FlexRay总线的功能安全性分析

时间：01-21 来源：3721RD 点击：

5 与CAN总线的比较

参考文献[7]中的BMW系统数据，若用CAN标准帧传送，可推算出需要的带宽至少为2.8 Mb/s，明显显示CAN总线带宽不足。但是CAN总线的出错自动重发机制却使系统的通信可靠性远胜于FlexRay。

例如在ber=1×10-7时，CAN总线帧长为108位，误帧率为fer=1.08×10-5/frame。在传送帧数为n=2.79×106/h时（假定用多条总线满足带宽）出错的帧有31帧，这31帧重发2次，则全错的概率为31×fer3=31×126×10-15=3.9×10-14,远小于SIL2分配给通信的份额。

而且，如果原来的调度分析留有足够2帧的出错自动重发时间，也可以算出对送达时间的影响不大。送达时间变化大的是低优先级消息，对高优先级消息影响很小。例如10条2.5 ms周期消息的送达时间约1.2 ms（考虑到填充位与服务间隔），在2.5 ms内1条消息出错自动重发2次也只会使送达时间增加到1.5 ms左右。

CAN总线的出错自动重发机制与主动重发方案相比，需要增加的带宽很小，几乎是后者的万分之一。

6 FlexRay总线的错帧漏检
参考文献[12]对CRC的检验强度有讨论。在假定错均匀分布时，2-k是未检出错的上界，其中k是校验和长度，对FlexRay来讲ｋ=24，2-24=5.9×10-8。如果位错不相关，概率强度还要乘上（ber×帧长）HD，其中HD是CRC多项式的海明距离。以1 h计算时要乘1 h内的帧数。按标准[3]，在payload小于248字节时HD=6。按此计算如下：帧长=256字节=2 560 bit，考虑到idle时间，计算每小时帧数时以每帧2 600 μs计，故每小时有3 600/260×106=1.38×107帧。每小时总的漏检帧为1.38×107×5.9×10-8×(ber×2 560)6=0.81×(ber×2 560)6。ber=10-7时为2.27×10-22,ber=10-5时为2.27×10-10。干扰不是很强，帧也较短时，FlexRay的错帧漏检部分还是能满足SIL2分配给通信的要求。

7 小结
计算表明，在ber=1×10-7时FlexRay通信的功能安全等级还离要求很远，另外还有小集团错、时钟漂移等问题。此外，由于FlexRay没有CAN总线那样简洁高效的报错机制，如果没有主动重发方案，那么接收节点间由于局部错引起的拜占庭错造成的失效概率增加。由此看来，FlexRay要完全实现其设计目标还有不少工作要做。更长远来看，需要在用工业以太网实现100 Mb/s速度的同时解决FlexRay现存的问题。

本文分析讨论的方法也适用于其他现场总线或工业以太网，许多协议都是基于类似FlexRay的时间触发方式，它们的安全性倚赖于高层"安全协议"。这些基于"黑通道（black channel）"的"安全协议（safety protocol）"一般按照欧洲标准EN501592添加了一些判错的措施，如对重复、丢帧、加插、次序错、数据错、延迟和假冒错采用加流水号、时间戳、定时器、标识符、地址、附加签名等方法。另一些安全协议仅仅考虑了硬件链路故障与恢复，只是通信故障的一种形式。但是这些措施依然是不够的，没有覆盖故障树的所有分支。对于其他形式，例如出现局部错后的拜占庭失效、出现饶舌错后的停止服务、出现小集团错后的局部停止服务等，均未处理。有些错可以在应用中发现，但受应用所在的host的时间特性的限制，可能已错失时限，无法纠正错误。在通信层面，它们严重影响到诊断覆盖率，也直接影响到SIL等级。即使在流程工业，消息的周期较长，用主动重发方案可以使出错结果减少（现在的一些应用恐怕还没有这样做），有些错（如拜占庭错）依然是不可承受的，特别是涉及一些逻辑信号的传送。

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