BWM的参数 - 通信协议标准FlexRay总线的功能安全性详解

　　3.2 BMW的参数

　　参考文献［7］也间接给出了BMW的参数：cycle为5 ms，每个cycle有91个static slot，slot用于传送16字节payload的帧，实际使用的payload为8字节，共有227个PDU。由2.5 ms消息占4%及使用10个slot知，这些PDU没有合并。由提供的周期分布可见5 ms消息为62个，10 ms消息为45个，20 ms消息为80个，40 ms消息为38个，其余更长周期的消息先忽略。

　　各个消息的payload长度是不同的，由这个分布，在假设误码率为ber=1×10-7时可以算出各自帧长与误帧率，再算出平均误帧率 fer=1.51×10-5/frame。假定通信用2个通道同时传送，那么同时失败的概率为fer2=2?28×10-9/frame。由周期算出传送帧数为n=2.79×106/h。同样算出1小时内有1次以上错的概率为1-P≈fer2×n=2.28×10-9×2.79×106 /h=6.36×10-3/h，也远大于SIL2分配给通信的要求。

　　4 主动重发方案的可行性

　　有2位作者建议了主动重发的方案，其一见参考文献。主动重发在概念上就是时间上的冗余，帧不但在不同的物理通道上重发，也在不同的时段上重发。由此来分析第3节的两种情况。

　　4.1 Audi

　　当每帧被安排用2个static slot传送时，2个通道将有4次传送，同时失败的概率将小得多，为fer4=6.25×10-17/frame。实际传送的帧数加倍，但内容未加倍，故计算仍按n进行，1 h内有1次以上错的概率为1-P≈fer4×n=6.25×10-17×7.92×105/h=4.95×10-11/h。这可以满足SIL2分配给通信的要求。

　　理论上，原来的应用占用了27/62的static slot，现在加倍为27/31也还够用，但是由于消息送达时限的限制，将使调度变得十分困难，是否有解尚无定论。留给将来扩展升级的空间很小，已经表现出FlexRay的带宽不够。

　　4.2 BMW

　　采用主动重发一次时，1 h内有1次以上错的概率为1-P≈fer4×n=5.19×10-18×2.79×106/h=1.45×10-11/h。这可以满足SIL2分配给通信的要求。

　　但是，原来BMW已占用了2/3的static slot，根本没有足够的空余slot可供主动重发。例如BMW的静态段为3 ms，在2.5~3 ms中总共可安排0.5/3×91=15个slot，它的2.5 ms的消息已占去10个slot，就不可能对它再作冗余传送。这也说明FlexRay的带宽不够。

　　5 与CAN总线的比较

　　参考文献中的BMW系统数据，若用CAN标准帧传送，可推算出需要的带宽至少为2.8 Mb/s，明显显示CAN总线带宽不足。但是CAN总线的出错自动重发机制却使系统的通信可靠性远胜于FlexRay。

　　例如在ber=1×10-7时，CAN总线帧长为108位，误帧率为fer=1.08×10-5/frame。在传送帧数为n=2.79×106/h时（假定用多条总线满足带宽）出错的帧有31帧，这31帧重发2次，则全错的概率为31×fer3=31×1?26×10-15=3.9×10-14，远小于SIL2分配给通信的份额。

　　而且，如果原来的调度分析留有足够2帧的出错自动重发时间，也可以算出对送达时间的影响不大。送达时间变化大的是低优先级消息，对高优先级消息影响很小。例如10条2.5 ms周期消息的送达时间约1.2 ms（考虑到填充位与服务间隔），在2.5 ms内1条消息出错自动重发2次也只会使送达时间增加到1.5 ms左右。

　　CAN总线的出错自动重发机制与主动重发方案相比，需要增加的带宽很小，几乎是后者的万分之一。

　　6 FlexRay总线的错帧漏检

　　参考文献对CRC的检验强度有讨论。在假定错均匀分布时，2-k是未检出错的上界，其中k是校验和长度，对FlexRay来讲ｋ=24，2-24=5.9×10-8。如果位错不相关，概率强度还要乘上（ber×帧长）HD，其中HD是CRC多项式的海明距离。以1 h计算时要乘1 h内的帧数。按标准，在payload小于248字节时HD=6。按此计算如下：帧长=256字节=2 560 bit，考虑到idle时间，计算每小时帧数时以每帧2 600 μs计，故每小时有3 600/260×106=1.38×107帧。每小时总的漏检帧为1.38×107×5.9×10-8×（ber×2 560）6=0.81×（ber×2 560）6。ber=10-7时为2.27×10-22，ber=10-5时为2.27×10-10。干扰不是很强，帧也较短时，FlexRay的错帧漏检部分还是能满足SIL2分配给通信的要求。

　　7 小结

　　计算表明，在ber=1×10-7时FlexRay通信的功能安全等级还离要求很远，另外还有小集团错、时钟漂移等问题。此外，由于FlexRay没有 CAN总线那样简洁高效的报错机制，如果没有主动重发方案，那么接收节点间由于局部错引起的拜占庭错造成的失效概率增加。由此看来，FlexRay要完全实现其设计目标还有不少工作要做。更长远来看，需要在用工业以太网实现100 Mb/s速度的同时解决FlexRay现存的问题。

　　本文分析讨论的方法也适用于其他现场总线或工业以太网，许多协议都是基于类似FlexRay的时间触发方式，它们的安全性倚赖于高层“安全协议”。这些基于“黑通道（black channel）”的“安全协议（safety protocol）”一般按照欧洲标准EN501592添加了一些判错的措施，如对重复、丢帧、加插、次序错、数据错、延迟和假冒错采用加流水号、时间戳、定时器、标识符、地址、附加签名等方法。另一些安全协议仅仅考虑了硬件链路故障与恢复，只是通信故障的一种形式。但是这些措施依然是不够的，没有覆盖故障树的所有分支。对于其他形式，例如出现局部错后的拜占庭失效、出现饶舌错后的停止服务、出现小集团错后的局部停止服务等，均未处理。有些错可以在应用中发现，但受应用所在的host的时间特性的限制，可能已错失时限，无法纠正错误。在通信层面，它们严重影响到诊断覆盖率，也直接影响到SIL等级。即使在流程工业，消息的周期较长，用主动重发方案可以使出错结果减少（现在的一些应用恐怕还没有这样做），有些错（如拜占庭错）依然是不可承受的，特别是涉及一些逻辑信号的传送。