AUTOSAR图解==＞AUTOSAR_SRS_NetworkManagement

AUTOSAR 网络管理模块详解

基于AUTOSAR标准的网络管理功能分析与实现

目录

• 1. 概述
• 2. 网络管理架构
  • 2.1 架构设计
  • 2.2 模块层次
• 3. 网络管理状态机
  • 3.1 状态定义
  • 3.2 状态转换
• 4. 网络管理协调流程
  • 4.1 网络唤醒流程
  • 4.2 网络关闭流程
• 5. 网络管理功能特性
  • 5.1 基本功能
  • 5.2 高级功能
• 6. 总结

---

1. 概述

AUTOSAR（汽车开放系统架构）网络管理模块是汽车电子系统中的关键组件，负责协调和管理车辆网络的启动、运行和关闭。本文基于AUTOSAR标准文档《Requirements on Network Management》进行分析，详细介绍网络管理模块的架构、状态机、协调流程和功能特性。

网络管理模块（Network Management，简称NM）的主要职责包括：

• 网络状态检测与管理
• 协调ECU（电子控制单元）之间的网络行为
• 管理网络的唤醒和关闭流程
• 优化网络功耗
• 支持部分网络唤醒功能

在AUTOSAR架构中，网络管理模块是一个标准化的服务层组件，为上层应用提供网络状态控制和管理的能力，同时与底层通信驱动交互，实现跨平台、跨总线的网络管理功能。

---

2. 网络管理架构

2.1 架构设计

AUTOSAR网络管理模块采用分层设计，将不同层次的功能进行清晰划分，保证了模块的可扩展性和可移植性。

如上图所示，网络管理架构可分为三个主要层次：

1. 应用层：包含用户应用和通信管理（ComM）模块

   • 应用通过ComM向网络管理发起请求
   • ComM负责管理上层应用的网络请求并转换为网络管理命令

2. 服务层：包含网络管理（NM）模块和诊断模块

   • 网络管理模块是核心组件，包含总线特定实现（CanNm、FrNm、EthNm）和通用接口
   • 提供统一的API接口给上层模块
   • 管理网络状态和协调网络活动

3. 通信层：包含通信抽象层和总线驱动

   • 通信抽象层提供硬件无关的接口
   • 总线驱动（CAN、FlexRay、以太网）负责具体的硬件通信

2.2 模块层次

网络管理模块内部主要包含以下组件：

• 通用NM接口：提供统一的API，隐藏不同总线实现的差异
• 总线特定NM实现：
  • CanNm：CAN总线网络管理实现
  • FrNm：FlexRay总线网络管理实现
  • EthNm：以太网网络管理实现
• 网络管理协调：负责协调多个网络的状态转换

这种分层设计使得网络管理模块能够适应不同总线类型，同时提供统一的接口，大大简化了应用开发。

---

3. 网络管理状态机

3.1 状态定义

AUTOSAR网络管理模块基于状态机实现，定义了一系列状态来表示网络的不同工作模式。

如上图所示，网络管理状态机包含以下主要状态：

1. 初始化（Initialization）：

   • 模块启动后的初始状态
   • 完成必要的初始化工作

2. 总线睡眠（Bus Sleep）：

   • 低功耗状态，通信控制器处于睡眠模式
   • 无网络活动，系统功耗最低

3. 准备网络（Prepare Network）：

   • 从睡眠状态转换到正常运行的过渡状态
   • 初始化网络通信，准备网络资源

4. 正常操作（Normal Operation）：

   • 网络完全运行的状态
   • 活跃通信，正常发送和接收NM消息

5. 重复消息（Repeat Message）：

   • 在特定条件下重复发送网络管理消息
   • 确保网络通信的可靠性

6. 准备总线睡眠（Prepare Bus Sleep）：

   • 从正常操作向睡眠状态转换的过渡状态
   • 协调网络关闭，确保所有节点都准备进入睡眠

3.2 状态转换

网络管理状态之间的转换由特定的事件和条件触发：

1. 初始化到总线睡眠：

   • 触发条件：初始化完成且没有网络请求
   • 动作：将通信控制器设置为睡眠模式

2. 初始化到准备网络：

   • 触发条件：初始化完成且有网络请求
   • 动作：唤醒通信控制器，准备网络通信

3. 总线睡眠到准备网络：

   • 触发条件：收到网络请求或外部唤醒信号
   • 动作：唤醒总线，重新启动网络通信

4. 准备网络到正常操作：

   • 触发条件：网络初始化完成
   • 动作：开始正常的网络管理消息交换

5. 正常操作到准备总线睡眠：

   • 触发条件：无活动网络请求
   • 动作：通知其他节点准备进入睡眠状态

6. 准备总线睡眠到总线睡眠：

   • 触发条件：所有节点都准备好睡眠，且总线无活动
   • 动作：将通信控制器设置为睡眠模式

7. 准备总线睡眠到正常操作：

   • 触发条件：收到新的网络请求
   • 动作：取消睡眠准备，恢复正常操作

这种状态机设计确保了网络状态转换的可靠性和一致性，同时优化了系统能耗。

---

4. 网络管理协调流程

4.1 网络唤醒流程

网络唤醒是网络管理模块的关键功能之一，负责将网络从睡眠状态恢复到活动状态。

如上图所示，网络唤醒流程包括以下步骤：

1. 应用请求通信：

   • 应用程序调用ComM_RequestComMode请求通信模式
   • ComM将请求传递给网络管理模块

2. 网络管理唤醒总线：

   • NM通过Nm_NetworkRequest请求网络唤醒
   • 激活通信控制器，将其从睡眠模式唤醒

3. 进入准备网络状态：

   • 网络管理模块切换到准备网络状态
   • 开始发送NM消息，包含节点标识符

4. 建立网络通信：

   • NM消息通过总线传输到其他ECU
   • 其他ECU收到消息后也被唤醒并发送响应

5. 进入正常操作状态：

   • 确认网络通信建立后，进入正常操作状态
   • 通知ComM网络已唤醒（Nm_NetworkMode通知）
   • ComM通知应用通信可用

这个流程确保了网络能够从低功耗状态平滑地过渡到正常工作状态，同时保证所有节点都能正确同步。

4.2 网络关闭流程

网络关闭流程是网络管理模块的另一项关键功能，负责协调网络从活动状态转为睡眠状态。

网络协调关闭流程包括以下步骤：

1. 应用释放通信：

   • 应用调用ComM_ReleaseComMode释放通信模式
   • ComM通知网络管理不再需要网络

2. 检查网络需求：

   • NM检查是否有其他应用仍需要网络
   • 如果没有，开始准备网络关闭

3. 发送准备睡眠消息：

   • NM发送带有准备睡眠标志的消息
   • 通知其他节点准备进入睡眠状态

4. 接收节点状态：

   • 接收其他节点的响应，确认它们的睡眠准备状态
   • 判断是否所有节点都准备睡眠

5. 条件判断分支：

   • 如果所有节点准备睡眠：
     • 进入准备总线睡眠状态
     • 通知ComM准备睡眠（Nm_PrepareBusSleepMode）
     • 发送最后的NM消息
     • 等待总线无活动
     • 进入总线睡眠状态
     • 通知ComM总线睡眠（Nm_BusSleepMode）
     • 关闭通信控制器
   • 如果至少一个节点不准备睡眠：
     • 保持正常操作状态
     • 网络仍保持活动

这个协调关闭流程确保了网络关闭的一致性，避免了一些节点关闭而其他节点仍需通信的情况，提高了系统的稳定性和可靠性。

---

5. 网络管理功能特性

5.1 基本功能

AUTOSAR网络管理模块提供了丰富的功能特性，满足不同应用场景的需求。

如上图所示，网络管理模块的基本功能包括：

1. 通用NM接口：

   • Nm_NetworkRequest：请求网络唤醒
   • Nm_NetworkRelease：释放网络请求
   • Nm_GetState：获取当前网络状态
   • Nm_GetLocalNodeIdentifier：获取本地节点标识符
   • Nm_CheckRemoteSleepIndication：检查远程睡眠指示
   • Nm_GetUserData/Nm_SetUserData：用户数据接口

2. 网络管理核心功能：

   • 网络状态管理：维护网络状态机
   • 网络唤醒控制：负责网络唤醒流程
   • 睡眠协调：协调网络关闭
   • 睡眠确认：确认睡眠条件
   • 网络错误处理：处理通信异常

3. 总线特定实现：

   • CAN总线实现：管理CAN总线状态和消息
   • FlexRay总线实现：管理FlexRay总线状态和消息
   • 以太网实现：管理以太网状态和消息

5.2 高级功能

除了基本功能外，网络管理模块还提供了一系列高级功能：

1. 部分网络：

   • 部分网络唤醒：选择性唤醒特定ECU
   • 选择性唤醒控制：根据需求唤醒部分网络
   • 电源消耗优化：减少不必要的ECU唤醒

2. NM通信协调：

   • 总线同步控制：同步多个总线的状态
   • 跨总线协调：协调不同总线类型
   • 多总线同步关闭：同步关闭多个网络

3. 节点状态管理：

   • 节点在线状态检测：检测节点是否在线
   • 节点睡眠状态检测：监控节点睡眠状态
   • 睡眠准备状态指示：指示节点准备睡眠

4. 配置参数：

   • 静态可配置功能：在预编译时配置
   • 可伸缩性：根据需求启用或禁用特定功能
   • 适应不同应用场景的灵活配置

这些高级功能使网络管理模块能够适应复杂的网络拓扑和应用需求，为整车电子系统提供可靠的网络管理服务。

---

6. 总结

AUTOSAR网络管理模块是汽车电子系统中不可或缺的组件，通过标准化的接口和功能，解决了复杂网络环境下的管理和协调问题。本文从架构设计、状态机、协调流程和功能特性四个方面对网络管理模块进行了详细分析。

网络管理模块的主要优势包括：

• 标准化接口：提供统一的API，简化应用开发
• 跨总线兼容：支持CAN、FlexRay、以太网等多种总线类型
• 可配置性：丰富的配置选项满足不同应用需求
• 能效优化：通过协调网络关闭和部分网络功能减少功耗
• 可靠性：状态机设计确保网络状态转换的可靠性和一致性

网络管理模块的典型应用场景包括：

• 整车网络管理：协调车辆所有ECU的网络行为
• 低功耗系统：优化车辆待机状态下的功耗
• 复杂网络拓扑：管理多总线网络系统
• 网关应用：协调不同网络域之间的状态同步

随着汽车电子架构的不断发展，网络管理模块将继续发挥关键作用，为车辆提供高效、可靠的网络管理服务。