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 (D _Z us) erfolgt, wobei, wenn die freie Datenrate im Ethernetnetzwerk im letzten Buszyklus (Dfrei) des Ethernetnetzwerkes größer oder gleich der notwendigen Datenrate pro Buszyklus (D _Z us) 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.