OSEK/VDX直接網(wǎng)絡(luò)管理一致測(cè)試方法設(shè)計(jì)

摘 要: 在深入研究OSEK/VDX網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出一種針對(duì)OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理的測(cè)試方法。根據(jù)OSEK NM規(guī)范設(shè)計(jì)直接網(wǎng)絡(luò)管理測(cè)試架構(gòu)以及測(cè)試方案,定義測(cè)試報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后以CANoe總線分析測(cè)試軟件為基礎(chǔ)搭建測(cè)試平臺(tái),以O(shè)SEK直接網(wǎng)絡(luò)管理的睡眠過(guò)程為例進(jìn)行一致性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該方法能有效地檢測(cè)OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理功能與OSEK NM規(guī)范的一致性。
關(guān)鍵詞: OSEK/VDX網(wǎng)絡(luò)管理； 一致性測(cè)試； CAN總線； CANoe

隨著近年汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車控制，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等裝置中都采用電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)[1]。一些高檔的轎車大約有70個(gè)ECU，ECU之間傳遞的信息超過(guò)2500條[2]。為了使ECU之間實(shí)現(xiàn)信息共享，誕生了在汽車控制系統(tǒng)中應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，即車載網(wǎng)絡(luò)。隨著汽車中電子單元的增加，網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，ECU在通信時(shí)，可能由于其他節(jié)點(diǎn)未上線或出現(xiàn)故障而造成信息丟失，所以需要專門(mén)的網(wǎng)絡(luò)管理組件對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，以達(dá)到車載網(wǎng)絡(luò)信息傳輸準(zhǔn)確性、安全性的目的。
OSEK/VDX (Open Systems and the Corresponding Interfaces for Automotive Electronics/Vehicle Distributed eXecutive) 是歐洲主要的汽車廠商和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出的一種基于汽車電子開(kāi)放式系統(tǒng)及其接口的軟件標(biāo)準(zhǔn)。鑒于汽車網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，OSEK/VDX中的網(wǎng)絡(luò)管理NM(Network Management)規(guī)范提供了標(biāo)準(zhǔn)的管理策略，通過(guò)接口和服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車網(wǎng)絡(luò)中ECU節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控和管理[3]。OSEK/VDX規(guī)范對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理提出直接網(wǎng)絡(luò)管理和間接網(wǎng)絡(luò)管理兩種實(shí)現(xiàn)機(jī)制。
OSEK/VDX規(guī)范是通過(guò)自然語(yǔ)言和圖表形式進(jìn)行描述的，程序開(kāi)發(fā)人員在根據(jù)規(guī)范編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)，可能因?yàn)閷?duì)規(guī)范的不同理解、編寫(xiě)代碼時(shí)的失誤等原因，導(dǎo)致應(yīng)用程序與規(guī)范的不一致。對(duì)于安全性有極高要求的汽車電子系統(tǒng)而言，這種現(xiàn)象是不允許的。因此，有必要通過(guò)一致性測(cè)試來(lái)判斷開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序是否符合預(yù)定規(guī)范。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)OSEK OS（OSEK Operation System）的一致性測(cè)試方法提出了一些解決方案。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種OSEK OS服務(wù)調(diào)用規(guī)范的一致性測(cè)試方法，參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種OSEK OS一致性測(cè)試用例生成的方法，但是很少對(duì)OSEK NM的一致性測(cè)試做相應(yīng)研究。
本文在深入研究OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的基礎(chǔ)上提出了一種OSEK NM一致性測(cè)試方法，設(shè)計(jì)出一種基于直接網(wǎng)絡(luò)管理功能的測(cè)試架構(gòu)，并定義了測(cè)試方案、測(cè)試報(bào)文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和測(cè)試流程。
1 OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理基本原理
在OSEK NM規(guī)范中，直接網(wǎng)絡(luò)管理是一種自組織形式網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有主從之分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被網(wǎng)絡(luò)中其他的節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。直接網(wǎng)絡(luò)管理通過(guò)邏輯環(huán)對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理與監(jiān)控，如圖1所示為直接網(wǎng)絡(luò)管理邏輯環(huán)的體系結(jié)構(gòu)。連接在總線上的A、B、C 3個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有自己唯一的網(wǎng)絡(luò)管理身份標(biāo)識(shí)ID,且IDA<IDB<IDC，根據(jù)ID的大小，以A→B→C→A的順序傳輸特定的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，形成一個(gè)虛擬邏輯環(huán)。在邏輯環(huán)中連接的所有節(jié)點(diǎn)按照邏輯環(huán)規(guī)定的方向發(fā)送特定的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，實(shí)現(xiàn)直接網(wǎng)絡(luò)管理功能。

圖2所示為直接網(wǎng)絡(luò)管理的狀態(tài)模型。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的調(diào)用和網(wǎng)絡(luò)通信狀況的改變，引起網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)的遷移，如調(diào)用StartNM()服務(wù)可啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理功能，使節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)從NMOff轉(zhuǎn)為NMOn。

在直接網(wǎng)絡(luò)管理中，為了滿足通信和網(wǎng)絡(luò)管理的需要，網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元NMPDU(NM Protocol Data Unit)包括地址域、控制域和數(shù)據(jù)域。圖3是網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元的基本格式。其中，Source ID表示網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的源地址，即發(fā)送該網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的節(jié)點(diǎn)地址；

Destination ID表示網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的目標(biāo)地址，即接收該網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的節(jié)點(diǎn)地址；Option Code表示操作碼，用來(lái)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的類型,其有Ring、Alive、LimpHome三種。 Data表示數(shù)據(jù)場(chǎng)，用于定義網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文中的附加信息。
直接網(wǎng)絡(luò)管理中各類型報(bào)文的作用：
(1)Ring報(bào)文：一個(gè)基本的監(jiān)視報(bào)文，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為正常狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在定時(shí)器的觸發(fā)下，根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID的大小順序地傳送Ring報(bào)文。
(2)Alive報(bào)文：一個(gè)在非正常狀態(tài)下的特殊報(bào)文，當(dāng)一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送Alive報(bào)文。
(3)LimpHome報(bào)文：當(dāng)接收/發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器超過(guò)其閾值或總線出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入NMLimpHome狀態(tài)，并周期地發(fā)送LimpHome報(bào)文。
2 OSEK NM的一致性測(cè)試方法
OSEK NM的一致性測(cè)試是一種功能性測(cè)試，在一致性測(cè)試中，測(cè)試者不必關(guān)心被測(cè)IUT（Implementation Under Test）內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)，只需關(guān)心其表現(xiàn)出來(lái)的外部行為[6-7]。
2.1 測(cè)試的體系結(jié)構(gòu)
根據(jù)OSEK NM規(guī)范，將網(wǎng)絡(luò)管理的測(cè)試體系結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，即被測(cè)系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)。
(1)被測(cè)系統(tǒng)，是IUT的載體，在測(cè)試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。
(2)測(cè)試系統(tǒng)，用來(lái)執(zhí)行測(cè)試案例程序，該設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)跟被測(cè)設(shè)備相互通信。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理測(cè)試方案分為兩個(gè)子塊，即測(cè)試管理模塊和輔助測(cè)試模塊。測(cè)試管理模塊由測(cè)試案例組成，在測(cè)試系統(tǒng)中運(yùn)行；輔助測(cè)試模塊作為被測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序在被測(cè)設(shè)備中運(yùn)行，用來(lái)配合測(cè)試管理模塊完成網(wǎng)絡(luò)管理功能的測(cè)試。在網(wǎng)絡(luò)管理功能測(cè)試中，輔助測(cè)試模塊起到兩方面的作用，一方面用來(lái)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，另一方面作為被測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序，通過(guò)調(diào)用NM API函數(shù)，控制IUT的運(yùn)行模式，并收集被測(cè)系統(tǒng)中IUT當(dāng)前的狀態(tài)信息，返回給測(cè)試系統(tǒng)。
測(cè)試管理模塊和輔助測(cè)試模塊之間的數(shù)據(jù)信息交換通過(guò)應(yīng)用報(bào)文完成，該報(bào)文為測(cè)試管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（TM_PDU）。該方式下，2個(gè)測(cè)試模塊之間的通信獨(dú)立于底層網(wǎng)絡(luò)管理通信協(xié)議，不影響網(wǎng)絡(luò)管理功能。
　 在OSEK 直接網(wǎng)絡(luò)管理中，網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)處理機(jī)制是很重要的一部分。根據(jù)OSEK NM規(guī)范，OSEK NM可以處理一些常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤，如通信超時(shí)、BusOff等，所以本文在網(wǎng)絡(luò)管理功能測(cè)試系統(tǒng)中增加了模擬和制造網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的模塊。
綜上所述，在直接網(wǎng)絡(luò)管理的測(cè)試架構(gòu)中，測(cè)試系統(tǒng)必須具備以下功能：
　 (1)測(cè)試系統(tǒng)必須具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文,并能模擬一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系行為。
　 (2)測(cè)試系統(tǒng)能接受并分析NMPDU，判斷被測(cè)系統(tǒng)中的IUT是否符合網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范，即帶有OSEK 直接網(wǎng)絡(luò)管理功能。
　 (3)測(cè)試系統(tǒng)能夠通過(guò)測(cè)試設(shè)備中一種特定的測(cè)試軟件編程來(lái)控制相應(yīng)的硬件設(shè)備，使總線出現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)故障(如Vector公司的CAN總線干擾儀CANstress)。
2.2 測(cè)試方案和測(cè)試管理報(bào)文的定義
　 在直接網(wǎng)絡(luò)管理模塊正常工作時(shí)，ECU應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用NM API接口函數(shù)來(lái)控制OSEK NM的相關(guān)動(dòng)作，如功能開(kāi)啟、關(guān)閉及睡眠等。而在直接網(wǎng)絡(luò)管理的測(cè)試過(guò)程中，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)必須能夠模擬這一過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)系統(tǒng)之間有兩種類型的報(bào)文，即直接網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文和測(cè)試管理報(bào)文。測(cè)試管理報(bào)文是測(cè)試管理模塊和輔助測(cè)試模塊之間的數(shù)據(jù)通道，使測(cè)試管理模塊能夠間接控制IUT，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。圖4所示為測(cè)試管理模塊和輔助測(cè)試模塊之間的兩種通信模式。
測(cè)試系統(tǒng)用圖4(a)所示的通信模式獲取被測(cè)系統(tǒng)中
NM模塊當(dāng)前的狀態(tài)以及配置信息，用圖4(b)所示的通信模式控制輔助測(cè)試模塊調(diào)用NM服務(wù)函數(shù)，圖中虛線箭頭表示根據(jù)需求服務(wù)的返回值可以選擇性的傳回測(cè)試系統(tǒng)。