分布式嵌入系统中的交互一致性

　　3 CAN在这类应用中的可能性

　　3.1 带宽

　　对4个轮子节点和1个指令节点（由踏板或其他系统转发刹车命令，转发由轮子来的轮速信号）构成的互为冗余系统，要容许1个错时，采用SM算法需要2轮通信，对5个节点需要交换输入数据1次，共25种帧，4个节点交换输出数据1次，共16种帧。如果要求每5 ms进行一次协调，传送41帧，对CAN而言将非常吃紧，这就是经常提到的CAN的带宽局限。这里假设了冗余后的系统只容许5 ms内有1个错。如果从互为冗余刹车系统的性价比考虑，为了此带宽问题，设立专用的CAN总线也是值得的。

　　SM算法实际上对数据的传送有很大的重复，在本例中对一个从节点而言它收到了5次。如果从节点只是瞬时有故障，它一定会收到正确值。按照SM算法，为了对付m个错，需要m+1个从节点，因此虽然互为冗余系统有5个节点，并不需要每个从节点都进行转发。例如取3个从节点转发输入，那么每5 ms就传送36帧，可以缓解带宽瓶颈。如取2个从节点转发，带宽变为每5 ms传送27帧。

　　3.2 确定性

　　有一种观点认为只有时间触发的通信协议才能满足高可信赖性要求。但这是片面的。在本例中，如果把所有互为冗余系统需要传送的消息都设为较高优先级，那么在总线上它们将像一个长帧不受阻挡延迟，只要带宽容许，就能送达。至于这些消息内部的到达先后，在SM算法中并无影响。更广义地讲，只要把CAN的触发事件与时间一一对应，它也可实现时间触发的功能。利用CAN的竟争发送，有错未发节点的带宽可被其他节点尽早利用，SM算法所需的时限计时器只要一个就够了。

　　3.3 错帧漏检

　　由于CAN中位填充规则对CRC的影响，根据笔者的研究，它的错帧漏检率较大，远大于Bosch CAN2.0规范的数据。但是由于SM算法中签名的存在，这一问题已免除或缓解。当签名也用本文建议的CRC方法，那么签名错而漏检的情况可以用CAN错帧漏检率同样的方法分析与改进。

　　3.4 容错

　　SM算法假设发送的消息总能正确送达，通信中可检出错要排除在外。这就需要某种纠错或冗余。CAN的出错自动重发是很好的纠错措施，但它只能应对瞬时干扰，对物理通道上的故障如断线、短路等，需要用容错CAN协议ISO118983的收发器。此种收发器的带宽更小，标准为125 kbps，较好的MAX3054可达250 kbps。如果互为冗余刹车系统的控制周期定为20 ms（即容许20 ms内有一个错）（参考文献[5]中引述的线控转向的容许失控时间为50 ms），那么CAN在满足容许物理故障时还能满足SM算法的带宽要求的。从概率上讲，由于重发而占用的带宽增量并不大。

　　4 小结

　　分布式互为冗余系统的特点是用重新分配的原理实现故障-安全。并不是所有系统都能采用这种方法。但是在分布式系统中保证数据的一致性是很重要的，例如同一数据可能应用于不同目的的控制系统中，这些系统在分开设计时就默认了数据一定是一致的。如果发生了不一致，这些系统的交互影响就难以预测。因此SM算法有其现实意义。

　　SM算法可以发现节点MCU与通信控制器的传递过程中的错，以及通信中的拜占庭错，这是一个非常重要的特性。由于本文发现了SM算法的签名转述同时具备的二个功能─重复发送和接收认可，使主节点也能与其他节点达到一致，这大大提高了容错实现的简易性。一般地说，拜占庭错难以发现，当双互备份架构输入有拜占庭错时，无法确定谁错而无法实现故障-静默，甚至可能出现互相冲突的输出。采用SM算法，可实现双互备份架构输入的一致性，再借用其他系统的节点的部分计算能力，可用使双互备份架构实现等效的三重备份输出的一致性。这在经济上有巨大意义。

　　本文根据总线通信分析了SM算法的实施方法以及CAN在用于SM算法时的一些问题。CAN是成熟的技术，成本较低，尽量扩展其应用是理所当然的事。就互为冗余刹车系统而言，CAN仍然是可以应用的。参考文献[3]提到了一种在2002年还是研制中的时间触发协议，现在看来，可能是FlexRay协议。毫无疑问，FlexRay的带宽优势很大，但是对其的研究还有待深入，例如它的时钟同步依赖于传送电缆上的模拟电平跳变，毛刺可能改变跳变位置，从而破坏整个协议的基础时钟。

　　SM算法需要的消息签名转发，均需要MCU的参与，对FlexRay或CAN而言，要高层协议或软件中间件实现，耗费时间，增加中间环节，增加了时间抖动与受干扰可能性，总之效率不高，并不理想，最好是用专门的硬件实现，这是值得探讨的事。