übertragung beendet hat, darf der nächste Knoten senden (typischerweise darf im Slot jeweils nur ein einzelner Ethernet-Frame gesendet werden).
Fig. 3 stellt die physische Darstellung des Ethernet-Busses mit Stubs dar.
EP 2 585 940 A1 beschreibt ein Systeme und Verfahren zum Planen der Netzwerkkommunikation in einem verwalteten Netzwerk können einen Netzwerkcontroller umfassen, der mehrere Netzwerkknoten erkennt; der Netzwerkcontroller klassifiziert die erkannten Netzwerkknoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Netzwerkkommunikation auf Knotenebene; den Netzwerkcontroller, der Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Netzwerkknoten empfängt, wobei die Reservierungsanforderungen einen oder mehrere Zeitschlitze für ihre jeweiligen Netzwerkknoten in einem bevorstehenden Kommunikationsfenster anfordern; und die Netzwerksteuerung weist einem oder mehreren Netzwerkknoten als Antwort auf Reservierungsanforderungen Zeitschlitze in dem bevorstehenden Kommunikationsfenster zu, wobei die Zuweisung auf einer Priorität der Netzwerkknoten basiert und wobei die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird. Diese Patentanmeldung beschreibt, dass ein Netwerkcontrollerfür einen zyklischen Media Access Plan (MAP) erstellt, in dem die Zugriffe der Netzwerkknoten in jedem Zyklus festgelegt werden. Basis ist die erforderliche Dienstgüte, die Reservierungsanfragen der jeweiligen Knoten sowie deren Priorität/U nterpriorität, aus denen der Netwerkcontroller den MAP erstellt. Der Netwerkcontroller kann auch ohne Reservierungsanfragen selbsttätig MAP-Nachrichten versenden.
US 2005 213 503 A1 führt in Übereinstimmung mit bestimmten beschriebenen Implementierungen eine koordinierende Vorrichtung Bandbreitenzuweisungsprozeduren basierend auf Informationen aus zuvor nicht erfüllten Bandbreitenzuweisungsanforderungen durch und reagiert auf aktuelle Bandbreitenzuweisungsanforderungen. Die aktuellen Bandbreitenzuweisungsanforderungen legen die aktuell angeforderten Bandbreitenbeträge für mehrere Streams fest, und die aktuellen Bandbreitenzuweisungsanforderungen können von mehreren Entitäten mit mehreren Streams empfangen werden. Die Informationen aus zuvor nicht erfüllten Bandbreitenzuweisungsanforderungen werden berücksichtigt, wenn die verfügbare Bandbreite zwischen mehreren Streams oder mehreren Entitäten für die aktuell angeforderten Bandbreitenbeträge zugewiesen wird. Bei Planung des Buszugriffs der Netzknoten wird vom Headnode die 'nichtbediente' Zugriffsreservierung aus dem vorhergehenden Zyklus mitberücksichtigt.
Im Gegensatz zu einem Switched Netzwerk (wie bei 100/1000... Mbit/s) kann mit 10Mbit/s, wie beschrieben, nicht sofort auf den Bus zugegriffen werden, sondern es muss der jeweilige Zeitpunkt abgewartet werden. Der 10Mbit-Bus bietet im Vergleich zu anderen Ethernet-Typen deutlich weniger Datenrate, weshalb hier speziell auf Effizienz der Datenübertragung und der Latenz der Übertragung (resp. auch der Zugriffszeit) geachtet werden muss. Wenn auch noch Security ein Teil des 10Mbit/s Systems wird, dann bleibt kaum noch Datenrate für Nutzdaten übrig (ähnlich zu den aktuellen CAN-FD-Implementierungen).
Das Flashen, d.h. Software erneuern, neue Funktionen, Fehler beseitigen, von Steuergeräten ist kein wirklich neues Thema für die Automobilindustrie, wird aber dennoch in den kommenden Jahren noch viel wichtiger durch den neuen Mobilfunkstandard 5G. Über Ethernet (100 Mbit/s, 1000 Mbit/s ... ) stellt das Flashen auch keinerlei Probleme dar, da zum einen genügend Bandbreite und zum anderen exklusiver Zugriff verfügbar ist (Punkt-zu-Punkt Full-Duplex-Verbindungen).
Mit dem neuen 10Mbit/s MultiDrop-Bus gilt es neue Herausforderungen anzugehen, die nicht in dem industriebübergreifenden Standard berücksichtigt wurden. Denn: bei diesem Bus ist paralleles Senden und Empfangen nicht möglich, und bei diesem Bus darf jeder Knoten nur einen Frame pro Sendezyklus senden. Für das effiziente Flashen, bzw. hier die eigentliche Zeit zum Download einer Software oder eine Diagnoseabfrage, der Teilnehmer am Bus gibt es heute keine Lösungen. Die verbleibende Datenrate bei ca. 8 Knoten wird typischerweise nur zwischen 1 und 2 Mbit/s liegen.
Das Problem heute ist, dass der Standard nur das Senden eines Frames pro Zyklus erlaubt und somit mit steigender Zahl der Teilnehmer am Bus die verbleibende Datenrate für den jeweiligen Knoten (hier konkret Masterknoten bzw. Headnode) abnimmt.
Der Headnode wird entweder in einer Head-Unit, einem Gateway, einer Fusionseinheit oder generell in einem Zonencontroller implementiert sein, also üblicherweise genau auf dem Steuergerät, von dem auch Updates oder Diagnoseabfragen ausgehen. Bekannt ist es, einen sogenannten Burstmode einzusetzen, bei dem Knoten max.
255 Pakete während ihres Zyklus schicken können, jedoch ist dieser Modus statisch vorzukonfigurieren und beizubehalten.
Mit dem teilautomatisierten und hochautomatisierten Fahren kommen zunehmend Anforderungen ins Fahrzeug, die vom Übertragungsnetzwerk und den Protokollen harte Echtzeitunterstützung verlangen, wie es heute schon im Flugzeug oder der Industrieautomatisierung zu erfüllen gilt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Optimierung der Flashzeit besonders der zeit des Downloads, einer Software oder einer Diagnoseabfrage von Sensoren oder anderen Steuergeräten zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruchl , dem Steuergerät nach Anspruch 4 und dem Ethernetnetzwerk nach Anspruch nach 6.
Vorteilhaft wird durch die Erfindung die neuen Ethernet-Technologien hinsichtlich Kosten und Implementierungsaufwand für den automobilen Einsatz angepasst.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, dass den Buszyklus an die Datenratenanforderungen des Headnodes anpasst. Das bedeutet, dass dem Headnode nach Bedarf dynamisch mehr Bandbreite zugewiesen werden kann. Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, dass je nach der Größe der zu übertragenden Daten den Buszyklus so anpasst, dass die Anforderungen des Downloads/Updates an die Übertragungszeit nicht verletzt werden. Hierbei berechnet das Verfahren wieviel Bandbreite zu welcher Zeit bereitgestellt werden muss. Dabei berücksichtigt das Verfahren aber stets den Standard und muss nicht auf die anderen Knoten eingreifen.
Es wird mit dem Vorschlag ein Problem behoben, dass die Beacon-Zykluszeit nur vom Bus und dessen Konfiguration abhängt, aber nicht von dem einzelnen Knoten bzw. deren Anforderungen. Die grundlegende Revolution der neuen Architekturen ist durch die Zentrierung der Software auf immer weniger Recheneinheiten geprägt. Diese sog. Server oder Zentralrechner bestehen nicht mehr nur aus nur einem pC oder pP sondern beinhalten mehrere pC,pP, SOC und auch Ethernet-Switches mit mit einer großen Anazhl an Ports - sie stellen ein eigenes lokales Netzwerk mit jeweils individueller Software dar (das bedeutet auch, dass die jeweiligen Softwarekomponenten nicht wissen (können) das Sie bspw. mit Komponenenten kommunizieren, welche im gleichen Gehäuse verortet sind).
Bekannt sind Zonenarchitektur mit zentralen Servern. Hier gilt, dass zum einen der Server viele und leistungsstarke Prozessoren beinhaltet und zum anderen sehr viel Software resp. Anwendungen darauf ausgeführt werden. Der Kommunikationsaufwand innerhalb des Steuergeräts ist enorm (dies stellt ein eigenes lokales Netzwerk dar). Die gesamte Software des Fahrzeuges wird hier in Zukunft ausgeführt und jeder Controller hat seinen eigenen Software-Stack welcher von verschiedenen Anbietern zur Verfügung gestellt wird.
Bekannt sind Konzepte um Funktionen und Anwendungen auf andere Steuergeräte/Prozessoren (dynamisch) auszulagern also auch um diese zu optimieren. Dies wird als Live-Migration, Reallokation oder Migration bezeichnet. Der Serieneinsatz für die Auslagerung von Software auf andere ECUs/Prozessoren ist bekannt.
Durch die neuen Architekturen gibt es nun erstmal Möglichkeiten Software auch auf verschiedenen ECUs zu implementieren, da die Hardware generalisierter wird und die Software plattformunabhängiger, wobei bisher dies nicht mit allen Funktionen und ECUs möglich ist. Es steht also zur Designzeit des Systems nicht immer fest, auf welchem Steuergerät (Server), welche Software laufen wird. Die Verschiebung der Software beschränkt sich dabei aber nicht auf ECU-zu-ECU Operationen, sondern bezieht sich noch mehr auf Controller-zu-Controller Operationen innerhalb derselben ECU.
BESCHREIBUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG In vorteilhafter Weise können durch die Erfindung die Flashzeit und somit bspw. der Download der Software von Steuergeräten deutlich optimiert und verkürzt werden. Die Idee lässt sich ohne finanziellen Mehraufwand, wie Hardwarekosten und unter Beibehaltung des Standards verwirklichen. Mit der Nutzung der neu eingeführten Ethernet-Protokolle im Automobil sind Mechanismen notwendig, die sich einfache Techniken und gegebene Eigenschaften von Technologien zu Nutze machen, um auf teure Implementierungen und weitere zusätzliche Hardware verzichten zu können. Das erfindungsgemäße Netzwerksystem ist im Hinblick auf Zuverlässigkeit verbessert.
Als Vorteil aus der anwendungsspezifischen Bestimmung einer genaueren und vorhersagbaren Verzögerung ergibt sich eine Verbesserung der Planung und Ausführung der Kommunikation im Fahrzeug. Hierdurch können vorhandenen Bussysteme effizienter ausgenutzt werden und der Sprung zu einer teuren Technologie (höhere Bandbreite) kann vermieden werden. Dies kann auch Auswirkungen auf benötigte Pufferspeicher haben, auf die dann verzichtet werden kann (oder kleiner ausgelegt). Fusionen verschiedener Daten (z.B. Ultraschall + Radar oder Mikrofone) können hiermit verbessert und genauer ausgelegt werden. Weiterhin kann das Loggen von Daten noch präziser gestaltet werden.
Mit dieser Erfindung werden Verfahren vorgestellt, die Software flexibler gestalten lässt und das Beste aus dem darunter liegenden System macht, ohne es vorher fest in Software programmiert zu haben. Die Erfindung erlaubt es den Softwareentwicklern und -architekten eine Software/Anwendung anzubieten, welche flexibler und präziser auf die Anforderungen des Anwendungsfalles zugeschnitten werden kann. Durch den Einbau der genannten Verfahren in Software kann jeweils innerhalb eines Steuergerätes eine Optimierung erfolgen. Dies bedeutet, dass Software plattformunabhängiger entwickelt werden kann.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass Software ca. 8x schneller geflasht werden kann als es mit dem Stand der Technik im 10 Mbit/s-Ethernet-Bussystem möglich ist. Dadurch kann Speicher kleiner dimensioniert oder Speicher an andere Anwendungen frei gegeben werden. Wenn es sich um ein Software Update handelt dann, kann durch die Erfindung ein realistischeres Zeitfenster zurückgemeldet werden und es muss nicht vom Worst Case ausgegangen werden. So sind Downloads/Updates möglich, die sonst nie oder später gestartet werden würden.
Die neuen Technologien sind im Automobil nicht mehr aufzuhalten. Protokolle wie IP, AVB und TSN haben mehrere Tausend Seiten an Spezifikationen und Testsuites. Die Beherrschbarkeit dieser neuen Protokolle im Automobil ist nicht direkt gegeben.
Ein Vorteil dieser Erfindung ist, dass die gängige Hardware nicht verändert werden muss, sondern die bestehende weiterverwendet werden kann. Das neue Verfahren kann in ein bestehendes Netzwerk integriert werden, ohne dass vorhandene Geräte zu Schaden kommen. Ein einzuhaltender Standard wird nicht verletzt, da das vorhandene Protokoll verwendet werden kann.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in weiteren Industrie-Bereichen eingesetzt werden, die 10 Mbit/s-Ethernet einsetzen wie bspw. in der der Industrie-Automatisierung.
TECHNISCHE VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wir vorteilhaft gelöst durch ein Verfahren zum schnellen Flashen von Sensorknoten über ein Ethernetnetzwerk mit einem Headnode und mehreren zugeordneten Knoten, wobei das Verfahren umfasst: a) Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten durch einen Headnode, b) Klassifizierung der erkannten Knoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Ethernetnetzwerkkommunikation durch den Headnode; c) Empfang von Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Knoten durch den Headnode, d) Zuweisung von Zeitschlitze als Antwort auf Reservierungsanforderungen an einen oder mehreren Knoten im bevorstehenden Kommunikationsfenster, wobei die Zuweisungen auf einer Priorität der Knoten basiert und die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird und dass nach der Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine Bestimmung einer notwendigen Download-Datenrate und eine Ermittlung einer aktuellen Busauslastung erfolgt, wobei die Busauslastung durch die Berechnung der zeitlichen Differenz eines letzten Beacons und der Anzahl der Knoten erfolgt, und eine Optimierung des Buszyklus des Ethernetnetzwerkes hinsichtlich der notwendigen Download-Datenrate erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Busauslastung durchgehend überwacht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach der Ermittlung der notwendigen Download-Datenrate, eine Ermittlung einer aktuell freien Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes erfolgt, eine Bestimmung einer notwendigen Datenrate pro Buszyklus (DZus) erfolgt, wobei, wenn die freie Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes größer oder gleich der notwendigen Datenrate pro Buszyklus (DZus) ist, keine Änderung im nächsten Buszyklus vorgenommen wird, und wenn die freien Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes kleiner der notwendigen Datenrate pro Buszyklus ist, eine Änderung im nächsten Buszyklus vorgenommen wird.
Besonders vorteilhaft ist die Umsetzung durch eine Steuereinheit für ein Ethernetnetzwerk, welche als erster Knoten als Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Signal an eine zweite Steuereinheit des Ethernet-Bordnetzes zu senden und das Signal von der zweiten Steuereinheit zu empfangen; eine Laufzeit des Signals auf einem Verbindungsweg zur zweiten Steuereinheit zu bestimmen; eine Maximalgeschwindigkeit des Verbindungswegs anhand der Laufzeit zu bestimmen; und eine Art eines Übertragungsmediums des Verbindungswegs anhand der Maximalgeschwindigkeit zu bestimmen, mindestens umfasst einen Mikroprozessor, einen flüchtigen Speicher und nichtflüchtigen Speicher, mindestens zwei Kommunikationsschnittstellen, einen synchronisierbaren Zeitgeber, der nichtflüchtige Speicher Programminstruktionen enthält, die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens implementierbar und ausführbar sind.
Besonders vorteilhaft ist Umsetzung durch ein Ethernetnetzwerk für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Steuereinheit und einer zweiten Steuereinheit, wobei die Steuereinheiten über zumindest einen Verbindungsweg miteinander verbunden sind, und die erste Steuereinheit ausgebildet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Ethernet-Bordnetz zeichnet sich dadurch aus, dass das Ethernetnetzwerk eine dritte Steuereinheit aufweist, welche nur indirekt mit der ersten Steuereinheit verbunden ist und über einen dritten Verbindungsweg direkt mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist, wobei die dritte Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit eines dritten Signals auf dem dritten Verbindungsweg zu bestimmen, wobei die erste Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Bestimmung der Laufzeit des dritten Signals durch eine Dienstnachricht an die dritte Steuereinheit auszulösen.
Durch die Implementierung der durch die Erfindung angegebenen Verfahren kann plattformunabhängige Software mit höherer Qualität und Lebensdauer zum Einsatz kommen. Der Einsatz der Erfindung kann in andere Kommunikationssysteme mit Uhrensynchronisationskomponenten und embedded Systemen eingesetzt werdeN.
ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Vereinfachte Darstellung der Unterschiede zwischen einem Ethernet-Bus (1 OMbit/s) und einem Switched Network,
Fig. 2 einen Prinzipiellen Ablauf der Kommunikation am Ethernet-Bus,
Fig. 3 eine physische Darstellung des Ethernet-Busses mit Stubs,
Fig. 4 die vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung,
Fig. 5 die generelle Lösung der Erfindung durch eine sich dynamischverändernde Beacon-Zykluszeit,
Fig. 6 die Optimierung der Beacon-Zykluszeit an die Bandbreitenanforderungen des Headnode,
Fig. 7 Ausgestaltung der einfachen Zyklusoptimierung,
Fig. 8 Ausgestaltung der erweiterten, fairen Zyklusoptimierung,
Fig. 9 eine alternative zur Berechnung der Downloaddatenrate.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In Fig. 1 wird eine vereinfachte Darstellung der Unterschiede zwischen einem Ethernet-Bus (1 OMbit/s) und einem Switched Network wiedergegeben.
In Fig. 2 ist der prinzipielle Ablauf der Kommunikation am Ethernetnetzwerk-Bus illustriert. Durch das Aussenden des Beacons ist erst Knoten 0 an der Reihe und wenn dieser seine Übertragung beendet hat, darf der nächste Knoten senden. Typischerweise darf im Slot jeweils nur ein einzelner Ethernet-Frame gesendet werden.
In Fig. 3 ist die komponentenhafte Darstellung des Ethernet-Busses mit Stubs. In Fig. 4 ist die vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung dargestellt.
In Fig. 5 ist die generelle Lösung der Erfindung durch eine sich dynamisch verändernde Beacon-Zykluszeit dargestellt, wobei die Beacon-Signale als ,B‘ dargestellt sind. Die Erfindung schlägt ein neues Verfahren vor, um die Effizienz der Datenübertragung auf dem Automotive 10Mbit/s Bus zu optimieren und die Buszugriffszeit für den Headnode zu reduzieren. Die Idee der Erfindung beschreibt die Anpassungen des Ethernetnetzwerk-Bus-Zyklus. Im Gegensatz zum FlexRay hat dies keine negativen oder unbedachten Auswirkungen. Die Knoten habe kein fix definiteres Zeitfenster, sondern folgen nur einer Sende-Reihenfolge, basierend auf vorab konfigurierten, eindeutigen Node-IDs.
Fig. 6 stellt dar, auf welcher Grundlage der Buszyklus optimiert wird. Der Headnode bestimmt zu allererst, welche Daten in welcher Zeiteinheit übertragen werden müssen. Dabei kann es sich um die Größe einer Datei oder der Zeitdauer eines Streams handeln. Unter Berücksichtigung des Overheads in der Datenübertragung (z. B. Ethernet-Header) wird so die absolute Datenrate auf dem Bus ermittelt werden.
Damit der Buszyklus nicht nutzlos optimiert bzw. angepasst wird, schlägt das Verfahren vor die aktuelle Busauslastung zu ermitteln. Die aktuelle Auslastung kann mittels der zeitlichen Differenz der letzten Beacons und der Anzahl der teilnehmenden Knoten erfolgen. Ergibt sich eine geringe Busauslastung, so ist statistisch anzunehmen, dass diese nicht sprunghaft zum nächsten Zyklus hin ansteigt. Auf etwaige Änderungen kann dennoch reagiert werden, da vorgeschlagen wird die Busauslastung durchgehend zu überwachen.
Im letzten Schritt wird der Buszyklus im Hinblick auf die erforderliche Datenrate angepasst. Hierfür werden später zwei Möglichkeiten vorgeschlagen. Fig. 7 stellt einen Teilschritt des Verfahrens dar bei dem die notwendige Datenrate der aktuellen Buskapazität gegenübergestellt wird. Dabei wird erst die notwendige Download-Datenrate in Bezug auf den 10Mbit Bus berechnet. Anschließend wird die Anzahl der aktiven Knoten vom der Headnode bestimmt. Die Slots der inaktiven Teilnehmer, entweder nur passiv mithörend, im Fehlerzustand, oder im Schlafmodus, werden ermittelt und sollen durch das Verfahren für die Headnode zur Verfügung gestellt werden, welches als Dfrei bezeichnet wird.
Dadurch ergibt sich schon einmal eine Optimierung des Busses, ohne dass hierbei aktiv in die laufende Kommunikation eingegriffen wird bzw. ohne das hierbei Knoten stumm geschaltet werden. Der Anwendung kann dann auch die reale Datenrate zurück gemeldet werden ohne dass hierbei immer vom Worst Case ausgegangen werden muss. Das spart Speicher und gibt der Anwendung, evtl, auch dem Fahrer, eine reales Zeitfenster zurück. Diese Methode ist der erste Schritt zur Optimierung des Zyklus.
Es wird eine weitere mögliche Optimierungsstufe beschrieben, anhand der berechneten, notwendigen Datenrate am Headnode eine Teilmenge (oder auch alle) der anderen Teilnehmer am Bus (außer natürlich dem Headnode) vom Senden abzuhalten und somit die Zykluszeit zum Zweck des Downloads (oder Sicherheitsupdates) zu verringern, dass der Headnode seine notwendige Datenrate bedienen kann, selbst wenn laut normaler Busoperation nicht genug Bandbreite zur Verfügung stehen würde. Hierzu wird stets verglichen, welche Datenmenge der Headnode im aktuellen Zyklus noch zu senden hätte, wobei dieser Wert als Grenzwert genommen wird, welcher in diesem Zyklus nicht unter 0 fallen darf und weswegen vorher der Zyklus durch das Senden des nächsten Beacon beendet würde. Dieses Verfahren ergibt höchstmögliche Fairness gegenüber den anderen Busteilnehmern, da nur innerhalb gewisser Toleranzen so viel Bandbreite wie benötigt für den Headnode in Anspruch genommen wird und der Rest weiterhin zur Verwendung durch die nachfolgenden Nodes zur Verfügung steht. Wie viele Nodes durch diese überbleibende Bandbreite in einem Zyklus noch senden können ist nicht genau vorherzusagen, da jeder Busteilnehmer zwischen 0 (sendet gar keine Daten), 64 (sendet einen minimalen Ethernet-Frame) und 1522 Bytes (sendet einen maximalen Ethernet-Frame) liegen kann.
Um die Fairness noch weiter zu steigern, wird vorgeschlagen, dass im Falle das ein Node nicht mehr senden kann und der Zyklus durch den nächsten Beacon beendet wird (da die restliche benötigte Datenrate in diesem Slot unter einen potentiell maximalen Ethernet-Frame fällt), die „Restbandbreite“ in den nächsten Zyklus zu übertragen und für die Verwendung durch die anderen Busteilnehmer im nächsten Zyklus freizugeben. So kann eine Art „Guthaben“ aufgebaut werden trotz eingehaltener Bandbreitenanforderung am Headnode.
Um jedoch ein zu starkes Ansteigen des Guthabens und damit potentiell große Datenbursts bei denen viele der weiteren Busteilnehmer ungehindert große Datenmengen senden können, zu verhindern, wird ebenfalls vorgeschlagen den Anstieg des Guthabens zu begrenzen, entweder zeitlich durch Saturierung oder Rücksetzen des Guthabens nach einer konfigurierbaren Zeitspanne in Sekunden, oder durch einen Zykluszähler bei Saturierung oder Rücksetzen des Guthabens nach einer konfigurierbaren Anzahl an Bus-Zyklen.
Der Ablauf dieser erweiterten, faireren Zyklusoptimierung ist in Fig 8 dargestellt. Diese Art der Zyklusoptimierung ist nicht die einzig denkbare. Eine Zwischenlösung zwischen „keine Fairness“, wie in Fig. 7 und „größtmögliche Fairness“, wie in Fig8 angegeben, könnte beispielsweise ein simpleres Verfahren sein, bei dem über mehrere Zyklen einzig der Headnode senden darf und sich entsprechend schnell ein großes Guthaben aufbaut. Dieses kann ab einem gewissen Schwellwert dann in einem Schwung abgebaut werden, indem dann ein Zyklus eingeschoben wird, in welchem alle Knoten eine Sendemöglichkeit erhalten bevor sie dann wieder eine bestimmte Anzahl Zyklen „aussetzen“ müssen. Diese Variante lässt sich auf Wunsch zur Vereinfachung des Verfahrens auch ganz ohne eine Betrachtung von Guthaben realisieren, sondern schlicht nach Anzahl Zyklen umsetzen - bspw. „99 Zyklen sendet nur Headnode, dann 1 Zyklus alle Knoten“. In diesem Fall kann allerdings ein gewisser Jitter (Varianz) in der Datenrate des Headnodes nicht ausgeschlossen werden. Fig. 9 gibt noch alternative Verfahrensschritte an, mittels dieser nach Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine Ermittlung der nicht verwendeten Übertragungsmöglichkeiten erfolgt und hierdurch eine Berechnung der absoluten Datenrate für den Headnode pro Zeiteinheit durchgeführt wird.
Die Erfindung schlägt im Folgenden für das bereits dargestellte Verfahren vor, die Vertrauenswürdigkeit eines Kommunikationspartners bzw. dessen Anwendung zu bestimmen. Sofern diese Vertrauenswürdigkeit bestimmt ist kann der Austausch von sensiblen Daten vollzogen werden.
Fig. 3 gibt schematisch auch einen Ausschnitt aus einer Gesamtsystemarchitektur, bei dem eine ECU (Server) mit weiteren Sensoren und ECUs und Komponenten außerhalb des Fahrzeuges verbunden werden kann, wieder. Die Headnode auf dem Server sind beispielsweise auf der PCB (Platine) typischerweise per MH (Media Independent Interface) oder PCI-Express verbunden und kommen damit immer ohne Transceiver (PHYs) aus.
Ein Ethernet-Transceiver (PHY) verursacht eine Verzögerung im 3-stelligen Nanosekunden Bereich. Das klingt wenig, aber die Verzögerung auf Schicht 2 (MAC) befindet sich etwa im 1-stelligen Nanosekunden Bereich bzw. tendiert gegen 0 - je nachdem wie hoch die Auflösung der Messung liegt.
Das Verfahren bestimmt zu allererst die Adresse der Anwendung, mittels der Daten ausgetauscht werden sollen (empfangen, versendet oder beides).
Dann startet das Verfahren eine Laufzeitmessung zu dieser Komponente. Hierbei kann bspw. das PDelay_Request-Verfahren des gPTP Protokolls (oder 802.1AS) zum Einsatz kommen. Als Antwort darauf werden zwei Antworten zurückgeschickt, und mithilfe von Hardwarezeitstempel lässt sich die Laufzeit der Nachricht bestimmen. Die Verwendung eines Protokolls mit Hardwarezeitstempeln-NTP fällt bspw. damit raus, da die Auflösung zu ungenau ist. Mithilfe dieses berechneten Wertes berechnet das Verfahren den physikalischen Abstand zu diesem Teilenehmer. Der Abstand ist hierbei nicht direkt ausgedrückt durch eine Maßeinheit wie bspw. Meter oder Zentimeter, sondern lässt sich umrechnen auf die Anzahl der Komponenten (PHYs, Switches), die Teil der Verbindung sind, da diese Verzögerung maßgeblich im Gegensatz zur Verzögerung auf dem eigentlichen Kabel ist.
Das Verfahren misst die Laufzeit zu einem Teilnehmer/Adresse indem es Laufzeitmessungen startet (bspw. Teil des PTP Protokolls) und daraus den Abstand zu diesem Teilnehmer berechnet.
Die gemessene Laufzeit muss erst bewertet werden, um einen Aufschluss über den Ort zu geben. Ob sich ein Partner innerhalb dergleichen ECU befindet oder nicht kann die Software nicht wissen bzw. idealerweise darf sie es nicht wissen, wenn eine generalisierte SW und keine Spezialversion genutzt wird; zudem können IP-Adressen gefälscht oder verändert werden. Die Laufzeit einer Mll-basierten Verbindung kommt ohne PHYs (Transceiver) aus. Das weiß jedoch weder die Zeitsynchronisationssoftware noch die eigentliche Anwendung, die diese Untersuchung in Auftrag gibt. Ein PHY wandelt die Daten in elektrische Signale um und codiert diese noch was viel mehr Zeit in Anspruch nimmt als wenn zwei Ethernet-MACs über die MH basierten Leitungen miteinander kommunizieren.
Das vorgestellte Verfahren erkennt ob ein Teilnehmer direkt mit dem anfragenden Teilnehmer verbunden ist. Ist dies nicht der Fall, dann kann je nach Latenz das jeweilig passende Protokoll ausgewählt werden. Für Latenzen, die innerhalb des Fahrzeuges gelten, könnte bspw. MAC-Sec, IP-Sec zum Einsatz kommen und weitere IP/TCP-basierte Verfahren, wenn die Latenz so groß ist, und der Teilnehmer sich zweifelsfrei außerhalb des Fahrzeuges befindet.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum schnellen Flashen von Sensorknoten über ein Ethernetnetzwerk mit einem Headnode und mehreren zugeordneten Knoten, wobei das Verfahren umfasst: a) Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten durch einen Headnode, b) Klassifizierung der erkannten Knoten in zwei oder mehr Klassifikationen von Knoten zur Priorisierung der Ethernetnetzwerkkommunikation durch den Headnode, c) Empfang von Reservierungsanforderungen von mindestens einem Teil der Vielzahl von Knoten durch den Headnode, d) Zuweisung von Zeitschlitze als Antwort auf Reservierungsanforderungen an einen oder mehreren Knoten im bevorstehenden Kommunikationsfenster, wobei die Zuweisungen auf einer Priorität der Knoten basiert und die Priorität den Knoten gemäß ihrer Klassifizierung zugewiesen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bestimmung der Anzahl der aktiven Knoten, eine Bestimmung einer notwendigen Download-Datenrate und eine Ermittlung einer aktuellen Busauslastung erfolgt, wobei die Busauslastung durch die Berechnung der zeitlichen Differenz eines letzten Beacons und der Anzahl der Knoten erfolgt, und eine Optimierung des Buszyklus des Ethernetnetzwerkes hinsichtlich der notwendigen Download-Datenrate erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Busauslastung durchgehend überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ermittlung der notwendigen Download-Datenrate, eine Ermittlung einer aktuell freien Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes erfolgt, eine Bestimmung einer notwendigen Datenrate pro Buszyklus (DZus) erfolgt, wobei wenn die freien Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes größer oder gleich der notwendigen Datenrate pro Buszyklus (DZus) ist, keine Änderung im nächsten Buszyklus vorgenommen wird, und wenn die freien Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes kleiner der notwendigen Datenrate pro Buszyklus ist, eine Änderung im nächsten Buszyklus vorgenommen wird.
4. Steuereinheit für ein Ethernetnetzwerk, welche als erster Knoten als Steuereinheit dazu ausgebildet ist: ein Signal an eine zweite Steuereinheit des Ethernet-Bordnetzes zu senden und das Signal von der zweiten Steuereinheit zu empfangen; eine Laufzeit des Signals auf einem Verbindungsweg zur zweiten Steuereinheit zu bestimmen; eine Maximalgeschwindigkeit des Verbindungswegs anhand der Laufzeit zu bestimmen; und eine Art eines Übertragungsmediums des Verbindungswegs anhand der Maximalgeschwindigkeit zu bestimmen, mindestens umfasst: einen Mikroprozessor, einen flüchtigen Speicher und nichtflüchtigen Speicher, mindestens zwei Kommunikationsschnittstellen, einen synchronisierbaren Zeitgeber, der nichtflüchtige Speicher Programm Instruktionen enthält, die, wenn sie von dem Mikroprozessor ausgeführt werden, zumindest eine Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 implementierbar und ausführbar sind.
5. Ethernetnetzwerk für ein Kraftfahrzeug, mit einer ersten Steuereinheit und einer zweiten Steuereinheit, wobei die Steuereinheiten über zumindest einen Verbindungsweg miteinander verbunden sind, und die erste Steuereinheit gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist.
6. Ethernet-Bordnetz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethernetnetzwerk eine dritte Steuereinheit (5) aufweist, welche nur indirekt mit der ersten Steuereinheit (3) verbunden ist und über einen dritten Verbindungsweg direkt mit der zweiten Steuereinheit verbunden ist, wobei die dritte Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Laufzeit eines dritten Signals auf dem dritten 19
Verbindungsweg zu bestimmen, wobei die erste Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Bestimmung der Laufzeit des dritten Signals durch eine Dienstnachricht an die dritte Steuereinheit auszulösen.
7. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des
Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (200) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3 auszuführen.
8. Computerlesbareres Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 7 gespeichert ist.
9. Fahrzeug mit mehreren Steuereinheiten nach Anspruch 4 umfassendes Ethernet-Bordnetzwerk.
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