網絡拓撲結構對于汽車網絡系統安全具有重要的影響，要保證汽車環境下通訊系統的可用性和可靠性，需要面向特定應用進行優化。在這方面，最近出現的FlexRay物理層技術具有很大潛力。本文將從簡單的網絡例子入手，由簡至繁，最后推出一種可靠精密的解決方案，在此過程中我們將討論幾種可能的不同網絡配置以及它們的優缺點。

FlexRay具有創新的功能和安全的特點，能夠使汽車系統安全達到一個很高的水平。FlexRay不僅能簡化汽車電子和通信系統架構，同時還可幫助汽車電子單元變得更加穩定和可靠。包括豐田、日產、本田、現代以及起亞汽車公司在內的主要亞洲汽車生產商都已經加入FlexRay聯盟，進一步加強了該聯盟在創建針對汽車線控操作(by-wire)技術通用標準上所做的努力。隨著一些新汽車生產商的加入，全球每年生產的汽車中每10輛幾乎有7輛是由FlexRay成員生產。

在開始討論之前，我們先簡單介紹一下FlexRay協議。FlexRay是一種靈活的通訊系統，能夠滿足未來先進汽車高速控制應用的需要。同時FlexRay支持分布式控制系統，并可補充CAN、LIN和面向媒體應用的MOST光學數據總線等主要車內網絡標準。FlexRay協議旨在應用于需要高通信帶寬和決定性容錯數據傳輸能力的底盤控制、車身和動力總成等場合。

但FlexRay通信系統并非僅僅是一個通信協議，它還包括一種特殊設計的高速收發器，并定義了FlexRay節點不同部件間的硬件和軟件接口。FlexRay協議定義了網絡汽車系統中的通信過程格式和功能。除了開發中的協議、軟件和支持服務外，FlexRay聯盟還致力于通過聯盟成員中的領先工具廠商和測試機構來保證提供通信系統設計、測試測量以及仿真所需要的工具。

無論什么時候，控制系統都必須收集實際系統中足夠多的信息以保持對汽車的控制并增強其性能。汽車內采用的傳感器越來越多，特別是感知外部信息的傳感器，用來感知路面信息以及前方、鄰近以車輛后面的障礙物，此類傳感器包括視頻、雷達和光電傳感器，它們所捕捉的大量數據都實時傳輸到車內ECU進行處理。

FlexRay利用兩條獨立的物理線路進行通信，每條的數據速率為10Mbps。兩條通信線路主要用來實現冗余，因此消息傳輸具有容錯能力，當然也可以利用兩條線路來傳輸不同的消息，這樣數據吞吐量可以加倍。

FlexRay還可以工作在較低的數據速率。速度低于1Mbps時，允許支持傳輸總線結構(如CAN)；速度在1Mbps以上時，不同的節點利用主動星型耦合器以點到點方式進行連接。

FlexRay的重要目標應用之一是線控操作(如線控轉向、線控剎車等)，即利用容錯的電氣/電子系統取代機械/液壓部分。線控操作包括從轉向到剎車和加速等所有汽車控制應用互連技術，它可以補充并將最終代替目前的機械和液壓解決方案。車內部件特別是機械和液壓部件減少后就不必再支付這部分費用，因此就總體器件和組裝成本來說，采用電子系統比采用機械和液壓部件更便宜。

業界正致力于在汽車設計中轉向全電子系統，它將通過創新的智能駕駛輔助系統為司機和乘員提供更高的安全性以及更舒適的車內環境。

對于汽車購買者來說，另一項可以感受得到的好處是FlexRay將帶來更高設計自由，特別是在汽車內飾方面。由于沒有占用很大空間的駕駛桿，未來的汽車將具有全新的面貌和乘坐感覺。除了線控操作以外，FlexRay在汽車動力總成和安全電子系統方面也有很大的應用空間，這些應用都需要高速數據傳輸，如作為中央電子骨干總線連接車內各種總線網絡，而且便于在車內引入新的電子控制系統。

對于亞洲汽車生產商來說，FlexRay標準化所帶來的好處包括可削減開發和生產成本，降低采用這種創新性技術的風險，從而使這種新系統在市場中得到廣泛采用。目前汽車中不同控制設備、傳感器和制動器之間的數據交換主要是通過CAN網絡完成的，但新出現的線控操作系統對于通信網絡提出了更高的要求，特別是在消息傳輸的容錯性和時間確定性方面。通過在固定時隙內進行消息傳輸，并同時利用兩個通道提供消息傳輸容錯和冗余機制，FlexRay可滿足這些方面的要求。

完全冗余系統

圖1是一個汽車網絡應用的例子，其中有四個車輪節點(1至4)、一個中央電子控制單元(ECU)(5)以及一個備份ECU(6)。在應用軟件中采取適當措施后，一個ECU出現故障系統并不會受到影響。

然而簡單的FMEA(故障模式和效果分析)提醒我們可能會出現更嚴重的故障，如水進入連接器導致連接到某個ECU的兩個通道都出現問題、ECU印刷電路板斷裂或機械沖擊使電纜固定套脫落或變形等等，這些都會導致兩個通道出現同種故障模式(如圖2)，使得某些節點的通信完全中斷。

部分冗余系統

避免上述事故的一種方法是降低網絡拓撲的復雜性。讓我們回到熟知的兩條獨立對角線這一原則，那么可以得到一種可能的簡單解決方