Ethernet im Automobil- Teil 5

Was sind Bussysteme?

Bussysteme bezeichnen im Bereich der Datenverarbeitung spezielle Systeme, die die Übertragung von Daten – in Form von sogenannten Datenpaketen – zwischen den an ein Netzwerk angeschlossenen Komponenten ermöglichen. Grundsätzlich wird zwischen aktiven Teilnehmern – solchen Geräten, die aktiv auf den Bus zugreifen können, d.h. Daten schreiben und versenden können  - und passiven Knoten – d.h. solchen Teilnehmern, die nicht aktiv auf den Bus zugreifen können - unterschieden. Aktive Knoten werden auch Master genannt, passive Knoten Slaves.  In den meisten Fällen werden diese Daten nur zu einem weiterverwertenden Knoten gesendet. Eine Ausnahme bilden hier allerdings die im Automobil angewendeten Bussysteme, bei denen mehrere Empfangsknoten gleichzeitig die von einem anderen Knoten gesendeten Daten verarbeiten. Jeder Teilnehmer ist durch seine spezifisch zugeteilte Adresse ansteuerbar.

Token-basierte Systeme

 

Token-Basierte Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Teilnehmer eine Ressource, den sogenannten Token, teilen. Dieser Token wird von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergereicht und Daten dürfen nur von dem Teilnehmer übermittelt werden, bei dem sich der Token gerade befindet. Somit kann es in diesen Systemen ebenfalls nicht zur Kollision von Daten kommen. Ein Beispiel ist der IEEE-Standard aus der Computertechnik, der auf einer geschlossenen Ringtopologie basiert. Denkbar sind neben Ring-Topologien auch Stern-Topologien.

 

Eigenschaften von Token-basierten Systemen

 

Erstens können Token-basierte Systeme grundsätzlich durch Standard-Ethernet-Switches implementiert werden. Das liegt daran, dass sich die Logik der Protokolle auf die einzelnen Busteilnehmer abwälzen lässt. Wichtig ist, dass Tokens erkannt und zur Not auch neu erzeugt werden können. Eine Neuerzeugung wird zum Beispiel nötig, wenn ein Teilnehmer ausfällt oder wenn ein Datenpaket bei der Übertragung verloren geht. Die Dauer von Übertragungen kann bei Token-basierten Systemen im Allgemeinen sehr genau berechnet werden, aber wann ein spezieller Busteilnehmer seine Übertragung startet, ist meist nicht abzusehen. Dieser Punkt hängt im Wesentlichen von der Gesamtbelastung des Bussystems ab und mit höherer Teilnehmerzahl verändert sich naturgemäß auch die Zykluslänge von Übertragungen. Eine Aussage über Laufzeiten und Jitter beruht also immer auf einer genauen Kenntnis über die Anzahl der beteiligten – und aktiven - Knoten des Systems. Ein neuer Trend geht dahin, nicht nur einen Token, sondern mehrere einzusetzen. Das ist insbesondere bei umfangreicheren Systemen effizient. Zu beachten ist aber, dass die Nachrichten von Teilnehmern mit verschiedenen Tokens auch über verschiedene Leitungen gesendet werden, da sonst erneut das Problem der Kollisionen auftritt.

 

Angebotene Token-basierte Systeme

 

Das einzige derzeit auf dem öffentlichen Markt angebotene Token-basierte System ist Ethercat. Es wurde durch eine Interessengemeinschaft der Firma Beckhoff entwickelt und 2003 veröffentlicht. Ein spezieller Master sendet hier einen Frame aus, der gemäß einer Ringtopologie jeweils von einem Teilnehmer zum Nächsten weitergegeben wird. Die Slaves entnehmen diesem Frame dabei die für sie relevanten Daten oder ergänzen ihn. Durch diese Maßnahmen können allerdings keine Standard-Ethernet-Controller mehr eingesetzt werden. Daher wurden spezielle ASIC- und FPGA-Lösungen entwickelt. Ethercat setzt ebenso wie Profinet das PTP zur Synchronisation von Steuerbefehlen ein.

 

Bandbreiten-basierte Systeme

 

Diese speziellen Systeme arbeiten ohne jegliche Synchronisation ihrer Teilnehmer, sondern jeder Teilnehmer des Bussystems sendet seine Daten innerhalb eines bestimmten, virtuell definierten Bandbreitenkontingents. Dabei überwachen Switches die Einhaltung dieser Kontingente.

 

Eigenschaften von bandbreiten-basierten Systemen

 

Die berechnete maximal mögliche Verzögerungszeit - auch worst-case Verzögerungszeit genannt - ist in bandbreiten-basierten Systemen ebenso wie der Jitter um ein Vielfaches höher, als die tatsächlich auftretenden Fälle. Daher ist eine genaue Vorhersage eigentlich nie zu treffen.

 

Marktübersicht bandbreiten-basierter Systeme

 

Einziges derzeit erhältliches System, das bandbreitenbasiert ist, ist das AFDX. Es wurde speziell für den Einsatz in Flugzeugen entwickelt, kann aber auf viele Bereiche -wie auch die Automobilindustrie- einfach übertragen werden. Es definiert die maximale Übertragungsrate jedes Busteilnehmers und legt die Intervalle zur Übermittlung der Daten fest. 

 

Ausblick

Insgesamt zeigt sich also, dass Ethernet mehr als geeignet ist, um die Echtzeitanforderungen an Systeme im Automobil zu erfüllen. Dabei ist es möglich, auf verschieden Arten von Technologien zurückzugreifen, die alle durch für spezifische Bereiche wichtige Vor- und Nachteile gekennzeichnet sind. Im Einzelfall muss hier entschieden werden, dass auf einige Bereiche ein stärkerer Schwerpunkt gelegt wird, als auf andere Bereiche. Es sollte also prinzipiell so vorgegangen werden, dass spezifische Vorstellungen über die Funktion und besondere Eigenschaftenn eines Fahrzeugs fest im Vorhinein definiert werden und ein detaillierter Bauplan erstellt wird. Zu diesen Arbeiten im Vorfeld gehört neben der Erstellung eines räumlichen Modells mit Sicht auf die gewünschten Topologien auch ein Modell der zeitlichen Vorgänge und Abhängigkeiten sowie eine genaue Überlegung zum Umfang des maximal möglichen Datenaufkommens sowie zum Umfang des überhaupt gewünschten Datenaufkommens. Danach sollten zunächst eine genaue Berechnung und möglichst auch eine Simulation der zeitlichen Komponenten erfolgen. Erst danach kann eine endgültige Entscheidung gefällt werden, welche Technologie jetzt im Einzelnen zu verwenden ist.

Im Moment beschäftigen sich viele Forscherteams mit dem Einsatz von Ethernet im Bereich des Automobils. Obwohl die Forschung hartnäckig betrieben wird und oft hohe Summen investiert werden, zeichnet sich derzeit noch kein Trend ab, der die Verabschiedung eines Standards für Ethernet im Automobil verspricht. Ein Risiko der Forschung ist darin zu sehen, dass es allgemein als nicht abschätzbar gilt, ob zum Beispiel im Bereich Hardware die Controller die spezifischen Anforderungen - insbesondere an das Zeitverhalten im Automobil - überhaupt auf einer Standard-Basis erfüllen können.