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. / 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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:MUENCHEN/oai:edoc.ub.uni-muenchen.de:17275 |
| Date | 01 August 2014 |
| Creators | Weckemann, Kay |
| Publisher | Ludwig-Maximilians-Universität München |
| Source Sets | Digitale Hochschulschriften der LMU |
| Detected Language | German |
| Type | Dissertation, NonPeerReviewed |
| Format | application/pdf |
| Relation | http://edoc.ub.uni-muenchen.de/17275/ |
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