作者：姜鴻雷
[本文選自《智能汽車：新一代技術(shù)與應(yīng)用》.姜鴻雷.電子工業(yè)出版社——書中第八章部分內(nèi)容]
前言
SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）的軟件設(shè)計(jì)原則之一是模塊化。模塊化可以提高軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性和代碼重用性，并且能夠隔離故障。舉例來(lái)說(shuō)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以分解為特定的任務(wù)模塊，如數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)和任務(wù)規(guī)劃等。為了完成各自的任務(wù)，這些模塊需要相互交換信息。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，將單個(gè)模塊映射到獨(dú)立的軟件進(jìn)程非常方便，這些進(jìn)程可以位于同一計(jì)算設(shè)備上，也可以位于物理上獨(dú)立的計(jì)算設(shè)備上。這使得進(jìn)程間通信成為一個(gè)深入研究的問(wèn)題，因?yàn)樾畔⒔粨Q是通過(guò)進(jìn)程間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
一. 通信中間件
在軟件定義汽車中，應(yīng)用程序之間的跨進(jìn)程或跨核通信是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。模塊化架構(gòu)為開(kāi)發(fā)人員提供了便利，但也引入了對(duì)通信中間件的需求。
在沒(méi)有使用通信中間件的情況下，開(kāi)發(fā)人員需要自己定義數(shù)據(jù)的格式、發(fā)送方和接收方。然而，使用基于服務(wù)/數(shù)據(jù)的發(fā)布和訂閱模式（如SOME/IP和DDS），開(kāi)發(fā)人員只需要明確需要什么樣的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)應(yīng)該傳遞到哪里，而無(wú)需關(guān)注數(shù)據(jù)的發(fā)送方和發(fā)送方式。
以數(shù)據(jù)為中心是相對(duì)于傳統(tǒng)的以消息為中心而言的，其本質(zhì)區(qū)別在于通信中間件知道存儲(chǔ)了什么數(shù)據(jù)并能夠控制如何共享這些數(shù)據(jù)。對(duì)于傳統(tǒng)的以消息為中心的中間件，程序員必須為發(fā)送消息編寫代碼，而對(duì)于以數(shù)據(jù)為中心的中間件，程序員只需為如何共享數(shù)據(jù)編寫代碼，然后可以直接共享數(shù)據(jù)值。
通信中間件可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、消息隊(duì)列和發(fā)布/訂閱三種工作模式，SOME/IP和DDS都采用了發(fā)布/訂閱模式。
在發(fā)布/訂閱模型中，發(fā)布者和訂閱者通過(guò)主題進(jìn)行關(guān)聯(lián)，雙方不需要知道對(duì)方在何處，也不需要同時(shí)在線。這實(shí)現(xiàn)了通信雙方在時(shí)間、空間和數(shù)據(jù)通信上的多維松耦合。
此外，與面向信號(hào)的CAN相比，DDS和SOME/IP都是面向服務(wù)的通信協(xié)議。兩者的區(qū)別在于面向信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸始終循環(huán)發(fā)送，而面向服務(wù)的通信方式不同，只有在客戶端請(qǐng)求或服務(wù)器通知特定訂閱者時(shí)，才在客戶端-服務(wù)器配置中交換數(shù)據(jù)。這確保了永遠(yuǎn)不會(huì)浪費(fèi)帶寬，并且僅在需要的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信/交換。因此，面向服務(wù)的通信協(xié)議可以大大減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高通信效率。
在軟件定義汽車時(shí)代，車內(nèi)的所有可調(diào)用功能都被視為服務(wù)，并提供不同類型的調(diào)用接口，這些接口可以按以下方式分類：
1、API接口：提供各類函數(shù)的調(diào)用接口，使應(yīng)用程序能夠調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部的功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)。應(yīng)用程序可以通過(guò)調(diào)用相關(guān)的API接口來(lái)提供和使用功能服務(wù)。
2、文件方式：以配置文件或設(shè)備文件的形式提供系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)用能力。這些文件可以通過(guò)配置自動(dòng)生成，包含有效的配置信息，并且可以在運(yùn)行環(huán)境中被特定的程序讀取和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)。
3、系統(tǒng)原生服務(wù)：操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)類庫(kù)提供的可操作能力，包括對(duì)系統(tǒng)CPU和內(nèi)存的監(jiān)測(cè)、應(yīng)用程序的監(jiān)控、系統(tǒng)資源的劃分等。此外，還可以調(diào)用C++、boost等基礎(chǔ)類庫(kù)。
4、IPC接口：各種IPC機(jī)制提供系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間的調(diào)用能力，包括使用套接字（socket）、共享內(nèi)存等進(jìn)程間通信方式，以及使用特定的跨核通信方式如IPCF。
5、協(xié)議棧接口：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供跨平臺(tái)的調(diào)用能力，包括SOME/IP、DDS、MQTT、HTTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的調(diào)度服務(wù)、接口封裝和協(xié)議轉(zhuǎn)換等。
盡管在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）已經(jīng)被應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間，但在汽車行業(yè)中，它算是相對(duì)較新的概念。在Adaptive AutoSAR框架中，通信管理模塊包括進(jìn)程間通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。
鑒于汽車應(yīng)用場(chǎng)景和通信需求的特殊性，許多互聯(lián)網(wǎng)的SOA技術(shù)并不能直接應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，SOA通信中間件系統(tǒng)的各個(gè)層面需要滿足以下要求：
1、本地服務(wù)和遠(yuǎn)程服務(wù)之間的通信應(yīng)該使用統(tǒng)一的接口描述語(yǔ)言（IDL）定義的文件作為契約。IDL是一種中立的接口描述語(yǔ)言，與具體的操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。
2、SOA框架的底層核心功能應(yīng)具備以下特點(diǎn)：服務(wù)發(fā)現(xiàn)、消息序列化、內(nèi)部事件/消息處理和傳輸功能。應(yīng)用程序、服務(wù)和操作系統(tǒng)之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議或服務(wù)接口相互通信或訪問(wèn)，特別是要滿足傳感數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)吞吐傳輸需求。必須支持典型的車內(nèi)通信協(xié)議，如SOME/IP協(xié)議、DDS規(guī)范等。服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能應(yīng)具備訪問(wèn)控制功能，以防止未經(jīng)授權(quán)的用戶進(jìn)行竊聽(tīng)和侵入；傳輸功能應(yīng)具備數(shù)據(jù)加密和簽名等功能，以確保通信數(shù)據(jù)的安全性。
在未來(lái)，汽車將與更多的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行連接，為了實(shí)現(xiàn)與它們的連接，將需要使用不同的通信協(xié)議。
汽車SOA 通信架構(gòu)
HTTP、MQTT、SOME/IP和DDS等協(xié)議都用于實(shí)現(xiàn)SOA架構(gòu)中的通信，只是在不同的場(chǎng)景下承擔(dān)不同的責(zé)任。例如，SOME/IP協(xié)議用于車內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的服務(wù)通信，而HTTP和MQTT用于與互聯(lián)網(wǎng)模塊進(jìn)行通信。盡管它們?cè)趯?shí)現(xiàn)機(jī)制上有些許差異，但它們可以相互切換使用。
MQTT、DDS、AMQP、REST和CoAP等協(xié)議都已被廣泛應(yīng)用，并且每種協(xié)議都至少有10種不同的代碼實(shí)現(xiàn)。它們都宣稱支持實(shí)時(shí)的發(fā)布/訂閱物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。然而，在具體的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮實(shí)際場(chǎng)景中的通信需求，并選擇適合的協(xié)議。各種協(xié)議的特點(diǎn)如表所示。
二、SOME/IP 介紹
2011年，寶馬設(shè)計(jì)并提出了SOME/IP（Scalable Service-oriented Middleware over IP）協(xié)議。SOME/IP采用服務(wù)器-客戶端的服務(wù)通信模式，并且具備高度可擴(kuò)展性。SOME/IP協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議，運(yùn) 行在TCP/UDP傳輸協(xié)議之上（車載以太網(wǎng)第四層以上）。它作為以太網(wǎng)通信的中間件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與IP層之間的數(shù)據(jù)交互，使其不依賴于操作系統(tǒng)，并且兼容AUTOSAR和非AUTOSAR平臺(tái)。因此，SOME/IP可以獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言。
SOME/IP 協(xié)議架構(gòu)
SOME/IP具備滿足車用需求的特性，主要包括以下幾個(gè)方面：基于服務(wù)的通信方式，占用空間小，與AUTOSAR兼容（其他中間件不具備兼容性），可伸縮性（適用于小型和大型平臺(tái)），以及兼容性（可適用于車輛使用的各種操作系統(tǒng)，如AUTOSAR、OSEK、QNX和Linux）。
SOME/IP支持AUTOSAR CP、AUTOSAR AP以及非AUTOSAR平臺(tái)之間的通信交互。寶馬設(shè)計(jì)SOME/IP協(xié)議后，它被AUTOSAR納入正式標(biāo)準(zhǔn)，并隨著CP規(guī)范的發(fā)布而被廣泛應(yīng)用于車載以太網(wǎng)，因此可以說(shuō)是AUTOSAR CP推動(dòng)了SOME/IP的廣泛使用。
在AUTOSAR架構(gòu)中，SOME/IP-SD模塊位于AUTOSAR BSW Mode Manager模塊（BswM）和AUTOSAR Socket Adaptor模塊（SoAd）之間。BswM模塊提供了通用模式請(qǐng)求和服務(wù)請(qǐng)求之間的連接，而SoAd模塊處理以太網(wǎng)堆棧和SD模塊之間的服務(wù)請(qǐng)求。通過(guò)配置SoAd中的Socket Connection表，可以接收其他ECU的SD模塊發(fā)送的單播和多播報(bào)文。
借助SOME/IP協(xié)議的高度平臺(tái)擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，而統(tǒng)一的SOME/IP通信機(jī)制是不同平臺(tái)通信的前提。為了在不同軟件平臺(tái)上運(yùn)行SOME/IP，實(shí)現(xiàn)整車以太網(wǎng)上的SOA架構(gòu)通信機(jī)制，AP規(guī)范中也同步引入了SOME/IP，因此在AUTOSAR系統(tǒng)中，CP和AP之間實(shí)現(xiàn)SOME/IP通信相對(duì)容易。
為了促進(jìn)非AUTOSAR軟件平臺(tái)與車內(nèi)CP和APECU之間的交互，GENIVI系統(tǒng)同樣開(kāi)發(fā)了一套開(kāi)源的vSOME/IP軟件源碼，以便與CP/AP進(jìn)行交互。然而，由于vSOME/IP是開(kāi)源的，性能可能略有差異，因此需要統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行約束，以進(jìn)行深度的二次開(kāi)發(fā)。目前，全球最大的商用SOME/IP產(chǎn)品供應(yīng)商是Vector，而開(kāi)源版的vSOME/IP由GENIVI協(xié)會(huì)維護(hù)。
三、DDS 介紹
DDS（Data Distribution Service）是由OMG（Object Management Group）發(fā)布的分布式通信規(guī)范。OMG成立于1989年，是一個(gè)國(guó)際性、開(kāi)放性、非營(yíng)利性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，由供應(yīng)商、終端用戶、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)推動(dòng)。OMG工作組致力于制定企業(yè)集成標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)發(fā)可為數(shù)千個(gè)垂直行業(yè)提供現(xiàn)實(shí)價(jià)值的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括統(tǒng)一建模語(yǔ)言SYSML、UML，以及中間件標(biāo)準(zhǔn)CORBA、DDS等。
DDS最早應(yīng)用于美國(guó)海軍系統(tǒng)，用于解決在軍艦系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行大量軟件升級(jí)時(shí)的兼容性問(wèn)題。隨著DDS被ROS2和AUTOSAR引入，目前它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、國(guó)防、金融、通信、汽車等領(lǐng)域。
DDS的特點(diǎn)：
1、數(shù)據(jù)中心（Data Centricity）
DDS 數(shù)據(jù)中心
DDS實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享可以被理解為一個(gè)抽象的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，無(wú)論應(yīng)用程序是用哪種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編寫，或者在哪種操作系統(tǒng)上運(yùn)行，都可以以相同的方式訪問(wèn)這個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，就像訪問(wèn)本地存儲(chǔ)空間一樣。當(dāng)然，全局?jǐn)?shù)據(jù)空間只是一個(gè)抽象概念，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，數(shù)據(jù)仍然被分別存儲(chǔ)在每個(gè)應(yīng)用程序的本地空間中。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)是按需傳輸或存儲(chǔ)的，數(shù)據(jù)的發(fā)布者只發(fā)送訂閱者需要的數(shù)據(jù)，而訂閱者只接收并存儲(chǔ)本地應(yīng)用程序當(dāng)前所需的數(shù)據(jù)。
全局?jǐn)?shù)據(jù)空間
DDS還提供了高度靈活的QoS（Quality of Service）策略，以滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)共享方式的不同需求，例如可靠性和故障處理等。對(duì)于對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求較高的系統(tǒng)，DDS還提供了精細(xì)的數(shù)據(jù)安全控制，包括應(yīng)用程序身份認(rèn)證、權(quán)限控制和數(shù)據(jù)加密等。
4、動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)（Dynamic Discovery）
類似于SOME/IP-SD，DDS提供了數(shù)據(jù)發(fā)布者和訂閱者的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，這意味著用戶無(wú)需手動(dòng)配置通信節(jié)點(diǎn)的地址或其他屬性信息，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)對(duì)方并自動(dòng)完成相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能。
5、可擴(kuò)展架構(gòu)（Scalable Architecture）
DDS可應(yīng)用于邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和云計(jì)算領(lǐng)域。在邊緣計(jì)算中，DDS可以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的設(shè)備間通信。在中間系統(tǒng)中，DDS提供健壯可靠的QoS和內(nèi)容感知的信息流。DDS提供可擴(kuò)展的信息訪問(wèn)和數(shù)據(jù)分發(fā)手段，用于集成信息系統(tǒng)，將各系統(tǒng)接入云端。
OMG DDS的適用范圍廣泛，涵蓋了從小型設(shè)備到云計(jì)算系統(tǒng)等超大型系統(tǒng)。DDS能夠以超高速傳輸數(shù)據(jù)并同時(shí)管理數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，提供極高的可用性和安全性，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信層，DDS屏蔽了底層復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了分布式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
可擴(kuò)展架構(gòu)
6、安全（Security）DDS為關(guān)鍵任務(wù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境提供了全面的安全保護(hù)機(jī)制，跨系統(tǒng)、跨供應(yīng)商，覆蓋從邊緣設(shè)備到云端的安全性需求。
DDS提供了身份驗(yàn)證、訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)完整性等安全機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)分發(fā)的安全性。這些安全機(jī)制是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)影響實(shí)時(shí)通信的性能。
目前，DDS已被多個(gè)車載中間件平臺(tái)引入。AUTOSAR AP已完整地集成了DDS標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)綁定。另外，雖然AUTOSAR CP的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范本身不支持DDS，但通過(guò)一些變通方法也可以在CP上集成DDS。ROS2和CyberRT的底層都使用了開(kāi)源的DDS作為最重要的通信機(jī)制。針對(duì)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的SOC芯片，如Xavier和Orin，也都預(yù)留了DDS接口。RTI作為OMG組織董事會(huì)的成員，領(lǐng)導(dǎo)了DDS標(biāo)準(zhǔn)的制定，并開(kāi)發(fā)了名為Connext的DDS品牌，因此也被稱為Connext DDS。
開(kāi)源DDS相對(duì)于商用的RTI DDS等來(lái)說(shuō)，是根據(jù)OMG官方標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的，但源代碼是開(kāi)放的，主要包括Fast DDS和Open DDS等。
在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，由RTI原核心團(tuán)隊(duì)成員在歐洲創(chuàng)辦的eProsima公司推出了影響力較大的開(kāi)源DDS，名為Fast DDS。在eProsima將Fast DDS的源代碼開(kāi)放后，用戶可以直接在GitHub上免費(fèi)下載。使用Fast DDS需要向eProsima支付費(fèi)用以獲得支持。
Open DDS由位于圣路易斯和鳳凰城的Object Computing的ACE/TAO團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，與Fast DDS有一定的相似性，兩者都基于RTPS實(shí)現(xiàn)，都是面向數(shù)據(jù)的通信框架，并遵循同一標(biāo)準(zhǔn)。這類框架的典型特征是去中心化、支持QoS機(jī)制和實(shí)時(shí)通信，并通常與序列化工具如protobuf進(jìn)行綁定。
盡管開(kāi)源DDS對(duì)RTI的商用DDS形成一定的競(jìng)爭(zhēng)，但開(kāi)源DDS也存在一些不足之處：開(kāi)源DDS的使用門檻較高，例如RTI DDS的服務(wù)策略有50多個(gè)，而開(kāi)源DDS只有23個(gè)，完整性遠(yuǎn)不及前者；RTI的DDS已通過(guò)了ASIL-D認(rèn)證，而開(kāi)源DDS尚未達(dá)到這一認(rèn)證水平。
四、SOME/IP 與 DDS 對(duì)比
SOME/IP和DDS是目前在域控最常用的兩類通信中間件，它們都是面向服務(wù)的通信協(xié)議，并采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式。
然而，SOME/IP和DDS在許多方面也存在差異，主要區(qū)別如下：
1、主要應(yīng)用領(lǐng)域不同：SOME/IP專為汽車領(lǐng)域開(kāi)發(fā)，針對(duì)汽車領(lǐng)域的需求定義了一套通信標(biāo)準(zhǔn)，并在汽車領(lǐng)域深耕已久；而DDS是一個(gè)工業(yè)級(jí)別的強(qiáng)實(shí)時(shí)通信標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)性較強(qiáng)，但在應(yīng)用于汽車/自動(dòng)駕駛領(lǐng)域時(shí)需要進(jìn)行專門的裁剪。
2、靈活性和可伸縮性不同：相比SOME/IP，DDS引入了許多標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置特性，如基于內(nèi)容和時(shí)間的過(guò)濾、與傳輸無(wú)關(guān)的可靠性、持久性、存活性、延遲/截止時(shí)間監(jiān)視、可擴(kuò)展類型等。當(dāng)AUTOSAR AP與DDS一起構(gòu)建通信框架時(shí)，該框架不僅與現(xiàn)有API和應(yīng)用程序兼容，還在可靠性、性能、靈活性和可伸縮性等方面提供重要的好處。
3、訂閱方和發(fā)布方的耦合程度不同：在SOME/IP中，訂閱方在正常數(shù)據(jù)傳輸之前需要與發(fā)布方建立網(wǎng)絡(luò)連接并詢問(wèn)發(fā)布方是否提供所需服務(wù)，從這個(gè)角度看，節(jié)點(diǎn)之間仍然存在一定的耦合性。而在DDS標(biāo)準(zhǔn)下，每個(gè)訂閱方或發(fā)布方只需要在自己的程序中訂閱或發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)，無(wú)需關(guān)心任何連接。因此，在DDS中，服務(wù)的訂閱方和發(fā)布方更加徹底地解耦。
4、服務(wù)策略不同：良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）是DDS標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于SOME/IP最重要的特征。SOME/IP只有一個(gè)QoS，而RTI DDS和開(kāi)源DDS分別提供了50多個(gè)和20多個(gè)QoS，這些QoS基本上涵蓋了大多數(shù)可預(yù)見(jiàn)的智能駕駛場(chǎng)景。
5、應(yīng)用場(chǎng)景不同：從應(yīng)用場(chǎng)景的角度來(lái)看，SOME/IP更適用于車載網(wǎng)絡(luò)，并且只能在基于IP類型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用；而DDS在傳輸方式上沒(méi)有特別的限制，可以支持基于非IP類型的網(wǎng)絡(luò)，例如共享內(nèi)存、跨核通信、PCIe等。此外，DDS還提供了完備的車聯(lián)網(wǎng)解決方案，其獨(dú)有的DDS Security和DDS Web功能為用戶提供了一站式的“車-云-移動(dòng)端”解決方案。
參考文獻(xiàn)：
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