Ethernet im Automobil- Teil 7

Anforderungen an und Problemstellungen bei Echtzeit-Ethernet-Bussystemen

 

Bei Ethernet handelt es sich im Ursprung eigentlich um keine Technologie, die Echtzeitanwendungen unterstützt, da die Teilnehmer in der Regel nicht synchronisiert werden. Dies führt zu Kollisionen an den Knotenpunkten, was die Übertragung von Nachrichten verständlicherweise verzögert, sodass es nicht gewährleistet werden kann, dass der Versand der Datei innerhalb des für die Echtzeit vorgeschriebenen Zeitintervalls vonstattengeht. Allerdings befassen sich bereits mehrere Forscher mit der Erarbeitung eines Konzepts für ein Ethernet-Bussystem, welches als echtzeitfähig gelten kann. Diese Technologie soll dann im Speziellen innerhalb der Automobilbranche zum Einsatz kommen, sodass sich deren Gestaltung auch auf die dort vorherrschenden Anforderungen stützt. Der erhoffte Nutzen des Einsatzes eines Echtzeit-Ethernet-Systems liegt unter anderem in einer wesentlich höheren Funktionalität, die auch einen IP-basierten Sprechfunk enthalten könnte. Da sich die Entwicklungsarbeit teilweise auch stark auf den Bereich von Rennwagen stützt, sollen zudem die Übertragung von Rundezeiten oder das Versenden von Nachrichten aus der Box an den Fahrer möglich werden. Unumgänglich zum Erreichen dieser Ziele, ist jedoch das Erfüllen zahlreicher Anforderungen.

 

Die hochprioren Anforderungen an ein Echtzeit-Ethernet-Bussystem

 

Grundsätzlich lassen sich die Anforderungen, die an ein Ethernet-Bussystem, welches  Echtzeitanwendungen erlaubt, gestellt werden, in zwei Kategorien zu unterteilen, wobei sich die eine auf den Einsatz im Fahrzeug und die andere auf die Implementierung der Anforderungen aus dem Rennwagen-Kontext bezieht. Hierdurch findet sich bereits ein umfangreicher Anforderungskatalog, der durch die Automobilbranche definiert wurde und zahlreiche Punkte beinhaltet, die zusätzlich nach ihrer Priorität sortiert sind, wobei die folgenden drei Anforderungen zu den wichtigsten Kriterien zählen:

 

  • Parallele Datenübertragungen mit harten, weichen und ohne Echtzeitanforderungen – da es innerhalb eines Fahrzeugs verschiedene Anforderungen gibt, existieren dementsprechend auch unterschiedliche Anforderungen an den Determinismus und das Zeitverhalten eines Bussystems. So gilt es, dass die Daten, die die Fahrerassistenzsysteme und die Sicherheitseinrichtungen des Wagens beinhalten, mit einem absolut deterministischen Zeitverhalten übertragen werden müssen. Dies sind harte Echtzeitanforderungen, da keinerlei Abweichungen zulässig sind. Jedoch existieren auch Systeme mit weichen Anforderungen an die Zeit, was besonders die Kommunikations- und Unterhaltungselektronik betrifft, da bei dieser die Notwendigkeit nicht so stark ausgeprägt ist wie bei den Sicherheitsanwendungen. Eine letzte Gruppe im Automobil umfasst alle Daten, die ohne fest geregelte Zeitanforderungen verschickt und empfangen werden können.

 

  • Synchrone und asynchrone Datenübertragung – Die Regelungssysteme innerhalb des Fahrzeugs basieren im Normalfall auf einer synchron verlaufenden Kommunikation. Anwendungen, die die Kommunikations-und Unterhaltungstechnik oder die Konfigurations-sowie Diagnosedaten betreffen, können jedoch asynchron versendet werden. Zudem findet diese Übertragung nur bei einem direkten Bedarf statt

 

  • Geringer Nachrichtenjitter – Wie die Regelgüte einer verteilten Regelung ausfällt ist von der Höhe des auftretenden Nachrichtenjitters abhängig. Damit diese Regelgüte auf einem vertretbaren Level bleibt, muss demnach auch der Nachrichtenjitter relativ gering gehalten werden

 

Weitere Abschnitte des Anforderungskatalogs

Ein modernes Echtzeit-Ethernet-Bussystem muss nicht nur die wichtigsten Anforderungen erfüllen, sondern die Gesamtheit dieser, sodass innerhalb des Katalogs auch Punkte aufgeführt sind, die als weniger wichtig angesehen werden, jedoch dennoch einbezogen werden müssen:

 

  • Redundanz – Nur wenn ein Redundanzkonzept durch das Netzwerk zur Verfügung gestellt wird, können sicherheitsrelevante Systeme mit Fehlertoleranz vernetzt werden

 

  • Hohe Übertragungsbandbreite – Steuerelektronik besitzt eine Bandbreite von rund 2 Mbit/s, besitzt jedoch Anforderungen an eine Datenübertragung mit deterministischem Zeitverhalten, wohingegen Videodaten zwar hochauflösend sind und demnach einen höheren Bedarf an Bandbreite habe, aber keine sonderlich großen Anforderungen an das Echtzeitverhalten erfüllen müssen

 

  • Einfacher Austausch des Physical Layers – Da Datenübertragung an verschiedenen Orten im Netzwerk erforderlich werden, ist das Vorhandensein von unterschiedlichen physikalischen Medien vorteilhaft. Ein Bussystem, dass als fortschrittlich gelten kann, nimmt hierbei eine Abstrahierung des Physical Layers vor, sodass sich verschiedene Medien austauschen und kombinieren können

 

  • Einfache Anwendung – Dies umschreibt die Anforderung nach einfachen und flexiblen Schnittstellen innerhalb des Bussystems

 

Das Beispiel TTEthernet

 

Die Entwicklung eines echtzeitfähigen Ethernet-Bussystems hat bereits mehrere Varianten hervorgebracht, zu welchen auch das TTEthernet zählt. Hierbei handelt es sich um das Ergebnis der Projektarbeit der Real-Time Systems Group und der Technischen Universität in Wien aus dem Jahre 2004. Mittlerweile wird dieses System durch die österreichische Firma TTTEch Computertechnik AG in seinen Ausführungen immer weiterentwickelt und dementsprechend auch durch diese Seite auf dem Markt kommerziell verbreitet. Hinter dem TTEthernet steckt das „Time-triggered-Ethernet“, welches drei verschiedene Klassen von Nachrichten enthält:

 

  • Time-triggered Messages – diese werden während eines vorab definierten Zyklus versendet und haben gegenüber allen anderen Nachrichten die höchste Priorität, sodass sie stets zuerst versandt werden

 

  • Rate-constained Messages – hierbei handelt es sich um Nachrichten, die nicht so harte Echtzeitanforderungen erfüllen müssen, wie die Time-triggered Messages. Hingegen ist jedoch zu gewährleisten, dass eine ausreichende Menge an Bandbreite vorhanden ist, damit die Übertragung problemlos erfolgen kann

 

  • Best-effort Messages – diese Nachrichten lassen sich mit den gängigen Botschaften von Ethernet vergleichen. So werden hier im Voraus keine Annahmen zu der erwartenden Laufzeit gemacht. Zudem nutzen diese Nachrichten lediglich die Bandbreite, die nach dem Übertragen der ersten beiden Kategorien noch vorhanden ist.

 

TTEthernet kann als ein offenes Protokoll angesehen werden, bei welchem speziellen FPGAs zum Einsatz kommen, die auf Switches basieren. Zudem lassen sich die Controller der einzelnen Teilnehmer auf die Standardhardware implementiert werden.