车载电子电器架构 —— 局部网络管理概述

车载电子电器架构 —— 局部网络管理概述

我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。

老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：

屏蔽力是信息过载时代一个人的特殊竞争力，任何消耗你的人和事，多看一眼都是你的不对。非必要不费力证明自己，无利益不试图说服别人，是精神上的节能减排。
无人问津也好,技不如人也罢,你都要试着安静下来,去做自己该做的事.而不是让内心的烦躁、焦虑、毁掉你本就不多的热情和定力。

文章大体有如下内容：

1、局部网络管理概述

2、VFC/PNC通信策略

3、PNC与PDU Group的关系

4、局部网络管理小结

一、局部网络管理概述

1.1 局部网络管理概念

PNC/NFC（Programmable Network Controller/Network Function Controller）是一种网络管理的概念，它涉及到对网络中各个功能实体的管理和控制。在设计时，需要重点关注以下几个方面：

（1）、Activator：每个PNC都需要有一个激活器（Activator），用于启动和管理PNC的功能。激活器可以是一个设备、软件或者服务，它的设计和实现对于PNC的功能和性能至关重要。

（2）、功能关联范围：每个PNC都有其特定的功能关联范围，即它可以管理和控制的网络功能。在设计时，需要明确每个PNC的功能关联范围，以确保其能够有效地管理和控制相应的网络功能。

（3）、网络管理知识：设计PNC/NFC需要具备一定的网络管理知识，包括网络拓扑、路由协议、网络安全等方面的知识。这些知识有助于更好地理解PNC/NFC的工作原理和应用场景，从而设计出更加合理和高效的网络管理系统。

（4）、熟悉功能的设计方案：设计PNC/NFC时，需要熟悉各种网络功能的设计方案，包括防火墙、负载均衡、流量监控等。这些功能的设计方案可以为PNC/NFC提供更加丰富和灵活的网络管理功能，满足不同应用场景的需求。

因此在设计PNC/NFC需要关注激活器、功能关联范围、网络管理知识和熟悉功能的设计方案等方面，以确保其能够有效地管理和控制网络中的各个功能实体。

PNC是支持一个或多个车辆功能所必需的一组系统信号，这些车辆功能分布在车辆网络中的多个 ECU 上。局部网络管理是 AUTOSAR 提供的策略机制，目的是优化车辆的能量消耗。下图3.3 以听音乐举例说明 PNC的作用。

上图中的车辆是未锁定状态UsageMode-convenience,乘员正在听音乐。在没有PNC的情况下，整车所有的ECU都是激活的状态，而此时乘员并不需要所有的ECU都工作,因而浪费了整车的能量。在有 PNC 的情况下整车上只有部分ECU(如AUDIHUDIM等)被唤醒激活，其他ECU在车辆切换为 Driving模式前仍然处于休眠状态从而降低了整车的能源消耗。概括来讲，PNC就是用于控制网络激活的结构，包括分配机制(例如网络激活的网关)，目的是通过激活部分网络实现节能

VFC的全称是Virtual Function Cluster，即虚拟功能集群。VFC将端口级别的通信分组到实现一个或多个车辆功能所需的逻辑组件之间。目的是实现各个ECU之间的网络通信，允许可重复使用的总线/ECU独立设计。VFCActivator是特殊的Software组件，用于决定在给定时间是否需要VFC的功能，并相应地请求或释放通信。VFC的

主要有如下三种类型:

-> 1)在短时间内激活功能。例如VFC Locking，VFC Entrance等;

-> 2)在长时间激活功能。例如VFC Pre-climatization，VFC Charging，VFC Hazard等;

-> 3)激活驾驶时所需的功能。例如VFC Vehicle Driving、VFC Vehicle Driving LowSpeed等。

本文讲述局部网络管理是电子电器架构开发过程中非常重要的部分，定义了不同功能场景下整车ECU的唤醒及休眠策略，系统工程师需要详细阅读此章节以便于系统设计时能够正确的设计VFC，零部件及软件工程师也需要详细阅读此章节。

PNC/VFC业务开发流程

PNC工作流程示意如下图所示。

1、系统层中根据功能实现需求，将实现某一功能相关的LC映射到同一VFC，当功能被激活时，这个VFC相关的LC都要被激活，它们之间收发的PortGroup会被打开，以此来保障功能实现;

2、将VFC映射到PNC，建立PNC与VFC的关系映射，当VFC激活时，对应的PNC也会在总线上被置1。同时与这个PNC相关的TXPDUGroup和RxPDUGroup都会被打开，可以在总线上进行信息交互;

3、ECU层通过CAN总线实现PNC的唤醒以及休眠。如上图所示，当PNC1被激活时，由于映射到VFC1和VFC2的SW-C分配到了ECUA和ECUB内，ECUA与ECUB会通过CAN网络上传递的网络管理顿唤醒。当PNC2被激活时，同理，ECU B和ECU C会被唤醒。VFC的激活/停用:

-> 1)LC被映射到VFC;

-> 2)每一个VFC必须有至少一个Activator (Activator一般为某个LC)

-> 3)Activator的职责是保持VFC的激活/唤醒和休眠/停用;

-> 4)当所有作为该VFCActivator的LC都不被需要时，这个VFC将会停用;

-> 5)架构工程师需要依据SRD将LC分配到合适的VFC中去。

PNC的激活/停用:

-> 1、LC被映射到VFC，VFC被映射到PNC。PNC是使用在实际总线中的实体，并且通过网络管理在车辆中分布;

-> 2、对于所有的节点，PNC信息是用在全局或功能的网络管理机制中。即只要一个节点一直发送相应PNC被置位的网络管理帧，这个PNC就被认为是激活的;

-> 3、PNC目前只支持CAN和FlexRay总线。并且在FlexRay总线上被限制只支持请求和释放PNC。由于FlexRay节点没有支持局部网络的硬件，所以FlexRay节点不能被关闭;

-> 4、FlexRay上的PNC置位时，相应的vote位也必须同时置位:

-> 5、设置为Active的PNC网关应该在源网段一直镜像路由，并额外传输3秒

二、VFC/PNC通信策略

VFC关联的所有LC，如果需要在ECU之间通信，就必须在系统层级与VFC建立关系。如下图所示:

信号A，B和C可以进行收发;当VFC 1制时，没有任何信号当VFC1激活时，可以进行收发。

LC在VFC中的角色定义LC与VFC建立关系时，一般有三种角色定义，如下表所示:表39LC的角色定义LC角色

LC中包含VFC激活条件，可以激活VFC，但当其他LC激活这个VFC时，LC不会被激活LC中包含VFC激活条件，可以激活VFC在其他LC激活这个VFC时，LC也同样会被激活。

LC可以在VFC激活时收发信号，但不能激活VFC。

VFC Port Group生成原则只有当一个信号的发送端和接收端在相同的VFC中，这个信号才能进行收发。所有的LC在系统设计时都需要跟 VFC 建立映射关系，并确保在功能激活时有至少一个VFC激活。

如上图所示，在子系统设计时，LC 1和LC 2同时map到VFC1中，所以Port S1会在VFC 1 Port Group组中，LC 1和LC 3，LC 4同时map到VFC2中，所以Port S1、S2、S3会出现在VFC 2 Port Group组中。当LC1分配到ECU1，ECU1就会与VFC 1和VFC 2建立关系，ECU 1的VFC 1 Port Group中有Port S1，VFC 2 Port Group中有S1、S2。同理，ECU 2包含VFC 1 Port Group，其中有PortS1，ECU3包含VFC 2 Port Group，其中有Port S1、S2、S3，ECU4包含VFC2 Port Group，其中有Port S3。

三、PNC与PDU Group的关系

车载网络中的PNC（Partial Network Cluster，部分网络信号组）与PDU Group（Protocol Data Unit Group，协议数据单元组）之间的关系可以从以下几个方面进行理解：

定义与功能：

PDU Group：PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）是网络通信中的基本数据传输单元。PDU Group则是将这些PDU进行逻辑分组，以更高效地管理网络通信和数据传输。

PNC：PNC是一种将网络通信进行分组和控制的方法，旨在找到一种控制器最小化唤醒的路径。它通过集合不同ECU（电子控制单元）之间的信号，通过激活部分ECU实现局部唤醒，从而达到节能的目的。

层级与位置：

PDU Group和PNC都属于AUTOSAR（汽车开放系统架构）的不同层级。PDU Group通常位于AUTOSAR的COM（通信）层，而PNC也是从Autosar 4.0.3开始增加的，同样属于COM层。

关联与互动：

PDU Group作为协议数据单元的逻辑分组，为PNC提供了数据传输的基础。PNC通过控制和分组这些PDU Group，实现了对网络通信的优化和管理。

简单来说，PNC可以理解为在PDU Group的基础上进行的高级管理和分组控制。

总结来说，车载网络中的PNC与PDU Group是紧密相关的。PDU Group为PNC提供了基础的数据传输单元，而PNC则通过对PDU Group的管理和控制，实现了网络通信的优化和节能目标。两者在车载网络架构中各自发挥作用，共同促进了车载网络的高效运行。

架构工程师会根据每个VFC与哪些ECU相关，以最小唤醒网络考虑，将VFC映射给PNC。一个PNC中可以映射多个VFC，同一个VFC只会存在一个PNC中。

当子系统设计完成后，VFC与Port Group以及ECU与LC的关系就会自动生成。这部分的关系在每个阶段的释放阶段，会体现在系统描述文件中给通信数据库团队进行信号打句。

当通信数据库团队完成信号打包后，每个Frame中包含哪些Port已经确认了，而Port和VFC的关系，就自动带入成了Frame和PNC的关系。

假设ECUA的发送的Frame1中包含Port 1，Port2 ，Port 3，接收的Frame2中包含了Port 4。Port 1，Port 4在ECU A的VFC 1 Port Group中，Port 2和Port 3在ECU A的VFC 2 Port Group中，VFC 1被映射到了PNC1中，VFC2被映射到了PNC 2中。那么在ECU A的ARXML文件中，Frame l所关联的IPDU就会出现在Tx SPG PNC 1和的ARXML文件中，Frame 1所关联的IPDU就会出现在Tx SPG PNC1 和Tx SPG PNC2中，Frame 2所关联的IPDU就会出现在Rx SPG PNC2。

在网络上有任何ECU激活PNC1时，ECUA就可以打开PNC1相关的PDUGroup的通信开关，可以进行Frame1的发送。当任何ECU激活PNC2时，ECU A就可以打开PNC2相关的PDUGroup的通信开关，可以进行Frame1的发送和Frame2的接收。需要强调的是，根据上述解释，只有在 PNC 激活时，ECU才可以打开PNC关联的PDU Group，进行Group 中的报文的发送和接收。

四、局部网络管理小结

PNC/NFC 归根到底还是网络管理的概念，设计时重点关注每个PNC的Activator，清楚每个PNC的功能关联范围，需要一定网络管理知识和熟悉功能的设计方案。

局部网络管理（Local Network Management）在车载网络系统中扮演着至关重要的角色。它是确保车载网络中各个电子控制单元（ECU）之间高效、可靠且安全通信的关键。小结如下：

1、定义与目标：

局部网络管理主要负责监控、控制和优化车载网络中特定区域或子网络的通信。

其目标是确保数据在ECU之间准确、及时地传输，同时优化网络带宽的利用，减少通信延迟和冲突。

2、关键组件：

网络控制器：负责协调和管理网络中的通信，包括识别、路由和转发数据。

协议栈：实现网络协议的各层，如物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

网络监控工具：用于诊断网络故障、分析网络性能和监控网络状态。

3、功能与特点：

数据路由与转发：根据网络协议和地址信息，将数据包从源ECU路由到目标ECU。

网络隔离与分段：通过将网络划分为不同的逻辑或物理子网络，减少通信干扰和冲突。

优先级管理：确保高优先级的数据包能够优先传输，满足车载网络中的实时性要求。

安全与加密：确保数据传输的安全性和完整性，防止非法访问和篡改。

4、优化策略：

唤醒机制：通过PNC等机制，实现部分网络唤醒，减少系统能耗。

带宽管理：动态分配网络带宽，确保不同应用的数据传输需求得到满足。

容错与冗余：通过备份路径和故障恢复机制，提高网络的可靠性和稳定性。

5、挑战与未来趋势：

复杂性增加：随着车载网络规模的扩大和功能的增加，局部网络管理的复杂性也在增加。

安全性挑战：随着车载网络的互联性和开放性增加，网络安全成为了一个重要的挑战。

智能化发展：未来局部网络管理将更加智能化，利用人工智能和机器学习技术实现自适应的网络优化和管理。

局部网络管理是车载网络系统中不可或缺的一部分。它对于确保车载网络的高效、可靠和安全运行具有重要意义。随着车载网络技术的不断发展，局部网络管理也将持续演进，以适应日益复杂和多样化的车载网络环境。

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