[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种基于OMNeT++的汽车CAN-Ethernet AVB网络仿真环境，包含一种CAN-Ethernet AVB网关模型，其调度算法优先处理AVB队列中的CAN消息。主要结果表明，在AVB的带宽保障机制下，CAN消息的延迟被最小化且具有上界，优于高负载场景下的尽力而为队列机制。

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.

研究动机与目标

• 为应对日益增长的对实时、高带宽汽车网络的需求，通过集成CAN与以太网AVB协议来实现。
• 开发一种混合CAN-Ethernet AVB网络的仿真环境，以评估实时性能。
• 设计并实现一种CAN-Ethernet AVB网关模型，其调度算法优先处理时间关键的CAN消息。
• 评估在带宽保障（AVB）和尽力而为队列场景下CAN消息的延迟性能。
• 证明AVB的带宽保障机制在最小化并限制CAN消息延迟方面的有效性。

提出的方法

• 使用OMNeT++和INET框架构建仿真环境，集成CoRE4INET项目中的开源以太网AVB交换机与节点模型。
• 实现一种CAN-以太网AVB网关模型，将CAN消息按FIFO顺序排队，并定期打包为以太网帧。
• 设计一种调度算法，将包含CAN消息的以太网AVB帧路由至AVB队列，而非CAN的以太网帧则通过尽力而为队列发送。
• 利用以太网AVB的流量整形和基于优先级的队列机制，确保时间关键的CAN消息获得带宽保障。
• 仿真了一个包含1-Mbps CAN总线、100-Mbps以太网AVB主干、AVB功能交换机与节点的原型网络。
• 测量在正常和网络干扰条件下，从CAN发送端到以太网AVB接收端的CAN消息端到端延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用OMNeT++有效构建混合CAN-Ethernet AVB汽车网络的仿真环境？
• RQ2 当通过AVB队列与尽力而为队列的以太网帧传输时，CAN消息的延迟如何变化？
• RQ3 在混合网络中，AVB的带宽保障机制在多大程度上能限制并最小化CAN消息延迟？
• RQ4 在高负载条件（如干扰帧）下，CAN消息在尽力而为队列与AVB队列中的延迟表现如何？
• RQ5 CAN-Ethernet AVB网关模型能否通过智能队列机制有效强制实现CAN消息的实时约束？

主要发现

• 由于以太网AVB的带宽保障机制，通过AVB队列传输的CAN消息延迟被最小化且具有上界。
• 相比之下，通过尽力而为队列传输的CAN消息表现出显著更高且不稳定的延迟，尤其在干扰帧导致网络拥塞时更为明显。
• 所提出的调度算法成功将CAN消息隔离在AVB队列中，确保了可预测且低延迟的传输。
• 在正常条件下，AVB队列中的CAN消息表现出持续低延迟，抖动极小，证实了基于优先级队列策略的有效性。
• 在每1–25 μs传输1.47 KB干扰帧的条件下，尽力而为队列中的CAN消息遭受严重延迟，而AVB队列中的消息保持稳定且延迟有界。
• 仿真结果证实，AVB的流量整形与优先级队列机制对于在混合汽车网络中维持CAN消息的实时性能至关重要。