1.2 互聯網分布式測試概述

隨著汽車產品研發日趨全球化，利用互聯網等新技術，統籌不同地區或不同領域的開發平臺，節省開發和測試的時間和成本，成為各國關注的重點。工業4.0是德國政府提出的一個高科技戰略計劃。該項目由德國聯邦教育及研究部和聯邦經濟技術部聯合資助，旨在提升制造業的智能化水平，建立具有高適應性、高資源效率及符合人因工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴，其技術基礎是網絡實體系統及物聯網。同時，“互聯網+”的概念也在我國興起。2015年，我國政府提出制定“互聯網+”行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展。其中，“互聯網+工業”即傳統制造業企業采用移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等信息通信技術，改造原有產品及研發生產方式，與“工業互聯網”“工業4.0”的內涵一致。

隨著產品創新迭代的加速，產品復雜性的上升，汽車產品的開發已經不僅僅是獨立的機電產品開發，而更多地轉變為跨學科的合作^[12]。這種轉變也有利于根據客戶的要求，滿足產品多樣化功能和需求^[13-15]。因為供應商在開發階段發揮愈加重要的作用，多元網絡化供應鏈與開發過程的關系相較以往更為密切^[16]。這意味著稍許變化或延遲可能會影響整個項目計劃進度。此外，還必須考慮有關環境和社會責任^[17]。

全球化的趨勢、產品的復雜性、技術的快速更迭以及技術專長的區域化等都為汽車行業帶來了新的挑戰^{[18，19]}。多個地區或國家之間的合作測試和驗證工作現在已成為行業慣例。實現這種合作的一種方式是將全球分布的測試和驗證部分用互聯網連接，避免了將分布式部件資源集中整合進行本地測試帶來的資源浪費。該方法的優點還包括，保證產品開發方的機密信息安全，避免在開發過程中向合作單位泄露知識產權信息等。因此，將不同地區的開發測試驗證系統通過網絡連接，可以大大提高產品開發和測試的效率。

分布式系統是其組件分布在聯網的計算機上，組件之間通過傳遞消息進行通信和動作協調的系統。為了實現實時測試的目標，可通過互聯網連接兩個或多個地理分布式系統。分布式系統具有如下特征^[20]：

● 并發：用戶可在各自計算機上工作，在必要時共享諸如Web頁面或文件等資源。

● 缺乏全局時鐘：網絡上的計算機與時鐘同步所達到的準確性有限，即沒有一個正確時間的全局概念。

● 故障獨立性：網絡故障導致互聯的計算機隔離，但不意味著計算機停止運行。計算機的故障或系統中程序的異常終止，并不能馬上使與它通信的其他組件了解。

分布式系統的難點是處理其組件的異構性、開放性（允許增加或替換組件）、安全性、可伸縮性（負載增加時能正常運行的能力）、故障處理、組件的并發性、透明性和提供服務質量的問題。

1.2.1 分布式系統的性能

由上文可知，分布式系統的性能由該系統的異構性、開放性、安全性、可伸縮性、故障處理、組件的并發性、透明性等決定。

異構性即為多樣性和差別性，表現為分布式系統的各組件在軟硬件、操作系統、編程方式上存在差別。開放性為系統能否以不同方式進行擴展和重新實現的性能。開放的分布式系統主要特征為系統的關鍵接口開放，以及通信機制一致?？缮炜s性為負載增加時仍能保持正常運行的能力。在理想狀態下，當系統規模增加時，系統結構和應用程序不需要做出改變。但是在實際應用中，為了避免軟硬件資源出現過度開銷和性能損失，往往需要針對系統的可伸縮性進行設計。故障處理指的是針對分布式系統的進程和網絡中產生的故障進行處理，包括故障檢測、故障掩蓋、容錯、故障恢復、冗余等。由于分布式系統的故障出現是分散的，即一部分組件發生故障，一部分組件運行正常，因此分布式系統的處理較為困難。組件的并發性指在分布式系統中，可能會出現同時有多個客戶端要求訪問同一個共享資源的情況。透明性被定義為對用戶和應用程序員屏蔽分布式系統組件的分離性，使系統被認為是一個整體，而不是獨立組件的集合。ANSA（ANSA 1989）與ISO（ISO 1992）給出了幾種透明性的定義^[20]，即訪問透明性（以相同的操作訪問本地資源和遠程資源）、位置透明性（無須了解資源位置的訪問）、并發透明性（多進程互不干擾）、故障透明性（用戶可獨立完成故障屏蔽）、移動透明性（資源的移動不影響操作和訪問）、性能透明性（系統配置隨著負載變化而調整）和伸縮透明性（系統或應用能夠進行擴展，同時系統基本結構不變）。

1.2.2 分布式系統網絡

分布式系統利用局域網、廣域網進行通信，因此網絡性能以及服務質量影響通信質量和分布式系統性能。常見局域網和廣域網的分類性能見表1.1。

OSI（Open System Interconnect），即開放式系統互聯。一般都稱為OSI參考模型，是ISO（國際標準化組織）在1985年研究的網絡互聯模型。該體系結構標準定義了網絡互聯的7層框架（物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層），即ISO開放系統互聯參考模型。在這一框架下進一步詳細規定了每一層的功能，以實現開放系統環境中的互聯性、互操作性和應用的可移植性^[21]。OSI模型的結構見表1.2。

網絡通信協議是一種網絡通用語言，為連接不同操作系統和不同硬件體系結構的互聯網絡提供通信支持。其中，網絡應用服務在選擇傳輸層協議時有兩大選擇，即TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）或UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）。TCP是一種面向連接的、具備可靠傳輸特性的協議；UDP是一種面向無連接的傳輸協議^[22]。網際協議（IP）為互聯網絡層協議，IP數據報為互聯網提供了基本傳輸機制。應用層消息經過TCP或UDP端口封裝為TCP或UDP數據包，再經互聯網絡層，前端封裝IP頭部，經網絡接口層，通過底層網絡（光纖等傳輸介質）傳輸?；ヂ摼W絡消息傳遞過程如圖1.1所示。

在傳輸層通信協議的選擇上，TCP是一種面向廣域網的通信協議，目的是在跨越多個網絡通信時，為兩個通信端點之間提供一條具有下列特點的通信方式^[23]：

● 基于流的方式。

● 面向連接。

● 可靠通信方式。

● 在網絡狀況不佳的時候，盡量降低系統由于重傳帶來的帶寬開銷。

● 通信連接維護是面向通信的兩個端點的，而不考慮中間網段和節點。

基于TCP協議的特點，TCP協議在數據傳輸時有以下規則：

● 數據發送時，發送端將數據分為若干片，接收端接收數據是對數據進行重組并向發送端返回接收確認信號。

● 發送端在發送同時啟動定時器，若定時器超時后沒有收到接收端的確認信號，啟動重新發送。

● 一旦出現數據失序或重復，接收端將收到的數據重新排序、將重復數據丟棄。

UDP是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向操作的簡單非可靠信息傳送服務。UDP協議直接工作于IP協議的上層，和TCP協議提供的服務相比具有以下特點^[23]：

● 是一種報文投遞方式，沒有“流”的概念。

● 不存在連接。

● 不提供可靠的通信保證。

● UDP頭部包含很少的字節，比TCP頭部消耗少，傳輸效率高。

因此基于UDP的協議特點，UDP協議在傳輸時有以下規則：

● 不存在數據分片，不存在對接收端的數據進行確認的行為。

● 沒有流量控制和連接的建立與維護。

對TCP與UDP兩種通信協議進行比較后，可知UDP協議不存在數據分片，因此系統帶寬占用較小，有利于利用有限帶寬，適合于時間間隔較大的通信方式。

1.2.3 分布式系統架構

對于分布式系統單獨一側測試系統，可將測試系統按功能分為以下5個層級^[24]，如圖1.2所示。

其中過程層主要為測試硬件設備，包括傳感器、測試臺、測試硬件、執行器等。測試對象不一定為測試硬件，根據驗證目標，測試對象可能是系統中的一個元素、組件、子系統或整個動力系統。測試臺的設計與配置主要由測試對象決定，必須考慮測試臺的靜態與動態特性。測試對象的負載特性基本上取決于執行器的性能，常用的負載特性包括轉矩和效率特性、負載單元中轉矩建立的響應時間以及能量轉換特性。

為了實現各種負載條件，將執行器分為機械、電氣和氣候加載設備。機械加載裝置一方面包括產生一定轉矩或速度的裝置（測功機、渦流制動器等），另一方面包括機械控制系統，如加速踏板、駕駛機器人。電力負載裝置（電池模擬器、電子負載）實現對電池、電力電子部件或燃料電池系統電負載的調節。

接口層向過程層提供信號輸出并完成過程層的信號輸出。為了以較低的成本實現在電磁干擾下可靠和及時的數據傳輸，總線系統作為一種特殊類型的通信網絡得到應用。圖1.3比較了標準協議與企業專用協議的總線系統數據傳輸速率^[25]。目前，有兼容不同硬件和軟件的標準總線系統以及僅在少數制造商專用測試臺中使用的總線系統可供選擇?？偩€的選擇與實時操作系統的實時條件有關。根據文獻[26]，實時操作定義如下：“實時操作系統（real-time operating system，RTOS）是在指定的時間限制里面，保證一個特定能力的操作系統。”文獻[27]給出了3個實時條件：“硬”實時條件、“軟”實時條件和“固定”實時條件。在硬實時系統中，事件（也稱任務，Task）的截止期錯過會對外部環境造成嚴重后果，甚至導致系統崩潰。典型的硬實時系統有飛行器控制系統、復雜核電控制系統等。軟實時系統中，個別任務可以不滿足截止期的時間要求，但會在一定程度上造成系統性能的下降。在固定的實時條件下，如果超過了時間要求，不會立即受到影響，但是違反時間要求后的計算結果是無效的。圖1.4比較了硬件和軟件的實時情況。

在業務層，為滿足測量和控制質量以及安全要求，通常使用硬實時系統。另一方面，在操作層和控制層，通常使用軟實時系統。由于控制或仿真模型在非實時系統中構建，因此在實時系統上實現的模型必須首先轉化為實時代碼。

在操作層，通過特定的用戶界面可以定義模型或測試程序。在仿真測試期間，在操作層記錄或模擬的信號和狀態將以合適的形式呈現。控制層則集成各個測試平臺的模型，運行測試并記錄測試結果。