[论文解读] Extending OMNeT++ Towards a Platform for the Design of Future In-Vehicle Network Architectures

Till Steinbach, Philipp Meyer+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2016

Network Time Synchronization Technologies参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文将OMNeT++扩展为一个全面的仿真平台，用于未来车载网络架构的仿真，引入了一种领域特定语言（ANDL），用于快速配置仿真场景，提供了实时以太网、CAN和FlexRay的开源仿真模型，以及集成的分析工具。该框架支持异构网络的系统级评估，表明实时以太网可实现与传统基于CAN的系统相当的延迟和抖动性能，同时提供显著的带宽余量。

ABSTRACT

In-vehicle communication technologies are evolving. While today's cars are equipped with fieldbusses to interconnect the various electronic control units, next generation vehicles have timing and bandwidth requirements that exceed the capacities. In particular Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) and automated driving using high bandwidth sensors such as cameras, LIDAR or radar will challenge the in-car network. Automotive Ethernet is the most promising candidate to solve the upcoming challenges. But to design and evaluate new protocols, concepts, and architectures suitable analysis tools are required. Especially in the interim period with architectures using automotive Ethernet and legacy fieldbusses together, careful planning and design is of vital importance. Simulation can provide a good understanding of the expectable network metrics in an early development phase. This paper contributes a workflow as well as the required toolchain to evaluate new real-time Ethernet communication architectures using event based simulation in OMNeT++. We introduce a domain specific language (DSL) - the Abstract Network Description Language (ANDL) - to describe and configure the simulation and present the required simulation models for real-time Ethernet and fieldbus technologies such as CAN and FlexRay. We further introduce new analysis tools for special in-vehicle network use-cases and the interaction of the simulation with third-party applications established in the automotive domain.

研究动机与目标

• 为应对日益增长的需求，即对结合传统现场总线（CAN、FlexRay）和新兴实时以太网技术的异构车载网络进行系统级仿真。
• 支持在复杂汽车网络拓扑中，对协议设计、流量整形策略和网关行为进行早期评估。
• 通过领域特定语言（ANDL）降低大规模车载网络仿真配置的复杂性。
• 提供开源仿真模型和集成分析工具，用于评估端到端延迟、抖动和带宽利用率等网络指标。
• 通过标准化输出格式和数据库集成，支持与第三方汽车工具的互操作性。

提出的方法

• 作者开发了CoRE4INET模型套件，作为INET框架的扩展，提供实时以太网协议和时钟同步的开源仿真模型。
• 他们创建了FiCo4OMNeT套件，用于实现传统现场总线技术（包括CAN和FlexRay）的仿真模型。
• SignalsAndGateways模型套件支持实时以太网与现场总线网络之间的互连，实现网关行为建模。
• 引入了一种领域特定语言（ANDL），用于描述网络拓扑、节点配置以及消息到流量类别的映射，实现仿真配置的自动化。
• 开发了定制的OMNeT++插件和ResultManagers，用于分析仿真结果，支持PCAPng、向量文件以及抖动和延迟等自定义指标。
• 该工具链通过标准化输出格式和仿真结果的数据库存储，与第三方汽车工具实现集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何建立一个统一的仿真环境，以评估结合实时以太网和传统现场总线的混合车载网络架构？
• RQ2 OMNeT++在多大程度上可以通过领域特定的建模与分析能力扩展，以支持车载网络研究？
• RQ3 使用领域特定语言（ANDL）在简化复杂车载网络仿真配置方面的有效性如何？
• RQ4 在端到端延迟和抖动方面，与基于传统CAN的架构相比，实时以太网骨干网络存在哪些性能权衡？
• RQ5 如何有效分析仿真结果，并与第三方汽车工具共享，以支持系统级验证？

主要发现

• 在RECBAR原型仿真中，实时以太网骨干网络实现了与传统基于CAN的架构相当的端到端延迟和抖动性能，尽管其带宽需求显著更高。
• 仿真结果揭示了实时以太网解决方案中存在大量带宽冗余，可支持未来高带宽应用，如高清摄像头和LIDAR。
• ANDL的使用显著减少了大规模车载网络仿真配置的时间和复杂度，实现了网络拓扑和流量映射的快速原型设计。
• 集成的分析工具（包括GCTA插件和自定义ResultManagers）能够对异构网络中消息转发链路的抖动和延迟进行详细追踪。
• 由于内置了数千个测量点，仿真相比实际测试能实现更快、更透明的配置问题调试。
• 开源仿真模型和插件已成功部署于真实世界的研究项目中，包括对配备实时以太网骨干的全尺寸大众高尔夫7原型的仿真。