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Weckemann, Kay (2014): Domänenübergreifende Anwendungskommunikation im IP-basierten Fahrzeugbordnetz. Dissertation, LMU München: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
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Abstract

In heutigen Premiumfahrzeugen kommunizieren bis zu 80 Steuergeräte über bis zu sechs verschiedene Vernetzungstechnologien. Dabei öffnet sich die Fahrzeugkommunikation nach außen: Das Fahrzeug kommuniziert auch mit dem Smartphone des Fahrers und dem Internet. Für die Kommunikation über verschiedene Anwendungsdomänen im Fahrzeug müssen heute Gateways eingesetzt werden, die zwischen den nicht-kompatiblen Protokollen übersetzen. Deswegen geht der Trend auch in der Fahrzeugkommunikation zum Internet Protocol (IP), das für technologie- und domänenübergreifende Kommunikation entwickelt wurde. Neben dem durchgängigen Protokoll auf der Vermittlungsschicht ist für die effiziente Entwicklung eines komplexen, verteilten Systems wie einem Fahrzeug auch eine entsprechende Kommunikationsmiddleware notwendig. Die Kommunikation in einem Fahrzeug stellt spezielle Anforderungen an die Kommunikationsmiddleware. Zum einen werden in Fahrzeugen unterschiedliche Kommunikationsparadigmen genutzt, beispielsweise signalbasierte und funktionsbasierte Kommunikation. Zum anderen können sich die Kommunikationspartner in einem Fahrzeug hinsichtlich ihrer Ressourcen und ihrer Komplexität erheblich unterscheiden. Keine existierende IP-basierte Kommunikationsmiddleware erfüllt die in der vorliegenden Arbeit identifizierten Anforderungen für den Einsatz im Fahrzeug. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Kommunikationsmiddleware zu konzipieren, die für den Einsatz im Fahrzeug geeignet ist. Die vorgestellte Lösung sieht mehrere interoperable Ausprägungen der Middleware vor, die den Konflikt zwischen unterschiedlichen funktionalen Anforderungen einerseits und den sehr heterogenen Kommunikationspartnern andererseits auflösen. Ein weiterer elementarer Teil der Lösung ist die Umsetzung der im Fahrzeug erforderlichen Kommunikationsparadigmen. Das funktionsbasierte Paradigma wird durch einfache Remote Procedure Calls implementiert. Das signalbasierte Paradigma wird durch ein darauf aufbauendes Notification-Konzept implementiert. Somit wird eine stärker am aktuellen Informationsbedarf orientierte Umsetzung ermöglicht, als dies im heutigen Fahrzeugbordnetz durch das einfache Verteilen von Daten der Fall ist. Es wird gezeigt, dass sich prinzipiell beide Kommunikationsparadigmen durch einen einzigen Mechanismus abbilden lassen, der abhängig von den beteiligten Ausprägungen mit dynamischen oder nur statischen Daten operiert. Ein skalierbares Marshalling berücksichtigt darüber hinaus die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen und die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der beteiligten Steuergeräte. Hiermit wird die Kommunikation zwischen allen Anwendungen im IP-basierten Fahrzeugbordnetz durchgängig ermöglicht. Auf dieser Basis wird die Lösung um wichtige Systemdienste erweitert. Diese Dienste implementieren Funktionen, die nur in der Kooperation mehrerer Komponenten erbracht werden können oder kapseln allgemeine Kommunikationsfunktionalität zur einfachen Wiederverwendung. Zwei für die Anwendung im Fahrzeug wichtige Systemdienste werden prototypisch dargestellt: Ein Service-Management ermöglicht die Verwaltung von Diensten in unterschiedlichen Zuständen, ein Security-Management bildet Security-Ziele auf die bestmögliche Kombination von implementierten Security-Protokollen der beteiligten Kommunikationspartner ab. Diese Systemdienste sind selbst skalierbar und lassen sich damit an das Konzept unterschiedlicher Ausprägungen der Kommunikationsmiddleware anpassen. Durch Leistungsmessungen an den im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Prototypen wird gezeigt, dass die konzipierte Kommunikationsmiddleware für den Einsatz auf eingebetteten Systemen im Fahrzeug geeignet ist. Der Versuchsaufbau orientiert sich an typischen Anwendungsfällen für die Fahrzeugkommunikation und verwendet Automotive-qualifizierte, eingebettete Rechenplattformen. Insbesondere wird nachgewiesen, dass mit dem beschriebenen Konzept auch leistungsschwache Steuergeräte ins System eingebunden werden können. Die IP-basierte Kommunikationsmiddleware ist damit auf allen relevanten Steuergeräten im Fahrzeug durchgängig einsetzbar.

Abstract

In today's premium cars, up to 80 electronic control units communicate over up to six networking technologies. Additionally, vehicle communication opens to off-board: the car connects to the driver's smartphone and the Internet. The communication between different application domains within the vehicle builds on additional hardware components as application layer gateways to translate between the incompatible protocols. Thus, also for in-car communication, the trend goes towards networking over the Internet Protocol (IP) that has been developed for being independent of technologies and application domains. Besides the universal protocol at the network layer, an efficient development of a complex distributed system requires communication middleware. In-car communication makes special demands on the communication middleware. On the one hand, a variety of communication paradigms are used for in-car communication, such as signal-based and function-based communication. On the other hand, the communication partners differ considerably in terms of computing resources and complexity of the hosted applications. No existing IP-based middleware fulfils the identified requirements for in-car communication. The objective of this research is to design a middleware that is suitable for IP-based in-car communication. The presented solution provides multiple interoperable specifications of the middleware which resolves the conflict between different functional requirements on the one hand and the very heterogeneous communication partners on the other hand. Another fundamental part of the solution is the implementation of required communication paradigms. The function-based paradigm is implemented by simple remote procedure calls. The signal-based paradigm is implemented by a notification concept that allows for a more demand-oriented communication compared to today's practice. It is shown, how both communication paradigms can be implemented through a single mechanism that operates on dynamic or static data -- depending on the involved middleware specifications. A scalable marshalling considers the different requirements and performance levels of the participating electronic control units. Scalable specifications of the communication middleware enable seamless operations on restricted embedded and more powerful platforms. On this basis, the solution is enhanced with important system services. Such services implement functionality that can only be provided in cooperation of multiple components or that encapsulate general communication functionality for easy reuse. Two essential services are prototyped: a service management allows the management of services in different operational states. A security management matches security objectives in the best possible combination of implemented security protocols that two given communication partners have in common. These system services are designed to be scalable and can therefore be adapted to the concept of different specifications of the communication middleware. Performance measurements using the implemented prototypes show that the designed communication middleware is suitable for the application on embedded systems in the vehicle. The experimental set-up is based on typical use cases for in-car communication and uses automotive-qualified, embedded computing platforms. In particular, the set-up practically demonstrates that the concept also incorporates low-performance electronic control units into the system. The IP-based communication middleware enables communication between all applications in the IP-based in-car communication system.