車載FlexRay網絡調度算法綜述*

魏葉華， 顏碧云

(1.湖南師范大學 物理與信息科學學院，湖南 長沙 410081；

2.國防科學技術大學 計算機學院，湖南 長沙 410073)

0 引 言

FlexRay 作為下一代車載總線標準將引導整個汽車電子產品結構的走向，具有高吞吐量、確定性、容錯性三大屬性。它具有高的數據傳輸速率，能夠滿足汽車安全性和可靠性的需求，同時滿足分布式控制系統的通信要求，是對 CAN,LIN 和 MOST 等主要車用總線技術標準的有效補充[1]。

FlexRay是一種時間觸發類型的網絡技術，通信時間被劃分為一個個等長的通信周期。通信周期內同時融合了時分多路復用(TDMA)和靈活的時分多路復用(FTDMA)2種通信方式，分別用于其靜態段和動態段的消息傳輸。而靜態段被進一步劃分為多個等長的時隙，時隙被唯一分配給電子控制單元(ECU)，ECU僅在所分配的時隙到來時才能進行消息傳遞，因此,利用靜態段進行傳遞的消息具有較高的時間確定性[2]。動態段能夠同時支持時間觸發和事件觸發方式，改善了TDMA在靈活性方面的弊端，增強了網絡的靈活性。

雖然FlexRay的時間觸發特性使得其在時間確定性和可靠性方面具有良好優勢，但是其時間觸發特性同時要求網絡的配置參數如通信周期長度、靜態段長度、靜態段時隙長度和時隙分配等在設計時就靜態配置好，將造成其設計在靈活性和可擴展性方面存在不足。而動態段融入了事件觸發的靈活性的同時也增加了調度的復雜性。在實際應用中CAN/FlexRay混合網絡的使用過程中，網關之間的數據轉換和任務調度問題也是一大問題。綜上所述，靜態段和動態段以及混合網絡中網關的任務調度問題將是FlexRay在新一代汽車電子系統中進行應用時面臨的主要難題。

1 FlexRay研究現狀

經過十多年的發展，國外在FlexRay總線上的投入、研究及應用已初具規模，在歐洲FlexRay已步入到應用領域，而其他國家也處于研發階段。當前，國內對 FlexRay研究還不夠深入，在國內實際涉及到復雜的關鍵性的網絡協議設計的技術還都不夠成熟。在未來的十年時間里，隨著FlexRay網絡成本的降低和技術的普及，有望在公共汽車和高端轎車里使用FlexRay總線，實現更多的安全控制模塊。未來車身控制系統中將以混合網絡的模式存在，直到FlexRay覆蓋到所有汽車類型中并取代低速網絡。

在 FlexRay 網絡的理論研究方面，國內外汽車公司和科研單位的研究熱點集中在網絡的延遲特性分析和靜態段的調度算法設計方面。目前已有學者發表了一些解讀FlexRay協議規范和有關FlexRay時間觸發特性的論文，也有通過通過搭建FlexRay實際通信系統并通過實驗數據分析其通信性能的文章[3～5]。文獻[6～8]討論了不同的網絡拓撲配置，比較了各種網絡拓撲結構的優缺點,并進行了優化,提出的優化拓撲結構可以很大程度地提高系統的速度和穩定性,而且能夠降低使用成本。文獻[9～11]討論了網絡中的時鐘同步問題，并提出了時鐘同步算法，且通過分析和實驗證明了具有一定的實際應用意義。在調度算法方面，總的來說大多數學者研究 FlexRay 的靜態段和動態段調度算法的優化的帶寬優化，只有少數學者研究網絡的安全性和可靠性，同時很多研究也忽略了系統的可擴展性和通信實時性等關鍵因素。當前對 CAN/FlexRay 網關架構與實現方面的研究也不在少數，但許多文獻側重于硬件設計，對于網關內部的算法和網關內部的信號映射機制等方面的研究還不夠深入。因此,分析并總結當前研究現狀，指出未來可能的研究方向，對加快FlexRay網絡普及應用的進程具有重要意義。

2 FlexRay調度算法

對于FlexRay網絡通信系統，調度算法對網絡性能的好壞起著至關重要的作用。而 FlexRay 網絡的利用率與消息的傳輸周期、幀長度和幀數目有關，由消息傳輸周期中靜態時隙和動態段最小時隙決定。因此,首先給出FlexRay相關基礎知識，然后分靜態段調度算法、動態段調度算法和CAN/FlexRay網關消息調度等3個方面對當前FlexRay網絡的研究進行一步的分析和總結。

2.1 FlexRay通信體系結構

2.1.1 通信節點體系結構

圖1描述了 FlexRay網絡中的通信節點的體系結構，其中總線驅動器主要負責物理通信信道的訪問操作，如，接收通信控制器發送過來的數據并將其放到物理通信信道上進行傳輸、向主處理器提供錯誤信息等?？偩€監控器主要負責對通信控制器的數據發送過程進行監測。如果在通信控制器中設定了與數據傳輸相關的時間表，那么總線監控器還會就總線驅動對物理通信信道的訪問進行監測。當發生不符合靜態設置的數據發送傳輸請求時，將向總線驅動器發送命令信息以停止相關數據的傳輸，這種機制使得 FlexRay 網絡的可靠性得到了很大地提升。

圖1 FlexRay節點通信體系結構

2.1.2 FlexRay通信周期

FlexRay的一個通信周期分為靜態段、動態段、符號窗和網絡空閑時間，如圖2所示。靜態段和動態段是用于傳輸消息的時間窗，而符號窗和網絡空閑時間主要是提供傳輸內部控制信息和協議相關計算的時間[12]。FlexRay提供了2種不同的媒質訪問機制:靜態段的TDMA機制和動態段的FTDMA訪問機制。其中,靜態段被分成若干個大小相等的靜態時隙，用來發送時間觸發型的消息;而動態段則是包含若干個大小不等的動態時隙，用來發送事件觸發型的消息。周期的靜態段是由若干個大小相等的靜態時槽組成，靜態時隙的大小由最長的靜態消息決定，且無論有無靜態消息需要傳送，這些時隙的總數在周期的靜態部分里都是不變的。動態段的長度是由其所包含的小時槽的數目決定的。

圖2 FlexRay通信周期

2.1.3 FlexRay幀結構

在設計基于FlexRay的通信系統時，用戶必須作出一系列決定，這會影響效率、可靠性、安全性。因此，除了選擇正確的拓撲結構外，還需要定義大量參數，其中的參數之一就是幀的大小。一個 FlexRay數據幀由幀頭、負載段和幀尾3個部分組成，格式如圖3所示，發送順序為由左向右。與CAN網絡的事件觸發協議不同的是，FlexRay使用時間觸發協議來轉移幀，FlexRay的時間觸發模式可以確保數據按照事先確定的時間表進行傳輸。

圖3 FlexRay的數據幀格式

2.2 靜態段調度算法

FlexRay 的靜態段是用于確定的周期性數據通信，在FlexRay通信周期靜態段內傳輸的任務就是周期性地在不同節點之間交換數據信息。靜態消息的調度算法就是尋找到第一個可以用于消息傳輸的時隙和靜態數據幀的最佳編碼方法并能夠最大化靜態段的帶寬利用率。而靜態消息幀長度和時隙長度的分配對網絡利用率的影響最大，從而也成為了影響整體 FlexRay 網絡性能的主要因素。

2.2.1 幀長度優化

由于 FlexRay 總線靜態段數據幀長度相等，而在實際應用過程中，在靜態段傳輸的消息長度卻不一定相同，這就為 FlexRay 幀長度的優化提供了可能，尋找一個合適的數據幀長度就成為了研究的重點。

近幾年來，有學者提出了一種將較長的靜態段消息分割成一定長度的消息進行發送的方法[13～15]。文獻[13]提出了一種將較長的靜態段消息分割成一定長度的消息進行發送的方法，雖然保證了消息的發送時間，但是沒有考慮分割后的消息在封裝過程中產生的額外負載和幀 ID 個數的增多對網絡的影響。韓強等人[15]提出了將靜態段長消息分割成若干短消息以降低FlexRay總線負載率的方法，以在保留消息發送的時間確定性優點條件下，降低 FlexRay總線負載率。后來Kang M等人[16]提出了一個允許將不同周期的信號封裝成一個消息幀的幀封裝算法，能夠大大減少靜態段的帶寬消耗。文獻[17]對 FlexRay靜態幀凈荷段的長度進行了優化，提出了一個 FlexRay總線網絡時間參數的優化模型。 然而，該模型需要通過數值計算的方法才能夠得到最優ST長度的。文獻[18]通過將其中的非線性算符簡化為線性算符，導出了最優靜態幀凈荷段長度的解析表達式。數值實驗驗證了解析表達式的正確性，并證明了所得的解析公式能夠適用于大多數的應用場合。

2.2.2 時隙分配問題優化

消息時隙分配問題是FlexRay汽車網絡設計的關鍵問題之一。為實現 FlexRay總線帶寬利用率最大化，有些研究者提出了將靜態段長數據幀分配到動態段的調度方法來減少總線網絡的負載率[19～22]，但是將靜態段的消息分配到動態段將使得消息發送的時間帶有不確定性，從而造成抖動，影響整個通信系統的性能。Grenier M等人[23]提出了一種最佳時隙優先的啟發式消息調度算法，在考慮信號滿足最終時限要求的前提下，通過減少消息的過度采樣來實現時隙使用個數的最小化和網絡帶寬利用率的優化。文獻[24]就消息的時隙分配問題進行了研究，提出了一個基于混合整數線性規劃的算法框架對時隙使用個數和消息的抖動進行聯合優化。Schmidt K等人[20]提出將消息調度問題劃分為信號打包和消息時隙分配2個子問題，并采用整數線性規劃方法對其進行建模和求解，分別以最大化網絡帶寬利用率和最小化時隙使用個數為優化目標。Jang K等人[25]將靜態段消息調度問題劃分為信號打包和時隙分配2個子問題，并分別以靜態段時隙長度和通信周期長度的優化配置作為目標。文獻[26]充分考慮到之前研究的不足，并在現有優化模型的基礎上基于靜態段帶寬利用率對消息分割進行進一步的研究，通過改變靜態時隙的長度，得出時隙長度、幀ID個數與最佳帶寬利用率的關系，大大提升了靜態段的帶寬利用率。然而以上研究都只對網絡進行單獨設計，而未從系統級的角度對計算系統和網絡進行集成化設計，沒有考慮時隙分配可能造成的影響。

綜上所述，現如今FlexRay 靜態段消息調度的相關研究中，未就時隙分配給系統性能造成的影響進行充分考慮；在可擴展性優化方面，優化目標太過籠統，僅局限于時隙使用個數的最小化而未就信號長度增長等提出的可擴展性需求進行具體分析和考慮。

2.3 動態段調度算法

FlexRay通信周期的動態段消息傳輸是基于事件觸發的，動態段的消息調度是基于最小時間片的優先級優先的原則，對時間要求比較苛刻，消息的調度也比較靈活。FlexRay周期靜態段調度算法就是為實現對靜態消息的調度，并能有效利用靜態帶寬，不過它不能處理FlexRay周期內的動態消息，所以,不能保證整個FlexRay網絡的較高利用率。因此,動態段調度算法的優化就變得十分必要，FlexRay動態段算法的優化主要集中在2個方面：減少消息響應和傳輸時間以及提高動態段帶寬利用率。

2.3.1 消息響應和傳輸時間優化

基于FTDMA方式的FlexRay動態段的媒體訪問機制在保證確定性通信的基礎上融入了事件觸發的靈活性,但這也使調度過程變得復雜。盡管FlexRay是下一代汽車電子總線的標準，但現在消息的傳輸延遲和響應時間問題依然沒有得到解決，而這對整個通信網絡的實時性有著重要的影響，因此,關于減少消息響應和傳輸時間的方法得到了不少的關注。文獻[27]提出了一個考慮動態段不同長度但卻享有相同的幀標識符的消息傳輸概率延遲模型，并以空時隙分布作為性能指標分析了幀延遲概率。文獻[28]提出了一種在動態段使用的名為遞歸資格的調度方法。該方法是基于多槽分配，采用總線可訪問性的索引來決定每個節點的優先級，這樣動態段就能夠用來有效地傳輸消息。Schmidt E G等人[29]對FlexRay周期中動態段內消息的傳輸特性進行了詳細的分析，并提出通過構建消息組對動態消息進行調度的方法，并通過實驗證明該方法能夠最小化動態段的傳輸時間。然而上述研究都忽略了消息響應時間的不確定性而可能產生的時間抖動，也沒有考慮抖動可能導致整個系統時鐘不同步的問題。

2.3.2 帶寬利用率優化

為了提高動態段帶寬利用率，夏鳳仙[30]在分析和比較了幾種典型的 FlexRay車載網絡調度算法的基礎上，運用保留帶寬的思想，為實現算法思想，以最大周期負載和最小帶寬保留為優化目標，建立數學模型，尋求最優方案。改進后的算法在數學理論上可以減輕通信系統 MCU的計算負荷，從而能夠提高FlexRay網絡通信的效率。

文獻[31]采用基于動態規劃的優化調度算法,通過多階段決策，使系統中所有DYN報文的整體最壞響應時間達到最小值,從而提高FlexRay動態段的帶寬利用率。該算法充分發揮了柔性時分多址的特點,在汽車電子領域和對實時性可靠性有很高要求的檢測控制領域中的應用具有一定的優勢。為了減少FlexRay通信周期內動態段的帶寬消耗，文獻[32]提出了一個允許將不同周期的信號封裝成一個消息幀的幀封裝算法，并通過實驗驗證了算法的有效性。

文獻[33]在基于最小時間片的FlexRay動態段研究的基礎上進行系統建模，對動態段時長進行優化配置，并提出以最大網絡利用率為基礎的動態消息調度算法。在保證動態段時長設計合理且消息可調度的情況下，該算法能夠減少消息延時，提高網絡利用率。上述研究以提高動態段帶寬利用率為目的展開了一些工作，但大都沒有對整個系統的網絡利用率加以考慮，在以后的研究中應把綜合考慮靜態段和動態段帶寬利用率，以提高整個網絡的利用率為目標。

2.4 CAN/FlexRay網關消息調度

在混合網絡中，不同總線之間的信息交互需要網關來實現。隨著FlexRay總線在汽車動力等安全關鍵實時系統中的應用,車內FlexRay與CAN網絡之間的信息交互成為迫切需要解決的問題。文獻[34～38]提出了幾種CAN/FlexRay的網關模型，在硬件上進行了實現，并驗證了網關的可靠性。合適的數據幀轉換方法和調度算法可以降低數據在網關的延遲時間，同時可以保證實時數據的傳送實時性，這也直接影響到網關性能和整個車身網絡性能的好壞。

文獻[39]提出了用于組裝 CAN/FlexRay 網關的消息的2種方法, 一種是面向優化總線帶寬利用率的方法，由于信號值的是隨機的，當信號值不變時，該信號可以不傳輸，如果某個消息中所有信號都不傳輸時，該消息也可以不傳輸，可以減少總線帶寬總量的需求；另一種是面向提高消息中的信號比特位利用率的方法，這種方法把單個周期較小的信號組裝到多個周期較大的消息中，從而避免了周期較大的信號被組裝到周期較小的消息中，提高了信號比特位的利用率。

文獻[40]討論了CAN/FlexRay網關數據轉發方法，在對FlexRay和CAN網絡特性的分析下，運用隊列調度管理的知識設計了基于CAN/FlexRay網關的多隊列消息處理方法。文獻[41]為了保證數據轉換的連續性，在隊列內部，尤其是在處理數據轉換時在使用 EDF算法的同時，避免因為后到達報文截至時間短而打斷之前的報文。在這里加入在每一幀 FlexRay 報文轉換的所有 CAN 報文加入一個時間戳，為隊列分配一個標志位，在轉發此報文時置位該標志位，待完全轉發之后取消該標志位，有效地提高了數據轉發的效率。

文獻[42]提出了一種基于多隊列混合調度的CAN/FlexRay網關數據幀轉發方法，可以有效地降低系統的服務時間和服務強度以及保證網關內消息的實時性與公平性。對于消息調度,采用多隊列混合優先級調度。在隊列內部采用EDF算法,隊列之間采用改進加權輪轉調度算法。后來文獻[43]在對FlexRay和CAN協議研究基礎上, 對網關內部調度算法進行了分析和改進, 提出了等差分區的EDF算法和多閾值的加權輪轉調度算法, 即每個隊列的權值是根據某一時刻該隊列消息所占比例動態修改，并通過理論推導和仿真方法對結論進行了驗證。

然而,總體來說大多數對車載網關的研究還是偏重于硬件實現，對網關內部數據調度、數據轉換、容錯能力以及故障恢復處理系統進行研究還不多，通常受到特定的硬件限制，網關內所采用的數據轉發方法和數據調度以及錯誤處理等操作都會直接影響到網關的性能。

3 結束語

目前，在提高總線帶寬利用率、優化調度等相關方面開展了一些研究工作，在一定程度上加快了FlexRay總線應用的進程。然而，當前研究仍存在很多不足，除了上述工作之外，未來仍然有些問題值得進一步關注:

1)FlexRay靜態段消息調度的研究中，靜態段時隙分配是靜態段消息調度中的關鍵問題，同時決定著任務和消息之間的同步關系，而現有研究未就時隙分配給系統性能造成的影響進行充分考慮，忽略了傳輸過程中可能會出現的錯誤，在以后的研究中需要進一步提高通信的可靠性和實時性。

2)在動態段的研究中，應該同時考慮消息傳輸和響應時間的不確定性對網絡的實時性造成的影響。網絡利用率由靜態段和動態段的帶寬利用率共同決定，但絕大多數研究都只是單獨地研究靜態段或動態段，所以，應該同時考慮靜態段和動態段的帶寬利用率，加強整個網絡利用率的相關研究。

3)現如今大多數研究對車載CAN/FlexRay網關的研究偏重于網關模型的搭建和硬件的實現，在對網關內部數據調度、數據轉換、數據存儲方法以及故障恢復處理系統的為數不多。如何就混合網絡進行有效集成，以保障系統的安全可靠運行和高效實現是現在迫切需要解決的關鍵問題。

4)如何對網絡中傳輸的數據的安全性和可靠性進行進一步分析并提出相應的措施來保障消息傳遞的安全性和可靠性以滿足不同級別的可靠性概率要求是新一代汽車電子系統研究中正熱門的重要問題。

5)如何就FlexRay消息調度的可擴展性進行優化來容忍各種不確定性因素和提高功能部件的可重用性和可定制性，從而減少可能造成的重驗證和重測試、甚至于重設計方面的風險和因此帶來的系統設計成本增長將是FlexRay在汽車電子系統中進行廣泛應用所需要解決的另一個難題。

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