车载FlexRay网络调度算法综述*

魏叶华， 颜碧云

(1.湖南师范大学 物理与信息科学学院，湖南 长沙 410081；

2.国防科学技术大学 计算机学院，湖南 长沙 410073)

0 引 言

FlexRay 作为下一代车载总线标准将引导整个汽车电子产品结构的走向，具有高吞吐量、确定性、容错性三大属性。它具有高的数据传输速率，能够满足汽车安全性和可靠性的需求，同时满足分布式控制系统的通信要求，是对 CAN,LIN 和 MOST 等主要车用总线技术标准的有效补充[1]。

FlexRay是一种时间触发类型的网络技术，通信时间被划分为一个个等长的通信周期。通信周期内同时融合了时分多路复用(TDMA)和灵活的时分多路复用(FTDMA)2种通信方式，分别用于其静态段和动态段的消息传输。而静态段被进一步划分为多个等长的时隙，时隙被唯一分配给电子控制单元(ECU)，ECU仅在所分配的时隙到来时才能进行消息传递，因此,利用静态段进行传递的消息具有较高的时间确定性[2]。动态段能够同时支持时间触发和事件触发方式，改善了TDMA在灵活性方面的弊端，增强了网络的灵活性。

虽然FlexRay的时间触发特性使得其在时间确定性和可靠性方面具有良好优势，但是其时间触发特性同时要求网络的配置参数如通信周期长度、静态段长度、静态段时隙长度和时隙分配等在设计时就静态配置好，将造成其设计在灵活性和可扩展性方面存在不足。而动态段融入了事件触发的灵活性的同时也增加了调度的复杂性。在实际应用中CAN/FlexRay混合网络的使用过程中，网关之间的数据转换和任务调度问题也是一大问题。综上所述，静态段和动态段以及混合网络中网关的任务调度问题将是FlexRay在新一代汽车电子系统中进行应用时面临的主要难题。

1 FlexRay研究现状

经过十多年的发展，国外在FlexRay总线上的投入、研究及应用已初具规模，在欧洲FlexRay已步入到应用领域，而其他国家也处于研发阶段。当前，国内对 FlexRay研究还不够深入，在国内实际涉及到复杂的关键性的网络协议设计的技术还都不够成熟。在未来的十年时间里，随着FlexRay网络成本的降低和技术的普及，有望在公共汽车和高端轿车里使用FlexRay总线，实现更多的安全控制模块。未来车身控制系统中将以混合网络的模式存在，直到FlexRay覆盖到所有汽车类型中并取代低速网络。

在 FlexRay 网络的理论研究方面，国内外汽车公司和科研单位的研究热点集中在网络的延迟特性分析和静态段的调度算法设计方面。目前已有学者发表了一些解读FlexRay协议规范和有关FlexRay时间触发特性的论文，也有通过通过搭建FlexRay实际通信系统并通过实验数据分析其通信性能的文章[3～5]。文献[6～8]讨论了不同的网络拓扑配置，比较了各种网络拓扑结构的优缺点,并进行了优化,提出的优化拓扑结构可以很大程度地提高系统的速度和稳定性,而且能够降低使用成本。文献[9～11]讨论了网络中的时钟同步问题，并提出了时钟同步算法，且通过分析和实验证明了具有一定的实际应用意义。在调度算法方面，总的来说大多数学者研究 FlexRay 的静态段和动态段调度算法的优化的带宽优化，只有少数学者研究网络的安全性和可靠性，同时很多研究也忽略了系统的可扩展性和通信实时性等关键因素。当前对 CAN/FlexRay 网关架构与实现方面的研究也不在少数，但许多文献侧重于硬件设计，对于网关内部的算法和网关内部的信号映射机制等方面的研究还不够深入。因此,分析并总结当前研究现状，指出未来可能的研究方向，对加快FlexRay网络普及应用的进程具有重要意义。

2 FlexRay调度算法

对于FlexRay网络通信系统，调度算法对网络性能的好坏起着至关重要的作用。而 FlexRay 网络的利用率与消息的传输周期、帧长度和帧数目有关，由消息传输周期中静态时隙和动态段最小时隙决定。因此,首先给出FlexRay相关基础知识，然后分静态段调度算法、动态段调度算法和CAN/FlexRay网关消息调度等3个方面对当前FlexRay网络的研究进行一步的分析和总结。

2.1 FlexRay通信体系结构

2.1.1 通信节点体系结构

图1描述了 FlexRay网络中的通信节点的体系结构，其中总线驱动器主要负责物理通信信道的访问操作，如，接收通信控制器发送过来的数据并将其放到物理通信信道上进行传输、向主处理器提供错误信息等。总线监控器主要负责对通信控制器的数据发送过程进行监测。如果在通信控制器中设定了与数据传输相关的时间表，那么总线监控器还会就总线驱动对物理通信信道的访问进行监测。当发生不符合静态设置的数据发送传输请求时，将向总线驱动器发送命令信息以停止相关数据的传输，这种机制使得 FlexRay 网络的可靠性得到了很大地提升。

图1 FlexRay节点通信体系结构

2.1.2 FlexRay通信周期

FlexRay的一个通信周期分为静态段、动态段、符号窗和网络空闲时间，如图2所示。静态段和动态段是用于传输消息的时间窗，而符号窗和网络空闲时间主要是提供传输内部控制信息和协议相关计算的时间[12]。FlexRay提供了2种不同的媒质访问机制:静态段的TDMA机制和动态段的FTDMA访问机制。其中,静态段被分成若干个大小相等的静态时隙，用来发送时间触发型的消息;而动态段则是包含若干个大小不等的动态时隙，用来发送事件触发型的消息。周期的静态段是由若干个大小相等的静态时槽组成，静态时隙的大小由最长的静态消息决定，且无论有无静态消息需要传送，这些时隙的总数在周期的静态部分里都是不变的。动态段的长度是由其所包含的小时槽的数目决定的。

图2 FlexRay通信周期

2.1.3 FlexRay帧结构

在设计基于FlexRay的通信系统时，用户必须作出一系列决定，这会影响效率、可靠性、安全性。因此，除了选择正确的拓扑结构外，还需要定义大量参数，其中的参数之一就是帧的大小。一个 FlexRay数据帧由帧头、负载段和帧尾3个部分组成，格式如图3所示，发送顺序为由左向右。与CAN网络的事件触发协议不同的是，FlexRay使用时间触发协议来转移帧，FlexRay的时间触发模式可以确保数据按照事先确定的时间表进行传输。

图3 FlexRay的数据帧格式

2.2 静态段调度算法

FlexRay 的静态段是用于确定的周期性数据通信，在FlexRay通信周期静态段内传输的任务就是周期性地在不同节点之间交换数据信息。静态消息的调度算法就是寻找到第一个可以用于消息传输的时隙和静态数据帧的最佳编码方法并能够最大化静态段的带宽利用率。而静态消息帧长度和时隙长度的分配对网络利用率的影响最大，从而也成为了影响整体 FlexRay 网络性能的主要因素。

2.2.1 帧长度优化

由于 FlexRay 总线静态段数据帧长度相等，而在实际应用过程中，在静态段传输的消息长度却不一定相同，这就为 FlexRay 帧长度的优化提供了可能，寻找一个合适的数据帧长度就成为了研究的重点。

近几年来，有学者提出了一种将较长的静态段消息分割成一定长度的消息进行发送的方法[13～15]。文献[13]提出了一种将较长的静态段消息分割成一定长度的消息进行发送的方法，虽然保证了消息的发送时间，但是没有考虑分割后的消息在封装过程中产生的额外负载和帧 ID 个数的增多对网络的影响。韩强等人[15]提出了将静态段长消息分割成若干短消息以降低FlexRay总线负载率的方法，以在保留消息发送的时间确定性优点条件下，降低 FlexRay总线负载率。后来Kang M等人[16]提出了一个允许将不同周期的信号封装成一个消息帧的帧封装算法，能够大大减少静态段的带宽消耗。文献[17]对 FlexRay静态帧净荷段的长度进行了优化，提出了一个 FlexRay总线网络时间参数的优化模型。 然而，该模型需要通过数值计算的方法才能够得到最优ST长度的。文献[18]通过将其中的非线性算符简化为线性算符，导出了最优静态帧净荷段长度的解析表达式。数值实验验证了解析表达式的正确性，并证明了所得的解析公式能够适用于大多数的应用场合。

2.2.2 时隙分配问题优化

消息时隙分配问题是FlexRay汽车网络设计的关键问题之一。为实现 FlexRay总线带宽利用率最大化，有些研究者提出了将静态段长数据帧分配到动态段的调度方法来减少总线网络的负载率[19～22]，但是将静态段的消息分配到动态段将使得消息发送的时间带有不确定性，从而造成抖动，影响整个通信系统的性能。Grenier M等人[23]提出了一种最佳时隙优先的启发式消息调度算法，在考虑信号满足最终时限要求的前提下，通过减少消息的过度采样来实现时隙使用个数的最小化和网络带宽利用率的优化。文献[24]就消息的时隙分配问题进行了研究，提出了一个基于混合整数线性规划的算法框架对时隙使用个数和消息的抖动进行联合优化。Schmidt K等人[20]提出将消息调度问题划分为信号打包和消息时隙分配2个子问题，并采用整数线性规划方法对其进行建模和求解，分别以最大化网络带宽利用率和最小化时隙使用个数为优化目标。Jang K等人[25]将静态段消息调度问题划分为信号打包和时隙分配2个子问题，并分别以静态段时隙长度和通信周期长度的优化配置作为目标。文献[26]充分考虑到之前研究的不足，并在现有优化模型的基础上基于静态段带宽利用率对消息分割进行进一步的研究，通过改变静态时隙的长度，得出时隙长度、帧ID个数与最佳带宽利用率的关系，大大提升了静态段的带宽利用率。然而以上研究都只对网络进行单独设计，而未从系统级的角度对计算系统和网络进行集成化设计，没有考虑时隙分配可能造成的影响。

综上所述，现如今FlexRay 静态段消息调度的相关研究中，未就时隙分配给系统性能造成的影响进行充分考虑；在可扩展性优化方面，优化目标太过笼统，仅局限于时隙使用个数的最小化而未就信号长度增长等提出的可扩展性需求进行具体分析和考虑。

2.3 动态段调度算法

FlexRay通信周期的动态段消息传输是基于事件触发的，动态段的消息调度是基于最小时间片的优先级优先的原则，对时间要求比较苛刻，消息的调度也比较灵活。FlexRay周期静态段调度算法就是为实现对静态消息的调度，并能有效利用静态带宽，不过它不能处理FlexRay周期内的动态消息，所以,不能保证整个FlexRay网络的较高利用率。因此,动态段调度算法的优化就变得十分必要，FlexRay动态段算法的优化主要集中在2个方面：减少消息响应和传输时间以及提高动态段带宽利用率。

2.3.1 消息响应和传输时间优化

基于FTDMA方式的FlexRay动态段的媒体访问机制在保证确定性通信的基础上融入了事件触发的灵活性,但这也使调度过程变得复杂。尽管FlexRay是下一代汽车电子总线的标准，但现在消息的传输延迟和响应时间问题依然没有得到解决，而这对整个通信网络的实时性有着重要的影响，因此,关于减少消息响应和传输时间的方法得到了不少的关注。文献[27]提出了一个考虑动态段不同长度但却享有相同的帧标识符的消息传输概率延迟模型，并以空时隙分布作为性能指标分析了帧延迟概率。文献[28]提出了一种在动态段使用的名为递归资格的调度方法。该方法是基于多槽分配，采用总线可访问性的索引来决定每个节点的优先级，这样动态段就能够用来有效地传输消息。Schmidt E G等人[29]对FlexRay周期中动态段内消息的传输特性进行了详细的分析，并提出通过构建消息组对动态消息进行调度的方法，并通过实验证明该方法能够最小化动态段的传输时间。然而上述研究都忽略了消息响应时间的不确定性而可能产生的时间抖动，也没有考虑抖动可能导致整个系统时钟不同步的问题。

2.3.2 带宽利用率优化

为了提高动态段带宽利用率，夏凤仙[30]在分析和比较了几种典型的 FlexRay车载网络调度算法的基础上，运用保留带宽的思想，为实现算法思想，以最大周期负载和最小带宽保留为优化目标，建立数学模型，寻求最优方案。改进后的算法在数学理论上可以减轻通信系统 MCU的计算负荷，从而能够提高FlexRay网络通信的效率。

文献[31]采用基于动态规划的优化调度算法,通过多阶段决策，使系统中所有DYN报文的整体最坏响应时间达到最小值,从而提高FlexRay动态段的带宽利用率。该算法充分发挥了柔性时分多址的特点,在汽车电子领域和对实时性可靠性有很高要求的检测控制领域中的应用具有一定的优势。为了减少FlexRay通信周期内动态段的带宽消耗，文献[32]提出了一个允许将不同周期的信号封装成一个消息帧的帧封装算法，并通过实验验证了算法的有效性。

文献[33]在基于最小时间片的FlexRay动态段研究的基础上进行系统建模，对动态段时长进行优化配置，并提出以最大网络利用率为基础的动态消息调度算法。在保证动态段时长设计合理且消息可调度的情况下，该算法能够减少消息延时，提高网络利用率。上述研究以提高动态段带宽利用率为目的展开了一些工作，但大都没有对整个系统的网络利用率加以考虑，在以后的研究中应把综合考虑静态段和动态段带宽利用率，以提高整个网络的利用率为目标。

2.4 CAN/FlexRay网关消息调度

在混合网络中，不同总线之间的信息交互需要网关来实现。随着FlexRay总线在汽车动力等安全关键实时系统中的应用,车内FlexRay与CAN网络之间的信息交互成为迫切需要解决的问题。文献[34～38]提出了几种CAN/FlexRay的网关模型，在硬件上进行了实现，并验证了网关的可靠性。合适的数据帧转换方法和调度算法可以降低数据在网关的延迟时间，同时可以保证实时数据的传送实时性，这也直接影响到网关性能和整个车身网络性能的好坏。

文献[39]提出了用于组装 CAN/FlexRay 网关的消息的2种方法, 一种是面向优化总线带宽利用率的方法，由于信号值的是随机的，当信号值不变时，该信号可以不传输，如果某个消息中所有信号都不传输时，该消息也可以不传输，可以减少总线带宽总量的需求；另一种是面向提高消息中的信号比特位利用率的方法，这种方法把单个周期较小的信号组装到多个周期较大的消息中，从而避免了周期较大的信号被组装到周期较小的消息中，提高了信号比特位的利用率。

文献[40]讨论了CAN/FlexRay网关数据转发方法，在对FlexRay和CAN网络特性的分析下，运用队列调度管理的知识设计了基于CAN/FlexRay网关的多队列消息处理方法。文献[41]为了保证数据转换的连续性，在队列内部，尤其是在处理数据转换时在使用 EDF算法的同时，避免因为后到达报文截至时间短而打断之前的报文。在这里加入在每一帧 FlexRay 报文转换的所有 CAN 报文加入一个时间戳，为队列分配一个标志位，在转发此报文时置位该标志位，待完全转发之后取消该标志位，有效地提高了数据转发的效率。

文献[42]提出了一种基于多队列混合调度的CAN/FlexRay网关数据帧转发方法，可以有效地降低系统的服务时间和服务强度以及保证网关内消息的实时性与公平性。对于消息调度,采用多队列混合优先级调度。在队列内部采用EDF算法,队列之间采用改进加权轮转调度算法。后来文献[43]在对FlexRay和CAN协议研究基础上, 对网关内部调度算法进行了分析和改进, 提出了等差分区的EDF算法和多阈值的加权轮转调度算法, 即每个队列的权值是根据某一时刻该队列消息所占比例动态修改，并通过理论推导和仿真方法对结论进行了验证。

然而,总体来说大多数对车载网关的研究还是偏重于硬件实现，对网关内部数据调度、数据转换、容错能力以及故障恢复处理系统进行研究还不多，通常受到特定的硬件限制，网关内所采用的数据转发方法和数据调度以及错误处理等操作都会直接影响到网关的性能。

3 结束语

目前，在提高总线带宽利用率、优化调度等相关方面开展了一些研究工作，在一定程度上加快了FlexRay总线应用的进程。然而，当前研究仍存在很多不足，除了上述工作之外，未来仍然有些问题值得进一步关注:

1)FlexRay静态段消息调度的研究中，静态段时隙分配是静态段消息调度中的关键问题，同时决定着任务和消息之间的同步关系，而现有研究未就时隙分配给系统性能造成的影响进行充分考虑，忽略了传输过程中可能会出现的错误，在以后的研究中需要进一步提高通信的可靠性和实时性。

2)在动态段的研究中，应该同时考虑消息传输和响应时间的不确定性对网络的实时性造成的影响。网络利用率由静态段和动态段的带宽利用率共同决定，但绝大多数研究都只是单独地研究静态段或动态段，所以，应该同时考虑静态段和动态段的带宽利用率，加强整个网络利用率的相关研究。

3)现如今大多数研究对车载CAN/FlexRay网关的研究偏重于网关模型的搭建和硬件的实现，在对网关内部数据调度、数据转换、数据存储方法以及故障恢复处理系统的为数不多。如何就混合网络进行有效集成，以保障系统的安全可靠运行和高效实现是现在迫切需要解决的关键问题。

4)如何对网络中传输的数据的安全性和可靠性进行进一步分析并提出相应的措施来保障消息传递的安全性和可靠性以满足不同级别的可靠性概率要求是新一代汽车电子系统研究中正热门的重要问题。

5)如何就FlexRay消息调度的可扩展性进行优化来容忍各种不确定性因素和提高功能部件的可重用性和可定制性，从而减少可能造成的重验证和重测试、甚至于重设计方面的风险和因此带来的系统设计成本增长将是FlexRay在汽车电子系统中进行广泛应用所需要解决的另一个难题。

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