Automotive Ethernet architecture and security: challenges and technologies

Vehicle infrastructure must address the challenges posed by today's advances toward connected and autonomous vehicles. To allow for more flexible architectures, high-bandwidth connections and scalability are needed to connect many sensors and electronic control units (ECUs). At the same time, deterministic and low latency is a critical and significant design requirement to support urgent real-time applications in autonomous vehicles. As a recent solution, the time-sensitive network (TSN) was introduced as Ethernet-based amendments in IEEE 802.1 TSN standards to meet those needs. However, it had hurdle to be overcome before it can be used effectively. This paper discusses the latest studies concerning the automotive Ethernet requirements, including transmission delay studies to improve worst-case end-to-end delay and end-to-end jitter. Also, the paper focuses on the securing Ethernet-based in-vehicle networks (IVNs) by reviewing new encryption and authentication methods and approaches

Timing in Technischen Sicherheitsanforderungen für Systementwürfe mit heterogenen Kritikalitätsanforderungen

Traditionally, timing requirements as (technical) safety requirements have been avoided through clever functional designs. New vehicle automation concepts and other applications, however, make this harder or even impossible and challenge design automation for cyber-physical systems to provide a solution. This thesis takes upon this challenge by introducing cross-layer dependency analysis to relate timing dependencies in the bounded execution time (BET) model to the functional model of the artifact. In doing so, the analysis is able to reveal where timing dependencies may violate freedom from interference requirements on the functional layer and other intermediate model layers. For design automation this leaves the challenge how such dependencies are avoided or at least be bounded such that the design is feasible: The results are synthesis strategies for implementation requirements and a system-level placement strategy for run-time measures to avoid potentially catastrophic consequences of timing dependencies which are not eliminated from the design. Their applicability is shown in experiments and case studies. However, all the proposed run-time measures as well as very strict implementation requirements become ever more expensive in terms of design effort for contemporary embedded systems, due to the system's complexity. Hence, the second part of this thesis reflects on the design aspect rather than the analysis aspect of embedded systems and proposes a timing predictable design paradigm based on System-Level Logical Execution Time (SL-LET). Leveraging a timing-design model in SL-LET the proposed methods from the first part can now be applied to improve the quality of a design -- timing error handling can now be separated from the run-time methods and from the implementation requirements intended to guarantee them. The thesis therefore introduces timing diversity as a timing-predictable execution theme that handles timing errors without having to deal with them in the implemented application. An automotive 3D-perception case study demonstrates the applicability of timing diversity to ensure predictable end-to-end timing while masking certain types of timing errors.Traditionell wurden Timing-Anforderungen als (technische) Sicherheitsanforderungen durch geschickte funktionale Entwürfe vermieden. Neue Fahrzeugautomatisierungskonzepte und Anwendungen machen dies jedoch schwieriger oder gar unmöglich; Aufgrund der Problemkomplexität erfordert dies eine Entwurfsautomatisierung für cyber-physische Systeme heraus. Diese Arbeit nimmt sich dieser Herausforderung an, indem sie eine schichtenübergreifende Abhängigkeitsanalyse einführt, um zeitliche Abhängigkeiten im Modell der beschränkten Ausführungszeit (BET) mit dem funktionalen Modell des Artefakts in Beziehung zu setzen. Auf diese Weise ist die Analyse in der Lage, aufzuzeigen, wo Timing-Abhängigkeiten die Anforderungen an die Störungsfreiheit auf der funktionalen Schicht und anderen dazwischenliegenden Modellschichten verletzen können. Für die Entwurfsautomatisierung ergibt sich daraus die Herausforderung, wie solche Abhängigkeiten vermieden oder zumindest so eingegrenzt werden können, dass der Entwurf machbar ist: Das Ergebnis sind Synthesestrategien für Implementierungsanforderungen und eine Platzierungsstrategie auf Systemebene für Laufzeitmaßnahmen zur Vermeidung potentiell katastrophaler Folgen von Timing-Abhängigkeiten, die nicht aus dem Entwurf eliminiert werden. Ihre Anwendbarkeit wird in Experimenten und Fallstudien gezeigt. Allerdings werden alle vorgeschlagenen Laufzeitmaßnahmen sowie sehr strenge Implementierungsanforderungen für moderne eingebettete Systeme aufgrund der Komplexität des Systems immer teurer im Entwurfsaufwand. Daher befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit eher mit dem Entwurfsaspekt als mit dem Analyseaspekt von eingebetteten Systemen und schlägt ein Entwurfsparadigma für vorhersagbares Timing vor, das auf der System-Level Logical Execution Time (SL-LET) basiert. Basierend auf einem Timing-Entwurfsmodell in SL-LET können die vorgeschlagenen Methoden aus dem ersten Teil nun angewandt werden, um die Qualität eines Entwurfs zu verbessern -- die Behandlung von Timing-Fehlern kann nun von den Laufzeitmethoden und von den Implementierungsanforderungen, die diese garantieren sollen, getrennt werden. In dieser Arbeit wird daher Timing Diversity als ein Thema der Timing-Vorhersage in der Ausführung eingeführt, das Timing-Fehler behandelt, ohne dass sie in der implementierten Anwendung behandelt werden müssen. Anhand einer Fallstudie aus dem Automobilbereich (3D-Umfeldwahrnehmung) wird die Anwendbarkeit von Timing-Diversität demonstriert, um ein vorhersagbares Ende-zu-Ende-Timing zu gewährleisten und gleichzeitig in der Lage zu sein, bestimmte Arten von Timing-Fehlern zu maskieren

Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert