通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)FlexRay總線的功能安全性詳解

　　3 Audi和BMW的FlexRay總線應(yīng)用的功能安全等級(jí)

　　BMW和Audi是首批批量使用FlexRay總線的車廠，它們的具體用法尚未查到，但是參考文獻(xiàn)給出了部分使用參數(shù)，可以以此作一些初步分析。

　　3.1 Audi的參數(shù)

　　Audi的cycle為5 ms，每個(gè)cycle有62個(gè)static slot，slot用于傳送42字節(jié)payload的幀，靜態(tài)段為4.03 ms。有8個(gè)ECU共傳送220個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。這些PDU經(jīng)組合，最后在27個(gè)slot中傳送。由提供的周期分布可見(jiàn)5 ms消息為8個(gè)，10 ms消息為1個(gè)，20 ms消息為7個(gè)，40 ms消息為6個(gè)，其余更長(zhǎng)周期的消息先忽略。

　　由payload可以算出使用的幀長(zhǎng)為500位，假定誤碼率為ber=1×10-7（這在銅線中已是相當(dāng)好的了），那么誤幀率為fer=5×10-5/frame。

　　由周期可算出每小時(shí)傳送的幀數(shù)為n=7.92×105frame/h。假定通信用2個(gè)通道同時(shí)傳送，那么同時(shí)失敗的概率為fer2=2.5×10-9/frame。1小時(shí)內(nèi)所有幀均成功傳送的概率為：P=（1-fer2）n。

　　1小時(shí)內(nèi)有1次以上錯(cuò)的概率為1-P≈fer2×n=2.5×10-9×7.92×105/h=1.98×10-3/h。SIL2的安全等級(jí)要求是系統(tǒng)失效概率為10-7/h，分配到通信上為10-9/h，由此可見(jiàn)存在巨大的差距。

　　3.2 BMW的參數(shù)

　　參考文獻(xiàn)［7］也間接給出了BMW的參數(shù)：cycle為5 ms，每個(gè)cycle有91個(gè)static slot，slot用于傳送16字節(jié)payload的幀，實(shí)際使用的payload為8字節(jié)，共有227個(gè)PDU。由2.5 ms消息占4%及使用10個(gè)slot知，這些PDU沒(méi)有合并。由提供的周期分布可見(jiàn)5 ms消息為62個(gè)，10 ms消息為45個(gè)，20 ms消息為80個(gè)，40 ms消息為38個(gè)，其余更長(zhǎng)周期的消息先忽略。

　　各個(gè)消息的payload長(zhǎng)度是不同的，由這個(gè)分布，在假設(shè)誤碼率為ber=1×10-7時(shí)可以算出各自幀長(zhǎng)與誤幀率，再算出平均誤幀率 fer=1.51×10-5/frame。假定通信用2個(gè)通道同時(shí)傳送，那么同時(shí)失敗的概率為fer2=2?28×10-9/frame。由周期算出傳送幀數(shù)為n=2.79×106/h。同樣算出1小時(shí)內(nèi)有1次以上錯(cuò)的概率為1-P≈fer2×n=2.28×10-9×2.79×106 /h=6.36×10-3/h，也遠(yuǎn)大于SIL2分配給通信的要求。

　　4 主動(dòng)重發(fā)方案的可行性

　　有2位作者建議了主動(dòng)重發(fā)的方案，其一見(jiàn)參考文獻(xiàn)。主動(dòng)重發(fā)在概念上就是時(shí)間上的冗余，幀不但在不同的物理通道上重發(fā)，也在不同的時(shí)段上重發(fā)。由此來(lái)分析第3節(jié)的兩種情況。

　　4.1 Audi

　　當(dāng)每幀被安排用2個(gè)static slot傳送時(shí)，2個(gè)通道將有4次傳送，同時(shí)失敗的概率將小得多，為fer4=6.25×10-17/frame。實(shí)際傳送的幀數(shù)加倍，但內(nèi)容未加倍，故計(jì)算仍按n進(jìn)行，1 h內(nèi)有1次以上錯(cuò)的概率為1-P≈fer4×n=6.25×10-17×7.92×105/h=4.95×10-11/h。這可以滿足SIL2分配給通信的要求。

　　理論上，原來(lái)的應(yīng)用占用了27/62的static slot，現(xiàn)在加倍為27/31也還夠用，但是由于消息送達(dá)時(shí)限的限制，將使調(diào)度變得十分困難，是否有解尚無(wú)定論。留給將來(lái)擴(kuò)展升級(jí)的空間很小，已經(jīng)表現(xiàn)出FlexRay的帶寬不夠。

　　4.2 BMW

　　采用主動(dòng)重發(fā)一次時(shí)，1 h內(nèi)有1次以上錯(cuò)的概率為1-P≈fer4×n=5.19×10-18×2.79×106/h=1.45×10-11/h。這可以滿足SIL2分配給通信的要求。

　　但是，原來(lái)BMW已占用了2/3的static slot，根本沒(méi)有足夠的空余slot可供主動(dòng)重發(fā)。例如BMW的靜態(tài)段為3 ms，在2.5~3 ms中總共可安排0.5/3×91=15個(gè)slot，它的2.5 ms的消息已占去10個(gè)slot，就不可能對(duì)它再作冗余傳送。這也說(shuō)明FlexRay的帶寬不夠。

　　5 與CAN總線的比較

　　參考文獻(xiàn)中的BMW系統(tǒng)數(shù)據(jù)，若用CAN標(biāo)準(zhǔn)幀傳送，可推算出需要的帶寬至少為2.8 Mb/s，明顯顯示CAN總線帶寬不足。但是CAN總線的出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)機(jī)制卻使系統(tǒng)的通信可靠性遠(yuǎn)勝于FlexRay。

　　例如在ber=1×10-7時(shí)，CAN總線幀長(zhǎng)為108位，誤幀率為fer=1.08×10-5/frame。在傳送幀數(shù)為n=2.79×106/h時(shí)（假定用多條總線滿足帶寬）出錯(cuò)的幀有31幀，這31幀重發(fā)2次，則全錯(cuò)的概率為31×fer3=31×1?26×10-15=3.9×10-14，遠(yuǎn)小于SIL2分配給通信的份額。

　　而且，如果原來(lái)的調(diào)度分析留有足夠2幀的出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)時(shí)間，也可以算出對(duì)送達(dá)時(shí)間的影響不大。送達(dá)時(shí)間變化大的是低優(yōu)先級(jí)消息，對(duì)高優(yōu)先級(jí)消息影響很小。例如10條2.5 ms周期消息的送達(dá)時(shí)間約1.2 ms（考慮到填充位與服務(wù)間隔），在2.5 ms內(nèi)1條消息出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)2次也只會(huì)使送達(dá)時(shí)間增加到1.5 ms左右。

　　CAN總線的出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)機(jī)制與主動(dòng)重發(fā)方案相比，需要增加的帶寬很小，幾乎是后者的萬(wàn)分之一。

　　6 FlexRay總線的錯(cuò)幀漏檢

　　參考文獻(xiàn)對(duì)CRC的檢驗(yàn)強(qiáng)度有討論。在假定錯(cuò)均勻分布時(shí)，2-k是未檢出錯(cuò)的上界，其中k是校驗(yàn)和長(zhǎng)度，對(duì)FlexRay來(lái)講ｋ=24，2-24=5.9×10-8。如果位錯(cuò)不相關(guān)，概率強(qiáng)度還要乘上（ber×幀長(zhǎng)）HD，其中HD是CRC多項(xiàng)式的海明距離。以1 h計(jì)算時(shí)要乘1 h內(nèi)的幀數(shù)。按標(biāo)準(zhǔn)，在payload小于248字節(jié)時(shí)HD=6。按此計(jì)算如下：幀長(zhǎng)=256字節(jié)=2 560 bit，考慮到idle時(shí)間，計(jì)算每小時(shí)幀數(shù)時(shí)以每幀2 600 μs計(jì)，故每小時(shí)有3 600/260×106=1.38×107幀。每小時(shí)總的漏檢幀為1.38×107×5.9×10-8×（ber×2 560）6=0.81×（ber×2 560）6。ber=10-7時(shí)為2.27×10-22，ber=10-5時(shí)為2.27×10-10。干擾不是很強(qiáng)，幀也較短時(shí)，F(xiàn)lexRay的錯(cuò)幀漏檢部分還是能滿足SIL2分配給通信的要求。

　　7 小結(jié)

　　計(jì)算表明，在ber=1×10-7時(shí)FlexRay通信的功能安全等級(jí)還離要求很遠(yuǎn)，另外還有小集團(tuán)錯(cuò)、時(shí)鐘漂移等問(wèn)題。此外，由于FlexRay沒(méi)有 CAN總線那樣簡(jiǎn)潔高效的報(bào)錯(cuò)機(jī)制，如果沒(méi)有主動(dòng)重發(fā)方案，那么接收節(jié)點(diǎn)間由于局部錯(cuò)引起的拜占庭錯(cuò)造成的失效概率增加。由此看來(lái)，F(xiàn)lexRay要完全實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)還有不少工作要做。更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，需要在用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)100 Mb/s速度的同時(shí)解決FlexRay現(xiàn)存的問(wèn)題。

　　本文分析討論的方法也適用于其他現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)，許多協(xié)議都是基于類似FlexRay的時(shí)間觸發(fā)方式，它們的安全性倚賴于高層“安全協(xié)議”。這些基于“黑通道（black channel）”的“安全協(xié)議（safety protocol）”一般按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN501592添加了一些判錯(cuò)的措施，如對(duì)重復(fù)、丟幀、加插、次序錯(cuò)、數(shù)據(jù)錯(cuò)、延遲和假冒錯(cuò)采用加流水號(hào)、時(shí)間戳、定時(shí)器、標(biāo)識(shí)符、地址、附加簽名等方法。另一些安全協(xié)議僅僅考慮了硬件鏈路故障與恢復(fù)，只是通信故障的一種形式。但是這些措施依然是不夠的，沒(méi)有覆蓋故障樹(shù)的所有分支。對(duì)于其他形式，例如出現(xiàn)局部錯(cuò)后的拜占庭失效、出現(xiàn)饒舌錯(cuò)后的停止服務(wù)、出現(xiàn)小集團(tuán)錯(cuò)后的局部停止服務(wù)等，均未處理。有些錯(cuò)可以在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，但受應(yīng)用所在的host的時(shí)間特性的限制，可能已錯(cuò)失時(shí)限，無(wú)法糾正錯(cuò)誤。在通信層面，它們嚴(yán)重影響到診斷覆蓋率，也直接影響到SIL等級(jí)。即使在流程工業(yè)，消息的周期較長(zhǎng)，用主動(dòng)重發(fā)方案可以使出錯(cuò)結(jié)果減少（現(xiàn)在的一些應(yīng)用恐怕還沒(méi)有這樣做），有些錯(cuò)（如拜占庭錯(cuò)）依然是不可承受的，特別是涉及一些邏輯信號(hào)的傳送。