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ETHERNET
Ethernet bringt kommunikationsintensive Funktionen (Audio- und
Videosysteme, Fahrerassistenzsysteme und paralleles Flashen) mit
einem oft hohen, kundenerfahrbaren Mehrwert ins Fahrzeug. Zukünftig
winken zusätzliche Einsparungen durch die Übertragung von Daten
verschiedener Domänen über dasselbe Netzwerk. Damit das zuverlässig
funktioniert, sind auch für Ethernet verständliche Echtzeit-Bewertungen
notwendig, wie sie heute für CAN und FlexRay üblich sind.
Echtzeit-Bewertung von
Ethernet-Konfigurationen
Echtzeit-Bewertungen liefern qualifizierte
Antworten auf Fragen wie:
Wie konfiguriert man das Ethernet-
Netzwerk (im Verbund mit den anderen
Bus-Segmenten) optimal, um eine gute
Auslastung und Erfüllung der unterschiedlichen
Zeitanforderungen zu gewährleisten?
Wo liegen Engpässe und
wie können diese behoben werden?
Wie überlagern sich Audio- und Video-
Ströme mit regelungstechnisch relevante
Daten und welche Kommunikations-
Latenzen werden sich einstellen? Welche
„Timing-Güte“ haben die einzelnen
Nachrichten? Zur Beantwortung dieser
Fragen benötigt man aussagekräftige
Metriken zur Bewertung des Echtzeitverhaltens
(oder auch der „Timing-
Güte“) von Ethernet- und E/E Systemkonfigurationen.
Klassische Echtzeit-
Metriken
Die bekannteste Echtzeit-Metrik ist die
Buslast. Bei CAN ergibt sich die Buslast
beispielsweise aus den Größen und Zykluszeiten
aller über den Bus versendeten
Nachrichten (Frames) und gibt an,
wie hoch ein Bus wirksam ausgelastet
ist. Die Buslast dient vordringlich einer
ersten Orientierung, belastbare Aussagen
bezüglich der Timing-Güte einzelner
Nachrichten sind nicht möglich.
Beispielsweise sind auch bei geringer
Buslast Zykluszeitverletzungen möglich,
z. B. aufgrund von sporadischen
Frames. Auch spiegeln sich elementare
Konfigurationsparameter wie die CAN-
ID nicht in der Buslast wider. Daher
werden seit einigen Jahren standardmäßig
so genannte Latenz-Analysen
durchgeführt, um die konkreten Verzögerungen
einzelner Nachrichten zu bestimmen
und mit zuvor definierten An-
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Aufmacher: 123rf © James Thew; weitere Bilder: Symtavision
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forderungen zu vergleichen. Die Latenz-
Metrik liefert also detaillierte Informationen
zur „Timing-Güte“ auf Nachrichten-Ebene.
Diese beiden Metriken (Last und Latenz)
bilden heute die Grundlage für
umfassende Echtzeit-Bewertungen von
CAN-Bus-Systemen; ähnliches gilt für
FlexRay und LIN. Für Ethernet lassen
sich diese Ansätze weiterhin nutzen,
müssen dabei aber einige Ethernet-spezifische
Eigenschaften berücksichtigen.
Ethernet-Last
Im Vergleich zu CAN ist die Buslast-Metrik
bei Ethernet komplexer, denn ein typisches
Ethernet-Netzwerk besteht aus
mehreren Verbindungen (Links) und
Switches, die jeweils unterschiedliche
Lasten aufweisen. Zur Bestimmung dieser
Lasten benötigen man die Datenraten
der einzelnen Datenströme, die Topologie
des Systems inklusive der Link-Geschwindigkeiten
(10, 100, 1000 Mbit/s)
Bild 1: Aggregierte Punkt-zu-Punkt-Datenraten für ein Ethernet-System
bestehend aus 14 ECUs.
Bild 2: Relative Latenz der 64 Nachrichten des Beispielsystems.
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Auch für Ethernet ist eine dedizierte Timing-
Bewertung für Echtzeitdaten notwendig, um
Integrationsprobleme oder Konfigurationsfehler
zuverlässig aufzudecken.
Dr. Kai Richter, CTO Symtavision
und Routing-Informationen darüber, welcher
Datenstrom welchen Link passiert.
Nun lassen sich folgende Metriken nutzen:
Ein Datenstrom entspricht einer logischen
Datenverbindung. So bekommt
man einen ersten Überblick über die
„Verursacher“ der Lasten auf Funktionsebene.
Kommt es zu Engpässen, sollte
eine Optimierung bei den datenintensiven
Funktionen ansetzen.
Die aggregierte Punkt-zu-Punkt-Datenrate
entspricht der Menge an ausgetauschten
Daten zwischen den beteiligten
ECUs. Diese Betrachtung ist wichtig
für die grundsätzliche Wahl einer Topologie
und der Anbindung an die Switches
(oder andere Netzwerksegmente).
Im Beispiel von Bild 1 sieht man,
dass die Kameras (CAM 1, 2, 3, 4) die
meisten Daten in das Netz einspeisen,
einige Broadcast-Nachrichten von einem
zentralen Gateway versendet werden
und weiterer heterogener Datenverkehr
zwischen einer kleineren Anzahl
von ECUs ausgetauscht wird.
Schließlich können wir die Topologie
und die Link-Geschwindigkeiten berücksichtigen,
um von den Datenraten
auf echte Lasten zu kommen. Diese
Port-Last gibt die prozentuale Auslastung
an. Dies gilt für ECU-Ports ebenso
wie für Switch-Ports. Man bekommt
ein Gesamtbild über die Auslastung aller
Links im System, sieht die Hot-Spots
(besonders stark ausgelastete Links),
aber auch die Reserven für eventuelle
Funktionserweiterungen.
Ethernet Nachrichten-
Latenzen
Die Latenz-Metrik erfasst nun die
Timing-Güte aller Nachrichten bzw.
Datenströme im Detail. Die „Ende-zu-
Ende“-Latenz entspricht der Verzögerung
zwischen dem Senden einer Nachricht
und deren Empfang. Diese Latenz
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Bild 3: Histogramm-Darstellung der relativen Latenzen.
Bild 4: Relatives Latenzhistogramm.
beinhaltet alle Netzwerk-Verzögerungen
in den beteiligten Ethernet-Ports
und -Switches; daher der Name „Endezu-Ende“.
Diese Latenzen können unmittelbar
mit vorhandenen Vorgaben
(Deadlines) verglichen werden und liefern
konkrete Informationen zur
„Timing-Güte“ auf Funktionsebene.
Die sogenannte Relative Latenz (relative
latency) liefert dieselbe Information
in Relation zur jeweiligen Deadline
der Nachricht. So hat beispielsweise
eine Nachricht mit einer Latenz von
3 ms und einer Deadline von 100 ms
eine relative Latenz von 3%. Dieselbe
Nachricht hätte bei einer Deadline von
nur 5 ms eine relative Latenz von 60%
und wäre deutlich kritischer einzustufen.
Eine zweite vergleichende Darstellung
liefert der sogenannte Slack
(Schlupf), das ist die Differenz zwischen
Deadline und Latenz. Ein kleiner oder
sogar negativer Slack bedeutet, dass
die Nachricht Gefahr läuft, nicht rechtzeitig
übertragen zu werden.
Bild 2 zeigt die relativen Latenzen
für das Beispielsystem. Die relative Latenz
der markierten Nachricht ist größer
als 100% (1.0). Die Nachricht kann also
nicht zuverlässig übertragen werden.
Diese Darstellung gewinnt zunehmend
an Bedeutung, da sie auf einen Blick
zeigt, welche Nachrichten kritisch sind
und welche nicht. Noch kompakter ist
eine zusammenfassende Histogramm-
Darstellung (Bild 3). Diese zeigt zunächst
auf, ob und wie viele Nachrichten
kritische Latenzwerte aufweisen.
Optimierung
Während Last-Metriken nur einen groben
Überblick über das Systemverhalten
und die zeitlichen Reserven ermög-
lichen, liefern die Latenz-Metriken konkrete
Informationen zur Timing-Güte aller
Nachrichten. Damit lassen sich kritische
Nachrichten identifizieren, die ggf.
verändert werden müssen. Mit modellbasierten
Werkzeugen kann diese Information
schnell modelliert oder aus bestehenden
Konfigurationen (insbesondere
via AUTOSAR oder FIBEX) eingelesen
werden. Mehr noch, die Metriken
liefern konkrete Anhaltspunkte, mit welchen
Maßnahmen man die Latenzen
verbessern kann.
Aus den Beispieldaten lässt sich ablesen,
dass eine Nachricht Gefahr läuft
ihre Deadline zu verletzen. Eine angemessene
Maßnahme ist nun, die Latenz
der kritischen Nachricht zu optimieren.
Im vorliegenden Beispiel wurde
das Problem dadurch behoben, dass
der kritischen Nachricht eine höhere
Priorität nach 802.1q (VLAN) vergeben
wurde. Nun wird sie in den Switches
prioritisiert behandelt und durch die lokalen
Lasten nicht so stark beeinflusst.
Diese Optimierung wird im relativen Latenzhistogramm
sichtbar (Bild 4).
Zusammenfassung
Auch wenn Ethernet über eine scheinbar
unerschöpfliche Bandbreite verfügt,
ist eine dedizierte Timing-Bewertung
für Echtzeitdaten notwendig, um
Integrationsprobleme oder Konfigurationsfehler
zuverlässig aufzudecken und
zu vermeiden. Entsprechende Metriken
werden von modernen Echtzeit-Werkzeugen
unterstützt. So lassen sich modellbasiert
und schnell verschiedene
Szenarien evaluieren und Antworten
auf die eingangs formulierten Fragen
finden. Mittels der vorgestellten Metriken
ist eine belastbare Gegenüberstellung
verschiedener Protokolle, Netzwerk-Topologien
und Konfigurationen
genauso möglich wie das Fine-Tuning
der Echtzeit-Fähigkeit einzelner Nachrichten.
W (oe)
» www.symtavision.com
Dr. Simon Schliecker, Jonas Diemer,
Dr. Kai Richter
Symtavision GmbH.
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