車載網絡管理的重要作用是協調網絡中的節點同步進入睡眠狀態。此外，車載網絡管理還應具備網絡監測和診斷、網絡配置管理的作用。

　　FlexRay總線協議是FlexRay聯盟（FlexRay Consortium）制定的適用于汽車高速網絡的新一代車載總線，具備高傳輸速率、硬實時、安全性和靈活性的特點。FlexRay聯盟目前只規定了物理層協議和數據鏈路層協議，沒有制定網絡管理方面的標準。

　　FlexRay總線協議特性分析

　?。?）通信機制確定性

　　FlexRay總線采用周期通信的方式，一個通信周期（Communication Cycle）可以劃分為靜態部分、動態部分、特征窗（SW， Symbol Window）和網絡空閑時間（NIT， Network Idle Time）4個部分（圖1）。靜態部分和動態部分用來傳輸總線數據，即FlexRay報文。特征窗用來發送喚醒特征符（WUS， Wake Up Symbol）和媒介訪問檢測特征符（MTS， Media Access Test Symbol）。網絡空閑時間用來實現分布式的時鐘同步和節點參數的初始化。FlexRay總線所有節點的通信周期必須保持同步。

　　圖1：FlexRay通信周期示例。

　　FlexRay節點如果通過發送網絡管理協議數據單元（NMPDU，Network Management Protocol Data Unit）進行網絡管理，NMPDU可以在靜態部分或動態部分周期性傳輸。而NMPDU發送的允許或禁止由節點網絡管理狀態決定，因此所有FlexRay節點的網絡管理狀態轉換必須在通信周期的間隔處執行。然而，FlexRay總線的通信周期為全局時間，在總線運行過程中會根據部分節點的時間進行實時調整，所以網絡管理狀態轉換不能以內部定時器的方式實現，必須使用計數器的方式配合總線通信周期實現，才能滿足所有節點同步轉換的要求。

　?。?）通信調度靈活性

　　FlexRay總線在一個通信周期采用了兩種接入時序：靜態部分采用時分多址（TDMA， Time Division Multiple Access）的接入時序，動態部分采用柔性時分多址（FTDMA， Flexible TDMA）的接入時序。（圖1）靜態部分將通信時間劃分為多個等時長的靜態時隙（Static Slot），不同幀ID的靜態幀在相應ID的時隙內發送，實現了報文發送的確定性。動態部分將通信時間劃分為多個等時長的微時隙（Mini Slot），不同幀ID的動態幀在相應ID的動態時隙（Dynamic Slot）內發送。一個動態時隙可以占用一個或多個微時隙，動態幀的發送時間并不確定，根據動態部分的負載情況可能延后發送，甚至延后到下一周期。在雙信道傳輸時，兩個信道的動態幀的傳輸時間也可能不同。動態幀的使用有效地提高了總線的實際帶寬，適用于發送對實時性要求不高的事件型報文，例如診斷報文、標定報文。

　　FlexRay總線的NMPDU需要根據靜態幀和動態幀的特點，選擇合適的發送方式。靜態幀能夠實現嚴格的周期性發送，但是靜態幀的資源受限——出于安全性的考慮，同一ID的靜態時隙只能分配給一個節點。所以，使用靜態幀發送NMPDU需要考慮網絡的資源情況。而同一ID的動態時隙可以分配給多個節點，以提高總線的利用率，但是動態幀要考慮總線實際負載情況造成的發送延時。

　　（3）應用層硬件支持

　　FlexRay總線協議的數據幀包含起始段（Header Segment）、凈荷段（Payload Segment）和結束段（Trailer Segment）（圖2）。起始段中的凈荷段指示位（Payload Preamble Indicator）指出在凈荷段開頭是否包含可選變量。如果是靜態幀，此位置1時表示凈荷段首先發送網絡管理向量（NM Vector），長度為0-12字節（所有節點NM Vector長度相同）；如果是動態幀，此位置1時表示凈荷段首先發送消息標識符（Message ID），長度為2字節。

　　圖2：FlexRay數據幀結構。

　　FlexRay協議規定了凈荷段可選變量由數據鏈路層實現自動寫入和讀取的服務，由FlexRay通信控制器芯片實現該功能，以簡化軟件并提高讀取速率。如果使用靜態幀的NM Vector發送NMPDU，接收節點可以通過讀取NM Vector寄存器，快速識別多個節點的網絡請求，從而有效提高信息的更新速率。

　　FlexRay總線網絡管理需求

　　車載網絡管理的重要作用是協調網絡中的節點同步進入睡眠狀態，適合FlexRay總線的網絡管理除了要求實現網絡管理的功能外，還需要：

　?。?）采用分布式網絡管理方式。

　　FlexRay總線協議適用于分布式控制網絡，在通信調度表的實現和時鐘同步方面均采用了分布式的控制方式，即網絡中不存在Master或Slave節點。因此FlexRay總線也須采用分布式的網絡管理機制，即每個總線節點獨立的執行其網絡管理行為，狀態轉換基于自身的網絡請求條件和接收的NMPDU。

　　（2）通過周期性報文發送NMPDU

　　由于FlexRay總線采用確定性通信方式，網絡節點的所有報文需要按照通信調度發送和接收。任何通信調度表設計之外的報文均有可能占用分配給其它節點的總線時間，從而破壞總線通信。所以，FlexRay總線不支持事件觸發的非確定性報文，NMPDU必須通過周期性報文在確定的時間發送。根據實際網絡要求，網絡管理周期可以設為FlexRay通信周期的整數倍，每個節點在一個網絡管理周期內發送其NMPDU一次。

　?。?）節點的網絡管理狀態轉換和NM-Task必須與FlexRay通信周期配合執行。

　　由于FlexRay總線采用周期通信的方式，FlexRay節點的網絡管理狀態轉換必須在FlexRay通信周期的間隔處執行，NM-Task的執行需要在上一周期所有其它節點的NMPDU接收完成和下一周期發送本節點NMPDU之前完成。然而，FlexRay總線的全局時間每兩個通信周期調整一次，所以上述二者不能采用定時器方式執行，必須與FlexRay通信周期配合執行，以實現網絡范圍的同步執行。

　?。?）根據兩種接入時序的特點，靈活使用靜態幀與動態幀。

　　FlexRay靜態幀嚴格按照報文周期發送，但是靜態幀會占用一個靜態時隙。如果所有NMPDU均占用一個靜態時隙并且其發送周期遠大于通信周期，則造成了帶寬的浪費。而一個動態幀ID可以分配給多個節點，不同節點的NMPDU可以通過設定相同的幀ID，不同的循環計數值（Cycle Counter）在多個通信周期的相同動態時隙發送，有效的提高了帶寬利用率。實際上，幀ID最小的動態幀同樣可以滿足嚴格周期性發送。所以，靜態幀和動態幀均可以用來發送NMPDU，需考慮網絡和節點通信的實際情況靈活使用。

　?。?）合理利用靜態幀的NM Vector。

　　在FlexRay靜態幀中使用NM Vector可以顯著的提高網絡管理信息的更新速率，但是NM Vector的長度為0-12字節，且要求所有節點長度相同。如果NM Vector長度較短，如1-2字節，則可以同應用報文合并一起發送，以避免帶寬的浪費。所以，可在NM Vector中只發送關于節點地址、網絡請求狀態的信息，使用動態幀發送NMPDU中可選的用戶數據（User Data）。

　　OSEK網絡管理協議

　　OSEK網絡管理可以監控網絡中每個節點的狀態，向上層軟件提供當前網絡的配置，并使網絡中的節點能夠協商進入睡眠狀態。OSEK網絡管理采用分布式網絡管理方式，定義了兩種網絡管理機制：直接網絡管理和間接網絡管理。

　　1.直接網絡管理

　　直接網絡管理使用特定的網絡管理報文，利用令牌環機制監控網絡。網絡中，每個節點都有一個后繼節點，邏輯環的第一個節點是該邏輯環最后一個節點的后繼節點，從而所有節點組成一個邏輯環。直接網絡管理要求網絡中所有的節點參與網絡管理并分配唯一的靜態節點地址。節點通過發送NMPDU進行網絡管理，OSCK NMPDU舉例如圖3所示。

　　圖3：OSEK NMPDU舉例。

　　節點通過發送Alive報文建立令牌環，功能正常的節點發送周期性（周期TTYP）的Ring報文指示該節點的功能正常，功能不正常的節點發送周期性（周期TError）的Limphome報文指示該節點的跛行狀態。請求網絡睡眠的節點將NMPDU中的Sleep.Ind置1并發送請求，邏輯環中最后一個節點同意睡眠后發送Sleep.Ack置1的NMPDU。所有節點接收到Sleep.Ack置1的NMPDU后，等待相同時間（TWaitBussleep）后轉至睡眠狀態。

　　相應的，OSEK直接網絡管理的網絡狀態分為NMAwake狀態和NMBusSleep狀態。在NMAwake狀態下按照網絡配置區分為NMNormal子狀態和NMLimphome子狀態。網絡狀態間的轉換基于內部定時器及不同類型NMPDU文的接收。

　　2.間接網絡管理

　　間接網絡管理不需要NMPDU，而是通過監控節點的周期性應用報文，實現網絡的監控。節點發送的周期性應用報文被成功接收即被認為在線，在預定時間內沒有被成功接收即被認為離線。間接網絡管理不需要網絡中的所有節點分配網絡管理報文ID，較直接網絡管理簡單靈活，網絡開銷小。但是對于應用上只需要接收網絡報文或只發送事件觸發報文的節點需要增加專門的周期性報文。

　　OSEK網絡管理雖然沒有指定總線類型，但是其特性決定了其只適合于事件觸發的總線協議，如CAN總線，而不能用于FlexRay總線協議，因為：節點網絡管理狀態的轉換和NM-Task的執行基于定時器的超時，無法與FlexRay通信周期同步；直接網絡管理采用令牌環機制，與FlexRay報文的確定性發送方式不符。

　　此外OSEK網絡管理沒有考慮FlexRay總線的不同接入時序、硬件支持和雙通道通信等特點。

　　AUTOSAR網絡管理協議

　　AUTOSAR組織提出了標準化的軟件平臺及不同總線協議的網絡管理規范。AUTOSAR網絡管理使用分布式的直接網絡管理機制，網絡狀態轉換基于節點請求網絡的狀態及周期性NMPDU的接收。節點接收到一個廣播發送的NMPDU表明發送節點意圖保持網絡的喚醒狀態。如果某節點準備進入總線睡眠狀態，則停止發送NMPDU，但只要接收到其它節點發送的NMPDU，就推遲總線睡眠模式的轉換。最終，如果節點因為接收不到NMPDU而使預設的時間（FlexRay通信周期計數器）溢出，節點便進入總線睡眠狀態。如果網絡中的任意節點需要總線通信，它可以通過發送NMPDU將網絡從總線睡眠狀態喚醒。

　　AUTOSAR網絡管理功能通過網絡管理模塊和網絡管理接口模塊實現。網絡管理模塊實現上述的網絡管理機制，根據不同網絡類型（CAN、FlexRay）的特點規定了不同的網絡狀態定義、通信調度和附加功能等。網絡管理接口模塊實現了網絡管理模塊和上層應用軟件的隔離及網絡管理的協調功能。協調功能在網關中應用，除規定不同類型網絡的網絡管理協調外，還規定了AUTOSAR網絡管理同OSEK網絡管理間的協調。

　　AUTOSAR FlexRay網絡管理充分考慮了FlexRay總線周期性通信的特點，創造性地對NMPDU進行了分離，充分發揮了靜態幀和動態幀的優勢。同時在網絡管理狀態方面進行了簡化，取消了Limphome狀態，使網絡狀態向睡眠的轉換更加迅速，也降低了開發難度。更重要地是，AUTOSAR網絡管理在架構上考慮了網關節點的實現及與OSEK網絡管理的協作，迎合了FlexRay總線作為數據主干網的發展趨勢。

　　對比和結論

　　根據上文的論述，可以得出OSEK直接/間接網絡管理與AUTOSAR FlexRay NM的對比（圖4）。

　　圖4：網絡管理協議比較。

　　OSEK網絡管理中狀態轉換的執行基于定時器，此特點決定了其適用于事件觸發的總線協議，而FlexRay總線是確定性通信總線。OSEK網絡管理無法滿足網絡管理狀態轉換和NM-Task與FlexRay通信周期配合執行的需求，進而無法實現分布式控制網絡的狀態同步轉換，不能用于FlexRay總線。

　　AUTOSAR FlexRay網絡管理充分考慮了FlexRay總線的特點及應用領域，滿足FlexRay總線高速、確定性通信的需求并體現了FlexRay總線硬件支持、靈活性的優勢，是目前唯一適用于FlexRay總線的網絡管理協議。