Bachelorarbeit Stefan Buschmann OMNeT++ basierte Simulation von FlexRay Netzwerken zur Analyse von Automotive Anwendungen FakultätTechnikundInformatik FacultyofEngineeringandComputerScience StudiendepartmentInformatik DepartmentofComputerScience Stefan Buschmann OMNeT++ basierte Simulation von FlexRay Netzwerken zur Analyse von Automotive Anwendungen BachelorarbeiteingereichtimRahmenderBachelorprüfung imStudiengangBachelorofScienceAngewandteInformatik amDepartmentInformatik derFakultätTechnikundInformatik derHochschulefürAngewandteWissenschaftenHamburg BetreuenderPrüfer:Prof.Dr.FranzKorf Zweitgutachter:Prof.Dr.BerndSchwarz Eingereichtam:23.November2012 StefanBuschmann ThemaderArbeit OMNeT++basierteSimulationvonFlexRayNetzwerkenzurAnalysevonAutomotiveAnwen- dungen Stichworte FlexRay,OMNeT++,Fahrzeug-Netzwerke,Echtzeitsysteme,diskreteereignisbasierteSimula- tion,Synchronisation Kurzzusammenfassung IneinemmodernenFahrzeuggibteseineVielzahlanAssistenz-undInformationssystemen. UmeinesichereundschnelleKommunikationzwischendenSteuergerätenineinemAutomobil zugewährleisten,wurdedasKommunikationssystemFlexRayentwickelt.Esbieteteinehöhere BandbreitealsProtokollewieLINundCANundeignetsichaußerdemauchfürdenEinsatz bei kritischem Datenverkehr. In dieser Arbeit wird dieses Kommunikationssystem in der diskretenereignisbasiertenSimulationsumgebungOMNeT++implementiert.Esistmöglich FlexRay-Netzwerkeindividuellaufzubauenundzukonfigurieren.JedemTeilnehmerkönnen Zeitpunktezugeordnetwerden,zudenensieNachrichtenandieanderenKnotenschicken.Die lokaleUhreinesjedenKnotenskanndurcheinenDriftvondereigentlichenZeitabweichen. DieseAbweichungwirdmittelseinesSynchronisationsverfahrenskompensiert. Titleofthepaper OMNeT++basedsimulationofFlexRaynetworksforanalysisofautomotiveapplications Keywords FlexRay,OMNeT++,in-vehiclenetworks,realtimesystems,discreteeventbasedsimulation, synchronization Abstract Inamoderncar,thereareavarietyofassistanceandinformationsystems. Toensureasecure andfastcommunicationbetweenthecontrollersinanautomobile,theFlexRaycommunication systemwasdeveloped. ItoffersahigherbandwidththanprotocolslikeCANandLIN,andis alsosuitableforuseincriticaltraffic. Inthiswork,thiscommunicationsystemisimplemented inthediscreteevent-basedsimulationenvironmentOMNeT++. Itispossibletobuildupand configureFlexRaynetworksindividually. Toeachsubscriberslotscanbeassignedatwhich theysendmessagestotheothernodes. Thelocalclockofeachnodemaydifferbyadriftof theactualtime. Thisdeviationiscompensatedbyasynchronizationprocess. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 FlexRay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 GrundlegendesundEntwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2 TechnischeEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.3 FlexRayBustopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.4 DerKommunikationszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.5 Uhrensynchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 EreignisorientierteSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 OMNeT++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 AufbaueinerSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2 NEDSprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.3 ProgrammierungderLogik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.4 AblaufeinerSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3 AnforderungenundKonzept 21 3.1 AnforderungenandieSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Architekturkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3 KonzeptdesUhrenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.4 Konfigurationsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5 Fehlerszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Umsetzung 27 4.1 Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.1 FRNode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.2 FRApp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.3 FRScheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.4 FRSync. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.5 FRPort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.6 FRBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.7 FRTopologyPort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1.8 FRFrame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Beispielnetzwerk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2.1 AufbauundKonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 iv Inhaltsverzeichnis 4.2.2 Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Ergebnis 47 5.1 LauffähigkeitderFunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.2 Fehlererkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 6 ZusammenfassungundAusblick 51 6.1 ZusammenfassungderErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Literaturverzeichnis 55 Abbildungsverzeichnis 55 Tabellenverzeichnis 57 v 1 Einleitung ImKfz-BereichwerdendieAnforderungenandieBussystemeimmergrößer.Ineinemmoder- nenFahrzeuggibtesinzwischeneineVielzahlanAssistenz-undInformationssystemen.Aber auchdieMultimediaanwendungenfindenEinzugineinAutomobil.AlsBeispielkannmanhier integrierteNavigationssysteme,Rückfahrkameras,EinparkassistentenoderBildschirmeinden Kopfstützennennen.SchonimJahr2006prognostiziertederVerbandderAutomobilindustrie (VDA),dassderWertschöpfungsanteilderElektronikvon20%biszumJahr2015aufca.35 % ansteigen wird (vgl. VDA, 2006, S. 149). Hier ist ein klarer Trend zu erkennen. Mit dem Anstieg der Anforderungen durch diese Systeme steigt natürlich auch die Anforderung an diebisherigenBus-Technologien.ÄltereBussystemewiebeispielsweisederControllerArea Network(CAN)BuskönnenbestimmteAufgabenmöglicherweisegarnichtmehrodernicht ausreichendübernehmen. WeitereAnforderungenandasKommunikationssystementstehendurchAnwendungenmit Echtzeitanforderungen.EinsolcherFalltrittauf,wennein„X-By-Wire“Systemrealisiertwer- densoll.BeidieserTechnologiewerdenSteuerbefehleelektronischübertragenundbisherige mechanische Systeme ersetzt. Hierbei ist es essentiell, dass z. B. die Lenkdaten bei einem „Steer-By-Wire“SystemrechtzeitigbeimEmpfängerankommen,daessonstschwerwiegende Folgenhabenkönnte.FüreinensolchenAnwendungsfallwirdeinBussystembenötigt,dasdie ErgebnisseindergefordertenZeitliefert.AusdiesemGrundwurdeimSeptember2000das FlexRay-Konsortiumgegründet,dassichmitderEntwicklungeinesgenausolchenSystems widmete. „In den letzten Jahren hat der Umfang von Elektronik im Fahrzeug wesentlich zugenommen. Aktuelle Fahrzeuge stellen ein komplexes, verteiltes elektronis- chesSystemdar.DiegroßeAnzahlanelektronischenSteuergeräten(ECUs)und die daraus erforderlichen Datentransfers benötigen eine hohe Bandbreite und verlässliche Kommunikationssysteme. FlexRay beschreibt ein Kommunikation- sprotokoll,dasdieseAnforderungenerfüllt.“(MullerundValle,2011,S.228) 1 1 Einleitung Abbildung1.1:BordnetzimVWPhaeton(Quelle:NYFEGAElektro-GarageAG) Motivation ImCoRE-Projekt(vgl.CoRERG,a)derHochschulefürAngewandteWissenschaftenHamburg, indessenUmfelddieseBachelorarbeitentsteht,wirdamEinsatzvonTime-Triggered-Ethernet (TTEthernetoderTTE)imAutomobilgearbeitet.BeidieserTechnologiewirddasklassische Ethernet echtzeitfähig gemacht. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Simulation dieser EthernetVarianteerstellt.AlsSimulationsplattformdienthierOMNeT++(sieheAbschnitt2.3) (vgl.OMNeT++Community,a). Da in einem Fahrzeug je nach Anwendungsbereich und Anforderungen unterschiedliche BussystemezumEinsatzkommen,istesinteressantdieTechnologienauchinderSimulation miteinanderzuverbinden,umsokomplexereSystemesimulierenzukönnen.Deswegensollen nebendemTTEthernetauchfürBussystemewiez.B.FlexRayoderCANSimulationenerstellt werden.FürdiebusübergreifendeKommunikationsollenGatewaysverwendetwerden,die dieNachrichtenzwischendenunterschiedlichenBussenübersetzenundweiterleiten.Neben 2 1 Einleitung der Verbindung der unterschiedlichen Techniken können sie auch für die gleiche Aufgabe konfiguriert und anschließend die Ergebnisse miteinander verglichen werden, um so die StärkenundSchwächenaufzeigenzukönnen. ZielsetzungundAbgrenzung IndieserArbeitsolldasFlexRay-BussysteminderSimulationsumgebungOMNeT++imple- mentiertwerden,umeineSimulationvonFlexRayzuermöglichen.Hierzuwerdenbasierend aufderFlexRay-Spezifikation(vgl.FlexRayConsortium,2010b)dieunterschiedlichenKompo- nentenerstelltundangepasst.DergrundsätzlicheAufbauderSimulationskomponentensoll andieTTEthernet-Simulationangelehntsein. DieOMNeT++Umgebungwurdegewählt,dadieseSoftwareimRahmendesCoRE-Projekts derHAW-HamburgbereitsfürdieSimulationvonTTEthernetverwendetwird.Esistunter anderemzueinemspäterenZeitpunktgeplantdieseTechnologieninnerhalbdesSimulations- frameworksmiteinanderzuverbinden. StrukturderArbeit DieArbeitgliedertsichwiefolgt: Kapitel2befasstsichmitdenGrundlagenderArbeit.HierwirdzumeinendasKommunika- tionssystemFlexRayerläutertundzumanderenwerdenGrundlagenderSimulationerklärt. Abschließend wird die Simulationsumgebung OMNeT++ beschrieben. In Kapitel 3 werden die Anforderungen, die die Simulation erfüllen soll aufgeführt und das Konzept wie diese umgesetztwerdenerläutert.Kapitel4enthältdieUmsetzunginOMNeT++.Hierwerdendie einzelnenKomponentenderSimulationnähergebrachtunddieKonfigurationeinesNetzwerks anhand eines Beispiels beschrieben. Kapitel 5 befasst sich mit den Ergebnissen der Arbeit. Letztendlich befasst sich Kapitel 6 mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem AusblickwiedieSimulationmitzukünftigenArbeitenerweitertwerdenkann. 3 2 Grundlagen DiesesKapitelbefasstsichmitdemFlexRay-KommunikationssystemsowiedenGrundlagen einerSimulation.EineanschließendeBeschreibungderSimulationsumgebungOMNeTlässt dasKapitelenden. 2.1 FlexRay In diesem Abschnitt werden die für diese Arbeit notwendigen Funktionen des FlexRay- Kommuni-kationssystemsbeschrieben. 2.1.1 GrundlegendesundEntwicklung DieEntwicklungvonFlexRaybegannimJahr2000mitderGründungdesFlexRay-Konsortiums. Die Gründungsmitglieder (BMW, DaimlerChrysler, Motorola und Philips) haben sich zum ZielgesetzteinKommunikationssystemzuentwickeln,dasaufdiespeziellenAnforderungen im Automobil zugeschnitten ist. Im Laufe der Jahre traten immer mehr Unternehmen dem Konsortiumbei,unterihnenaucheinigeweiterenamhafteFirmenausdemAutomobilbereich wiez.B.derVolkswagenkonzern,GeneralMotorsundToyota.EswurdenamAnfangsowohl ökonomische als auch technische Ziele definiert (vgl. Rausch, 2008). Als technische Ziele wurdendiesePunktefestgelegt: • Busgeschwindigkeitvon10MBit/s • RedundanteKommunikationskanäle • BereitstellungeinerglobalensynchronisiertenZeitbasis • GarantierteNachrichtenübertragungbeigeringerZeitvarianz • FunktiondesProtokollsohneWissenüberdieNetzwerktopologie • UnterstützungvonkontinuierlicherundsporadischerKommunikation 4 2 Grundlagen DieArbeitwurdemitderVeröffentlichungderfinalenFlexRay-SpezifikationVersion3.0.1im Jahre2010beendet.SiewurdenandieISO(InternationalOrganizationforStandardization) übergeben,umalsStandardfürAutomobileveröffentlichtzuwerden. DieseSpezifikationensindaufderoffiziellenHomepagedesFlexRay-KonsortiumsalsDown- loadinmehrerenVersionenfreierhältlich(vgl.FlexRayConsortium). 2.1.2 TechnischeEigenschaften DietechnischenEigenschaftendesFlexRay-Systemsergebensichletztendlichausdenzuvor definierten Zielen. So kann jeder Knoten an zwei Kommunikationskanäle (Channel A und ChannelB)angeschlossenwerden.JederdieserKanälekanntheoretischeineDatenratevonbis zu10MBit/serreichen.BeiderÜbertragungderDatenüberdieLeitungenkannfreigewählt werden,obdiesredundantgeschehensolloderobaufbeidenKanälenverschiedeneDatenfür einehöhereDatenrateverschicktwerdensollen. JederTeilnehmerverfügtübereinesynchronisierteZeitbasis(sieheAbschnitt2.1.5).Diesund dievordemSystemstartfestgelegteReihenfolgeimKommunikationszyklus(sieheAbschnitt 2.1.4)erlaubenesFlexRayauchfürsicherheitskritischeAnwendungen,wiez.B.„X-By-Wire“ Systeme,eingesetztzuwerden. ImOSI-ReferenzmodellarbeitetdasProtokollhauptsächlichindenSchichten1und2. 2.1.3 FlexRayBustopologien Ein FlexRay-Netzwerk besteht aus mehreren Kommunikationsteilnehmern (Knoten) und einemodermehrerenKommunikationskanälen(Channels).AlleKomponentenkönneninzwei Gruppen eingeteilt werden: aktive (z. B. Knoten) und passive (z. B. Bus). Während Passive dieNachrichtenlediglichweiterleiten,verteilendieAktivendieNachrichtenaktivanandere Teilnehmer. Es ist möglich die Komponenten in verschiedenen Topologien zu arrangieren. MöglicheVariantensindhier: • Bus-NetzwerkmiteinemKanal • Bus-NetzwerkmitzweiKanälen • Stern-NetzwerkmiteinemKanal • Stern-NetzwerkmitzweiKanälen • Stern-NetzwerkmitkaskadierendenSternkopplern • KombinationenausBus-undStern-Topologien 5