Réseaux de données 1

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1 Réseaux de données 1

2 Fondamentaux de communication Les définitions de bases qu il faut comprendre Communication échange d information Protocole méthode standardisée de communication nœud - un participant d un réseau Les méthodes de communication Série - transfert des données, un bit a la fois très populaire car peu cher e.g.: Ethernet, CAN, LIN Parallèle - transfert des données par octet plus cher 2

3 Catégories de communication Basée sur la façon dont les nœuds sont connectés Intra ECU communication» Communication entre périphériques et microcontrôleur Inter ECU communication» Communication entre deux contrôleurs (ECU) ou plus Basée sur le nombre de nœuds connectés Communication «Broadcast»» L information est disponible pour tous les nœuds présents sur le réseau Communication Point à point» Seulement entre deux nœuds 3

4 Intra ECU communication parallel serial 4

5 Inter-Module Communication 5

6 Multiplexage Multiplexage de données Une technique de transmission/réception de données entre différents nœuds sur un lien / bus commun La plupart des bus sont multiplexés Le multiplexage est utilisé dans les réseaux complexes Le multiplexage permet de réduire le nombre de fils donc le poids des faisceaux de câblage Il existe une possibilité de perte de donnée due aux collisions Des techniques variées de synchronisation sont utilisées pour éviter ou résoudre les collisions 6

7 Une vision du Multiplexage IP Gauges 7

8 Le Multiplexage dans l automobile Two different Mux systems are shown Red & Blue 8

9 Topologie des réseaux Etoile Anneau Point à Point Bus Arbre 9

10 Topologie de réseau: Etoile Nœud central Ajout d un nœud possible en fonctionnement Plus de câble Nœud central : passage obligé entre 2 machines point faible 10

11 Communication unidirectionnelle Régénération à chaque nœud Extension impossible en fonctionnement Problème si un nœud tombe en panne : chaque nœud est un point faible Topologie de réseau: Anneau 11

12 Topologie de réseau: Point á Point / Bus Point à Point Bus Tous les nœuds sont connectés directement via le bus 12

13 Topologie de réseau: arbre Compromis entre étoile et bus Défaillance d un nœud possible sans perturber le réseau Extension aisée 13

14 Standardisation & Classification SAE Nous avons besoin de protocoles standards pour Etablir une compatibilité entre des produits de différents fabricants Améliorer la maintenance des logiciels Supporter une architecture de réseaux ouverte La SAE définie les protocoles de communication en 3 classes: Classe A Classe B Classe C 14

15 Classe A Classe A faible vitesse de transmission (< 10 Kbps). faible cout exemples UART, E&C, Sinebus, I2C, J1708 / J1587 / J1922, BEAN, CCD, ACP, UBP TTP/A, LIN. 15

16 Classe B Classe B utilisée pour des vitesses de transmissions de faibles à moyennes (10Kb/s to 125 Kb/s). exemples Class 2, GMLAN (low speed), PCI (J1850), SCP (J1850), ISO (CAN). 16

17 Classe C Classe C utilisée pour des transmissions a hautes vitesses ( > 125 Kb/s to 1Mb/s). pour des applications temps réel exemples GMLAN (high), J1939 (250 Kb/s CAN), J

18 Réseaux automobiles 18

19 Protocole de bus sériel Les données séries sont simplement des données binaire transportées comme une suite d information. Le format de cette suite d information est défini par le protocole. Chaque protocole utilise un logiciel qui contrôle la communication. 19

20 Serial Data Bus Nodes Le bus est un moyen de transport de l information; le plus souvent un câble. Chaque module électronique peut être un nœud indépendant d un ou plusieurs bus. Chaque nœud joue un rôle dans le système et à des fonctions spécifiques qui font que le système fonctionne correctement. Souvent un nœud a besoin d information des autres nœud pour faire son travail correctement. 20

21 Bus sériel Pour partager de l information, un nœud doit transmettre des données et au moins un nœud doit les recevoir. Le Bus étant sériel, par définition, seul un nœud peut transmettre un bit à un moment donné. Les problèmes tels que la contention (deux nœuds ou plus transmettent en même temps) ou les erreurs de donnée doivent être définis et pris en compte par le protocole. 21

22 Le standard OSI Le standard ISO Open Systems Interconnection (OSI) spécifie les fonctions hiérarchiques qui forment les différentes couches des protocoles. Les couches sont: 1. Physique (Spécifications mécaniques et électriques) 2. Liaison (Structuration des données sous forme de trames, détection et correction des erreurs) 3. Réseau (Routage, acheminement des données) 4. Transport (Formatage des données sous forme de message) 5. Session (Structuration du dialogue) 6. Présentation (cryptage, format, compression ) 7. Application 22

23 Couche 1 (physique) Spécifie le type d encodage des données sur le Bus. Par exemple: (1) Fixed pulse width Chaque bit est encodé sur un même temps de base. (2) Variable pulse width l encodage est régie par des règles qui font varier le temps de transmission d un bit. 23

24 LLC (Logical Link Control) Filtrage des messages Recouvrement des erreurs bit/trame Notification de surcharge MAC (Medium Access) Couche 2 (Liaison) Mise en trame, gestion émission/réception Détection/signalisation erreur bit Arbitrage (gestion des accès simultanés : collisions) Temps de latence Topologie 24

25 Serial Data Bus Le Protocole spécifie une des méthodes d accès au bus pour permettre à un nœud de communiquer sur le bus sériel. Les méthodes possibles sont: (1) Maitre-Esclave (2) Token Slot/Token Ring (3) Carrier Sense Multiple Access (CSMA). 25

26 Serial Data Bus La méthode d accès Maitre-Esclaves présente les caractéristiques suivantes: (1) Un nœud agit comme Maitre les autres nœuds sont des esclaves. (2) Un nœud esclave ne peut pas transmettre à moins que le maitre ne le lui demande. 26

27 Serial Data Bus La méthode a jeton (Token Slot ou Token Ring: (1) Chaque nœud a un intervalle de temps donne pour transmettre son message. (2) Le premier nœud utilise son jeton et le passe au nœud suivant. (3) Le nœud suivant l utilise à son tours et le passe au suivant. Ce processus continue tant que le bus est actif. 27

28 Serial Data Bus La méthode d accès multiple à écoute de ligne: Carrier Sense Multiple Access (CSMA) (1) les nœuds écoutent le bus pour savoir si il est déjà utilisé avant d essayer de transmettre. Si le bus est déjà pris alors les nœuds attendent. (2) Plus d un nœud peut commencer à transmettre en même temps d où le besoin d une détection de collision et arbitration. 28

29 LIN LIN C est un protocole de Classe A qui a été spécifié par un consortium (Audi, BMW, DaimlerChrysler, Motorola, Volcano Communications Technologies, Volkswagen, Volvo) Il utilise la méthode d accès Maitre-esclaves Protocol Device: Il utilise les interface UART/SCI des microcontrôleurs. 29

30 LIN Key features of LIN: Single Master, Multiple Slave protocol Multicast reception Baud rate of 2-20kbps Self baud synchronization without quartz or ceramic resonator in slave nœuds Single wire bus (physical layer similar to Keyword)) 30

31 LIN Limitations Maximum bus speed - 20 kbps Software intensive:» Byte by byte reception.» Framing of message.» Validation of message.» Synchronization. 31

32 32

33 CAN Overview CAN - Controller Area Network Serial data link protocol Suitable for real-time, critical, vehicle control applications Supports multicast without routing (all nodes receive all messages) Automatic retransmission of corrupted messages High level of error detection (< 10^-10) CAN INVENTED BY BOSCH Early 1980 s (joined with Intel in 1985) For automotive use In use since 1991 model year by Mercedes S-Class 33

34 CAN Overview Three CAN buses were originally defined High-Speed Differential (Dual wire)» Intended for real time control» Operates at 500 kbits/sec Mid-Speed Fault Tolerant Differential (Dual wire)» Intended for large data transfers» Operates at 125 kbits/sec» Automatically switch to single wire reception when fault detected Low-Speed (Single wire)» Intended for low frequency functions or operator functions» Operates at kbits/sec» With enhanced wakeup capability 34

35 Signal Encoding SIGNAL ENCODING Non-Return to Zero - Five (NRZ-5) Each bit is either dominant or recessive In each bit, there is not a falling or rising edge» lower frequency» lower EMI 5V recessive bit-level Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 0V dominant bit-level Non-Return-to-Zero (NRZ) Method 35

36 Bus Arbitration BUS ARBITRATION zero dominant Node 1 S O F Identifier R T R Control Field Data Field listening only Node 2 listening only Node 3 Bus-level recessive dominant Bus Arbitration Method 36

37 Stuff Bit Stuff bit is added automatically after every sequence of five equal bits Error and Overload Frames are not stuffed CRC is calculated on the un-stuffed bit stream Transmitted CRC itself is stuffed Unstuffed bit-sequence Stuffed bit-sequence S S S Bit Stuffing 37

38 Standard Data Frame Standard Frame Bus Idle 11-bit Identifier not used Data CRC Delimiter ACK Delimiter Bus Idle Start of Frame RTR Data-length CRC ACK End of Frame Intermission Start of Frame (SOF) marks beginning of frame 11-bit Identifier, or arbitration field CAN standard version 2.0 A Most significant seven bits must not be all recessive (1s) Remote Transmit Request (RTR) A dominant bit for Data Frames Data Length Code (DLC) Encodes the number of data bytes to follow, msb to the left 38

39 Extended Frame Bus Idle Extended Data Frame Identifier IDE Identifier R1,R0 Data CRC Delimiter ACK Delimiter Bus Idle Start of Frame SRR RTR Data-length CRC ACK End of Frame Intermission 29-bit Identifier, or arbitration field CAN standard version 2.0 B Substitute Remote Request (SRR) bit Placeholder for RTR bit position in Standard Data Frames Sent recessive so will lose arbitration to a Standard Data Frame Identifier Extension (IDE) bit Recessive bit to indicate an Extended Data Frame Sent recessive so will lose arbitration to a Standard Data Frame 39

40 Acknowledgment Scheme Positive Acknowledgement Receivers send a dominant bit in the ACK slot At least one node received the data correctly No error frames Message data is used Negative Acknowledgement Receivers send error frame The message was corrupted Message is retransmitted by the transmitter 40

41 FlexRay 41

42 Developed by Daimler-Chrysler, BMW, Motorola, Philips starting in early 2000» DC focused on being first to market with steer-by-wire, product architecture already mostly determined FlexRay» DC-requested changes to TTP not immediately adopted by TTTech» TTP = Time Triggered Protocol» BMW heavily invested in protocol R&D, developed alternative protocol Byteflight, which was not adopted by the market» Bosch has collaborated with GM Flexray combines features of TTP, CAN, and BMW Byteflight DC and BMW are currently technology leaders in X-by-Wire» Seek competitive advantage» Have significant experience internally 42

43 Topology of a Distributed FlexRay System - Passive Bus Example: communication controller (and host) Bus Driver passive bus Flexray Solution with restrictions (reuse of available Physical Layer): Optional redundant communication channels Support of wake-up via bus, depends on the Physical Layer low gross data rate (similar to CAN) Support of power management, depends on the Physical Layer Bus Guardian, depends on the Physical Layer (Bus Guardian defined in separate specification) Redundancy Node 43

44 Timeline chart of Communications Cycles: FlexRay 44

45 FlexRay - Transmit Frame Encoding The Transmit frame breaks down each of the two segments into somewhat complicated layers so to simplify: The Static Segment contains n number of slots appropriately named: Static Slots. n typically is the number of participating nodes on the bus The Dynamic Segment contains n+x number of slots which are called Minislots ( x just indicates that Minislots come after the Static Slots) Each slot (static or dynamic) consists of a frame with fixed format structure Every frame is made up of a Header, a Payload and a Trailer 45

46 Overview of Flexray Frame Structure Reserved Network Management Null Frame Indication Sync Bit Header CRC Covered Area Frame ID Length Header CRC Cycle Message ID Data Data NM Data Data CRC CRC CRC 12 bit 7 bit 11 bit 6 bit 16 bit Bytes 24 bit 1111 Header Segment Payload Segment Trailer Segment FlexRay Frame 5 + ( ) + 3 Bytes FlexRay Frame 5 + ( ) + 3 bytes 46

47 Intro to Sleep and Operating Modes A Flexray bus Node begins in the Sleep state and transitions to the Standby state In Sleep mode, there must be power on the receiver side of each node in order to receive a wakeup pattern In Standby, there is no processing of Frame and Symbols from the bus The node moves to Start Up state where Frames and Symbols begin but there is no interaction with the CHI In the GO state, there is full operation of the node on the bus and interaction with the application via the CHI 47

48 Flexray Mode Transitions Again, the Frame and Signal processing element has 3 modes The first is STANDBY The second is STARTUP And the third is GO 48

49 Flexray Mode Transitions (illustrated) EXAMPLE OF WAKEUP FROM SLEEP: 49