[論文レビュー] A Simulation Environment and preliminary evaluation for Automotive CAN-Ethernet AVB Networks

Keigo Kawahara, Y. Matsubara+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2014

Network Time Synchronization Technologies参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、CAN-Ethernet AVBネットワークを対象としたOMNeT++ベースのシミュレーション環境を提示しており、AVBキュー内のCANメッセージを優先するスケジューリングアルゴリズムを備えたCAN-Ethernet AVBゲートウェイモデルを特徴としている。主な結果として、AVBの帯域幅保証メカニズムにより、CANメッセージの遅延が最小限かつ上限付きで抑えられ、高トラフィック状況下でもベストエフォートキューを上回る性能を示している。

ABSTRACT

Ethernet is being considered as the backbone network protocol for next-generation automotive control networks. In such networks, Controller Area Network (CAN) messages related to automotive control can be sent from a CAN network to other sub-networks via the backbone Ethernet bus and, if the CAN messages have real-time constraints, these have to be guaranteed. This paper presents a simulation environment for CAN--Ethernet Audio Video Bridging (AVB) mixed networks based on OMNeT++. We use Ethernet AVB, which can guarantee network bandwidth, to improve the real-time property of CAN messages through the backbone Ethernet bus. To simulate the networks, we also developed a CAN--Ethernet AVB gateway (GW) model. To verify the efficacy of our model, we measured the latency of CAN messages sent from a CAN bus to an Ethernet AVB node via the backbone Ethernet AVB bus in both bandwidth-guaranteed and best-effort queue scenarios. The results indicate that the latency of Ethernet AVB frames containing CAN messages is minimized and limited by the bandwidth-guaranteed mechanism of Ethernet AVB.

研究の動機と目的

• CANとイーサネットAVBプロトコルを統合することで、リアルタイム性と高帯域幅を備えた自動車用ネットワークの増大するニーズに対応すること。
• 混合CAN-Ethernet AVBネットワークのリアルタイム性能を評価するためのシミュレーション環境を開発すること。
• 時間的に重要なCANメッセージを優先するスケジューリングアルゴリズムを備えたCAN-Ethernet AVBゲートウェイモデルを設計および実装すること。
• 保証帯域幅（AVB）キューイングとベストエフォートキューイングの両状況下でのCANメッセージの遅延性能を評価すること。
• AVBの帯域幅保証メカニズムがCANメッセージの遅延を最小限に抑え、上限付きにすることの有効性を実証すること。

提案手法

• CoRE4INETから提供されるイーサネットAVBスイッチおよびノードのオープンソースモデルを統合し、OMNeT++とINETフレームワークを用いてシミュレーション環境を構築した。
• CANメッセージをFIFO順にキューイングし、定期的にイーサネットフレームにパッケージングするCAN–イーサネットAVBゲートウェイモデルを実装した。
• イーサネットAVBフレームにCANメッセージを含むものはAVBキューにルーティングする一方、非CANのイーサネットフレームはベストエフォートキュー経由で送信するスケジューリングアルゴリズムを設計した。
• イーサネットAVBのトラフィックシェーピングおよび優先度ベースキューイングを活用し、時間的に重要なCANメッセージの帯域幅保証を確保した。
• 1-Mbps CANバス、100-MbpsイーサネットAVBバックボーン、AVB対応スイッチおよびノードを備えたプロトタイプネットワークをシミュレートした。
• 通常およびジャミング状態のネットワーク条件下で、CAN送信者からイーサネットAVBリスナに至るまでのCANメッセージのエンドツーエンド遅延を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OMNeT++を用いて、混合CAN-Ethernet AVB自動車ネットワークのシミュレーション環境を効果的に構築できるか？
• RQ2 AVBキューイングとベストエフォートキューイングの両状況下で、CANメッセージの遅延はどのように変化するか？
• RQ3 AVBの帯域幅保証メカニズムは、混合ネットワーク内でのCANメッセージの遅延をどの程度最小化し、上限付きにできるか？
• RQ4 ジャミングフレームによる高トラフィック状態では、ベストエフォートキューとAVBキューの両状況下でCANメッセージの遅延にどのような影響が生じるか？
• RQ5 CAN-Ethernet AVBゲートウェイモデルは、知的なキューイングによりCANメッセージのリアルタイム制約を効果的に強制できるか？

主な発見

• イーサネットAVBの帯域幅保証メカニズムにより、AVBキュー経由で送信されたCANメッセージの遅延は最小限かつ上限付きに抑えられる。
• これに対して、ベストエフォートキューにキューイングされたCANメッセージは、特にジャミングフレームによるネットワーク混雑状態で著しく高く、変動する遅延を示す。
• 提案されたスケジューリングアルゴリズムにより、CANメッセージがAVBキューに明確に分離され、予測可能で低遅延の送信が保証された。
• 通常状態では、AVBキュー経由のCANメッセージは一貫して低遅延であり、最小限のジターデータを示し、優先度ベースキューイング戦略の有効性が確認された。
• 1.47 KBのジャミングフレームが1～25 μsごとに送信される状況下でも、ベストエフォートキューのCANメッセージは深刻な遅延を受ける一方、AVBキューのメッセージは安定かつ上限付きの遅延を維持した。
• シミュレーション結果から、AVBのトラフィックシェーピングおよび優先度キューイングが、混合自動車ネットワーク内でのCANメッセージのリアルタイム性能を維持するために不可欠であることが確認された。