林捷
(福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院,福州 350100)
隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)飛速發(fā)展,對安全關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性、安全性等提出了更高的要求,安全關(guān)鍵系統(tǒng)是指其在失效情況下會造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失的系統(tǒng),如軌道交通、航空航天、核工業(yè)等。安全關(guān)鍵系統(tǒng)中對通信的實(shí)時(shí)性和確定性具有非常高的要求。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采用的通信總線,如CAN總線,是基于事件觸發(fā)的機(jī)制,使得系統(tǒng)通信存在不確定和不可預(yù)知性安全威脅[1]。為防護(hù)安全苛求系統(tǒng)通信中的安全風(fēng)險(xiǎn),歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會在IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中引入了時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)[2]。在文獻(xiàn)[3]指出:在時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)(TTA)的系統(tǒng)中,系統(tǒng)的所有活動將會從一個(gè)全新的初始狀態(tài)開始,活動的進(jìn)展?fàn)顩r會基于一個(gè)同步的時(shí)間基。各個(gè)應(yīng)用在時(shí)間觸發(fā)總線上占有一個(gè)固定的時(shí)間段,所有的應(yīng)用任務(wù)之間都在進(jìn)行著消息交換,依據(jù)確定的調(diào)度表進(jìn)行交換。時(shí)間觸發(fā)總線被證實(shí)可有效減少系統(tǒng)測試和證明所需要的準(zhǔn)備工作,促進(jìn)分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的通信安全性。時(shí)間觸發(fā)總線彌補(bǔ)了既有總線協(xié)議在列控系統(tǒng)或者同安全相關(guān)的系統(tǒng)時(shí)容錯(cuò)性和傳輸速率低的不足。
時(shí)間觸發(fā)通信總線的研究已經(jīng)引起很多研究學(xué)者的關(guān)注,大部分研究主要集中在協(xié)議運(yùn)行的調(diào)度算法優(yōu)化方面如文獻(xiàn)[4]將裝箱算法與遺傳算法相結(jié)合形成混合遺傳算法,從而能更快地找到最優(yōu)近似解,來提高FlexRay總線的通信效率。文獻(xiàn)[5]基于FMEA(失效模式及影響分析方法)提出通用性框架分析FlexRay總線可能存在的系統(tǒng)故障及其影響。NiuRu等人采用廣義Petri網(wǎng)形式化的驗(yàn)證了TTP/C總線協(xié)議成員服務(wù)的一致性[6]。
這些研究往往都是從理論的角度分析時(shí)間觸發(fā)總線的性能,很少從定量的角度分析時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的可靠信。本文采用FMEA方法分析列控安全計(jì)算機(jī)平臺的通信總線的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,評估系統(tǒng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn),在協(xié)議的設(shè)計(jì)中采用與TTP/C總線和FlexRay總線相似的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制,并在協(xié)議的運(yùn)行中采用數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制來防護(hù)通信中存在的風(fēng)險(xiǎn),最后從定量的角度分析所設(shè)計(jì)的時(shí)間觸發(fā)通信總線可以滿足列控安全計(jì)算的安全需求。
基于時(shí)間觸發(fā)方式的通信網(wǎng)絡(luò),由于在整個(gè)系統(tǒng)中建立了全局統(tǒng)一的時(shí)鐘[7],因此時(shí)間觸發(fā)通信總線具有很強(qiáng)的可預(yù)測性與周期性。不同的通信設(shè)備在通信時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間序列,依據(jù)確定的調(diào)度表進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)操作,從而實(shí)現(xiàn)高可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,非常適合應(yīng)用在對系統(tǒng)安全等級要求高的領(lǐng)域如鐵路、航空、汽車等行業(yè),目前應(yīng)用最廣泛的時(shí)間觸發(fā)總線有TTP/C總線和FlexRay總線等。如在軌道交通領(lǐng)域,根據(jù)EN50159標(biāo)準(zhǔn)對軌道交通控制系統(tǒng)中通信安全威脅做出詳細(xì)定義,由于當(dāng)前通信系統(tǒng)存在的一些尚未解決的缺陷,可能導(dǎo)致信息在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中會出現(xiàn)一些差錯(cuò)或者誤碼,諸如此類隱患都有可能對通信系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的威脅[8]。
相比于OSI和TCP模型,本系統(tǒng)的通信協(xié)議層相對簡化,包括物理層、鏈路層和應(yīng)用層。
圖1 通信總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2 時(shí)間觸發(fā)總線物理層結(jié)構(gòu)圖
通過該時(shí)間觸發(fā)總線的物理層結(jié)構(gòu)圖中可以看出,物理層位于系統(tǒng)的最底層,并且針對該系統(tǒng)的電氣特性和電路接口進(jìn)行了一些規(guī)定,協(xié)議鏈路層的職責(zé)是除了對數(shù)據(jù)包采取組包和解包的措施之外,還承擔(dān)著對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、傳送進(jìn)行差錯(cuò)處理。應(yīng)用層的職能為對各類不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析處理和分析計(jì)算,與此同時(shí),在傳輸方面也沒有停滯,直接將各類數(shù)據(jù)的邏輯分析處理結(jié)果下發(fā)至通信的協(xié)議鏈路層中進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)的核心所在不是物理層的功能與規(guī)定,而是協(xié)議鏈路層針對該系統(tǒng)的特殊性而產(chǎn)生的一種全新形式的自定義通信協(xié)議。
所謂的FMEA(失效模式及影響分析方法)是一種歸納分析方法。它通過分析產(chǎn)品或系統(tǒng)可能存在的故障模式而確定對產(chǎn)品或系統(tǒng)性能及功能的發(fā)揮、人員安全與維修等的影響。FMEA可以在系統(tǒng)的初期階段,在第一步對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理以及對系統(tǒng)分析設(shè)計(jì),找出潛在的威脅和隱患,從這些威脅和隱患當(dāng)中繼續(xù)根據(jù)數(shù)據(jù)觀察多方面威脅和隱患的產(chǎn)生因素,對其產(chǎn)生的后果和影響進(jìn)行模擬,最小化影響。從而能夠在通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前預(yù)先采取措施,減少失效模式,從而有效地提高系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。它能夠系統(tǒng)地分析潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素,在系統(tǒng)級采用FMEA分析可能出現(xiàn)的失效模式,及其導(dǎo)致的后果和發(fā)生的原因,并確定和初步評估協(xié)議設(shè)計(jì)中所采取的保護(hù)策略。
下面匯總了FMEA分析的結(jié)果,F(xiàn)MEA分析的結(jié)果都會包含其核心內(nèi)容,也就是協(xié)議失效模式、協(xié)議原因、故障影響和防護(hù)措施。具體分析結(jié)果參照表1通信節(jié)點(diǎn)的FMEA分析。
表1 通信節(jié)點(diǎn)的FMEA分析
首先,時(shí)間觸發(fā)通信總線必須符合故障安全原則的總要求。其次,還需保證它與安全關(guān)鍵計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可穩(wěn)妥適配,不允許其他特異性問題出現(xiàn)。因此該總線在相關(guān)的安全領(lǐng)域的應(yīng)用中,一方面釆用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制保證通信時(shí)間的確定性,另一方面設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全通信協(xié)議應(yīng)對通信失效的風(fēng)險(xiǎn),如引入總線通信的重傳機(jī)制,防止重復(fù)、刪除、插入、延遲、亂序等時(shí)間相關(guān)的傳輸風(fēng)險(xiǎn)
在上一節(jié)中采用FMEA方法分析總線通信存在的風(fēng)險(xiǎn),通過借鑒ARINC659高可靠度和安全度的物理層,在物理層總線上采用4條冗余通道[3],進(jìn)一步提高總線的可靠性、容錯(cuò)性以及利用率。物理層總線分為兩組H1和H2,由通信控制器進(jìn)行主控,每組總線又有x 和 y兩個(gè)通道,共有 H1x、H1y、H2x、H2y四條總線,每條總線在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿傳輸4bit數(shù)據(jù)。在發(fā)送和接收上利用半雙工進(jìn)行通信傳輸,同時(shí)采用交叉檢測容錯(cuò)機(jī)制對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),再對比較后的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC解碼,最終數(shù)據(jù)校驗(yàn)無誤后判斷接收到的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。由于每條線路且相同時(shí)間發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的概率極小,由于每條線路在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的概率極小,倘若某個(gè)時(shí)刻單條線路發(fā)生傳輸錯(cuò)誤就變得可被允許,這將極大地提高通信的容錯(cuò)能力。
圖3 總線物理層冗余結(jié)構(gòu)
時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)(以下簡稱TTA)由Kopetz等人提出,目的是為設(shè)計(jì)可靠性分布式系統(tǒng)提供一個(gè)可靠性框架。該架構(gòu)可用于車載網(wǎng)絡(luò),飛行器控制網(wǎng)絡(luò),過程自動化等領(lǐng)域。TTA將大型應(yīng)用系統(tǒng)逐步分解成相對獨(dú)立的簇和節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中生成一個(gè)已知精度的全局時(shí)基。時(shí)間觸發(fā)總線依賴于通信各節(jié)點(diǎn)時(shí)間調(diào)度管理。時(shí)間調(diào)度管理的基礎(chǔ)是時(shí)間無沖突分配和各節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。因此,時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)的關(guān)鍵之處在于控制不同的設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)間相一致,否則會造成總線沖突競爭情況,導(dǎo)致整體通信陷入癱瘓。理想狀況是多設(shè)備通信的總線之間保持同步(這需要依賴物理時(shí)鐘同步機(jī)制),各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間跟隨相同的主控節(jié)點(diǎn)的全局時(shí)鐘。
(1)通信模型
時(shí)間觸發(fā)總線通信節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系模型為主從關(guān)系模型,該模型單位周期內(nèi)有且只有一個(gè)主設(shè)備來控制協(xié)調(diào)全局設(shè)備通信。該模型的參考原理是幾個(gè)待同步的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間段必須同時(shí)參考同一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)的時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)同步。
基于此模型,時(shí)間觸發(fā)總線可在單位周期內(nèi)以主控節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘為同步基準(zhǔn)時(shí)鐘,將多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步于主控節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在每個(gè)周期內(nèi)對多個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步,避免時(shí)鐘誤差累積造成的通信失步問題。
(2)時(shí)間片劃分策略
由于時(shí)間觸發(fā)總線是數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線多節(jié)點(diǎn)共享,屬于半雙工通信方式。需要采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多對多雙向通信。分時(shí)復(fù)用是指利用不同的時(shí)間實(shí)現(xiàn)在同一組通信線路上實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)功能,以及多個(gè)節(jié)點(diǎn)利用不同時(shí)間實(shí)現(xiàn)兩兩通信,但在同一時(shí)間只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能發(fā)送數(shù)據(jù)。為此需要合理劃分時(shí)間段才能實(shí)現(xiàn)多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)無沖突通信。首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)n,取其中一個(gè)為主控節(jié)點(diǎn),其余(n-1)節(jié)點(diǎn)為從。每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩兩相互通信,則至少需要?jiǎng)澐譃閚*(n-1)時(shí)間片。
(3)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步策略
主從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步有全局時(shí)鐘和局部時(shí)鐘兩個(gè)概念。局部時(shí)鐘是表示節(jié)點(diǎn)時(shí)間計(jì)時(shí)是以自身晶振時(shí)鐘為基準(zhǔn),而全局時(shí)鐘是指全部節(jié)點(diǎn)相同時(shí)間源的時(shí)鐘為基準(zhǔn)。傳統(tǒng)的全局時(shí)鐘策略是直接采用統(tǒng)一時(shí)鐘源,通過時(shí)鐘線與各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘保持一致。該策略雖然可以達(dá)到絕對的時(shí)鐘同步,但存在時(shí)鐘頻率受限,節(jié)點(diǎn)距離受限、高抗干擾環(huán)境等缺點(diǎn)。因此我們將采用局部時(shí)鐘和全局時(shí)鐘相結(jié)合方式,通過總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線來進(jìn)行周期性全部時(shí)鐘同步,其他時(shí)間段各節(jié)點(diǎn)采用局部時(shí)鐘計(jì)時(shí)。主控節(jié)點(diǎn)在通信周期T開始前維持一個(gè)短時(shí)固定的同步時(shí)隙,該同步時(shí)隙用于全局時(shí)鐘同步。在同步時(shí)隙內(nèi),從節(jié)點(diǎn)以主控節(jié)點(diǎn)的晶振時(shí)鐘為基準(zhǔn)。主控節(jié)點(diǎn)根據(jù)鏈路層規(guī)定向總線發(fā)送一定固定格式數(shù)據(jù)信息以及一定頻率的時(shí)鐘信號作為全局同步信號,同步信號使得全局節(jié)點(diǎn)開始統(tǒng)一計(jì)時(shí)。
這種同步廣播機(jī)制除了可以防止通信中出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂序,延遲等風(fēng)險(xiǎn),還可以在其中的一個(gè)通信對象出現(xiàn)故障停止工作時(shí),保證其他通信對象正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)維護(hù)人員更換通信對象或者添加新的通信對象時(shí),通信對象只有收到當(dāng)前主通信對象發(fā)送的廣播同步信號才可以按照預(yù)定的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)表正常運(yùn)行,大大提高通信總線的容錯(cuò)能力與擴(kuò)展性。
在第2節(jié)中從定性的角度分析時(shí)間觸發(fā)通信總線在協(xié)議層上的同步機(jī)制與數(shù)據(jù)重傳機(jī)制如何防范重復(fù)、刪除、插入、延遲、亂序等時(shí)間相關(guān)的傳輸風(fēng)險(xiǎn)。通信總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí),往往會存在傳輸延遲等現(xiàn)象,如果傳輸延遲過長會引發(fā)延遲、重復(fù)、亂序等風(fēng)險(xiǎn),本文運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)演算對時(shí)間觸通信總線進(jìn)行最壞網(wǎng)絡(luò)延遲分析。
網(wǎng)絡(luò)演算理論用于定量求解通信數(shù)據(jù)隊(duì)列長度、延遲、數(shù)據(jù)包丟失率等通信總線性能的確定性邊界,其中,到達(dá)曲線模型與服務(wù)曲線模型是最重要的兩個(gè)概念。通過到達(dá)曲線模型與服務(wù)曲線模型求解總線通信的最大延遲。
定理1最大延遲時(shí)間。假定一個(gè)系統(tǒng)S數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為α(t),為數(shù)據(jù)流提供的服務(wù)曲線為β(t),其最大延遲D(α,β)滿足:
則系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的最大延遲為D(α,β),如圖所示,為到達(dá)曲線為α(t),服務(wù)曲線β(t)的最大水平距離。
圖4 到達(dá)曲線、服務(wù)曲線與最大延遲
考慮到通信總線數(shù)據(jù)流的突發(fā)性,根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的漏銅模型,可令其到達(dá)曲線模型為:
其中bi為數(shù)據(jù)突發(fā)量,γi為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄俾省?/p>
由數(shù)據(jù)幀格式可知,數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)備發(fā)送之前需要對每個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行相應(yīng)地添加幀頭和幀尾,進(jìn)行組幀后,在總線上實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。組幀就是對數(shù)據(jù)段前加入起始位、目標(biāo)地址、源地址、數(shù)據(jù)幀長度,在數(shù)據(jù)段后面添加CRC校驗(yàn)碼與結(jié)束標(biāo)識符。同理數(shù)據(jù)在接收時(shí)也需要進(jìn)行解幀處理。數(shù)據(jù)的傳輸延遲與消息數(shù)據(jù)幀的長度有關(guān),則計(jì)算公式為:
其中:Td為傳輸延遲時(shí)間,F(xiàn)Head代表幀頭字節(jié)個(gè)數(shù)為7,F(xiàn)Tail代表幀尾字節(jié)個(gè)數(shù)為3,DataSegment表示數(shù)據(jù)段字節(jié)個(gè)數(shù)為0-256,tbit表示傳輸1比特(bit)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。通過理論公式的計(jì)算,確定將來實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)總線協(xié)議的時(shí)間片周期T,確保T>Td保證在一個(gè)時(shí)間片在無故障情況下能夠傳輸一幀數(shù)據(jù)。
由于外界的電磁干擾、線路短路等故障導(dǎo)致傳輸線路上的數(shù)據(jù)丟失或者錯(cuò)誤,因此總線通信中引入數(shù)據(jù)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴T跁r(shí)間觸發(fā)通信總線的鏈路層協(xié)議中,消息的調(diào)度是預(yù)先定義在時(shí)間片輪換表中,發(fā)送方在發(fā)送時(shí)間片結(jié)束后就放棄了總線的使用權(quán),交給了下一個(gè)時(shí)間片。為提高總線利用率,在數(shù)據(jù)重傳機(jī)制中采用“雙消息ID”方式,也就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送消息時(shí)包含自身消息ID同時(shí)附帶接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答消息ID,這樣保證數(shù)據(jù)在同一周期得到應(yīng)答,無需等到下一個(gè)周期。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到上一個(gè)時(shí)間片的應(yīng)答幀ID,此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)記錄重發(fā)的次數(shù)??紤]到時(shí)間觸發(fā)通信協(xié)議工作在具有電磁屏蔽的插箱中,收到外界干擾的可能性較低,為保證時(shí)效性,可定義通信數(shù)據(jù)重發(fā)有限次數(shù),若超過規(guī)定數(shù)據(jù)重傳的次數(shù),系統(tǒng)將導(dǎo)向故障安全處理。
在現(xiàn)代的通信系統(tǒng)之中,針對各類通信對象相互之間進(jìn)行各類通信之時(shí),由于外界的無關(guān)電磁波產(chǎn)生的多種干擾而引發(fā)瞬態(tài)故障,從而致使數(shù)據(jù)信息的丟包,損壞,丟失,對端根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析核驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題之后,無法進(jìn)行下一步操作,因此時(shí)間觸發(fā)通信總線的數(shù)據(jù)重傳機(jī)智的可靠性目標(biāo)可以定義為:
其中P表示由于干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失以及損壞的概率。根據(jù)文獻(xiàn)可知,在時(shí)間Ti內(nèi)單條總線通信數(shù)據(jù)發(fā)生的隨機(jī)錯(cuò)誤服從泊松分布[10]:
由泊松分布可以看出:時(shí)間觸發(fā)通信總線數(shù)據(jù)傳輸中,在整個(gè)通信周期中不存在冗余。不存在出現(xiàn)一個(gè)或者多個(gè)錯(cuò)誤,消息處理過程能夠被正確發(fā)送的,故其消息傳送出錯(cuò)概率為:
圖5 不同重傳次數(shù)的可靠性對比
圖6 不同重傳次數(shù)的延遲時(shí)間
由于通信數(shù)據(jù)重傳的次數(shù)越多,導(dǎo)致通信帶寬的利用率越低,綜合考慮,在實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)通信總線的流程中我們選定數(shù)據(jù)重傳的次數(shù)為3次。
本文根據(jù)國際安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),采用FMEA方法辨識評估時(shí)間觸發(fā)通信總線在安全關(guān)鍵系統(tǒng)中應(yīng)用中可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn),分析表明在通信總線設(shè)計(jì)中引入時(shí)間觸發(fā)機(jī)制能有效地保障安全關(guān)鍵系統(tǒng)的通信確定性與可預(yù)測性。同時(shí)也表明時(shí)間觸發(fā)通信總線通過在不同通信對象間主動應(yīng)答方式和數(shù)據(jù)重傳等策略來防護(hù)系統(tǒng)由于瞬態(tài)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)的損壞。最后對時(shí)間觸發(fā)總線在通信傳輸時(shí)的延遲特性進(jìn)行分析,根據(jù)實(shí)際的仿真驗(yàn)證和理論計(jì)算來驗(yàn)證時(shí)間觸發(fā)總線整體時(shí)延特性,定量地分析時(shí)間觸發(fā)總線的可靠性與安全性,進(jìn)一步說明時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)下通信總線可滿足安全關(guān)鍵系統(tǒng)通信的安全性需求。
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