SOA通信中間件及其協(xié)議介紹

前言

SOA（面向服務的架構(gòu)）的軟件設計原則之一是模塊化。模塊化可以提高軟件系統(tǒng)的可維護性和代碼重用性，并且能夠隔離故障。舉例來說，自動駕駛系統(tǒng)可以分解為特定的任務模塊，如數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計和任務規(guī)劃等。為了完成各自的任務，這些模塊需要相互交換信息。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，將單個模塊映射到獨立的軟件進程非常方便，這些進程可以位于同一計算設備上，也可以位于物理上獨立的計算設備上。這使得進程間通信成為一個深入研究的問題，因為信息交換是通過進程間的通信來實現(xiàn)的。

一.通信中間件

在軟件定義汽車中，應用程序之間的跨進程或跨核通信是一個需要解決的問題。模塊化架構(gòu)為開發(fā)人員提供了便利，但也引入了對通信中間件的需求。

在沒有使用通信中間件的情況下，開發(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/數(shù)據(jù)的發(fā)布和訂閱模式（如SOME/IP和DDS），開發(fā)人員只需要明確需要什么樣的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)應該傳遞到哪里，而無需關(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了什么數(shù)據(jù)并能夠控制如何共享這些數(shù)據(jù)。對于傳統(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對點、消息隊列和發(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)布者和訂閱者通過主題進行關(guān)聯(lián)，雙方不需要知道對方在何處，也不需要同時在線。這實現(xiàn)了通信雙方在時間、空間和數(shù)據(jù)通信上的多維松耦合。

此外，與面向信號的CAN相比，DDS和SOME/IP都是面向服務的通信協(xié)議。兩者的區(qū)別在于面向信號的數(shù)據(jù)傳輸始終循環(huán)發(fā)送，而面向服務的通信方式不同，只有在客戶端請求或服務器通知特定訂閱者時，才在客戶端-服務器配置中交換數(shù)據(jù)。這確保了永遠不會浪費帶寬，并且僅在需要的時間和地點進行數(shù)據(jù)通信/交換。因此，面向服務的通信協(xié)議可以大大減少網(wǎng)絡負載，提高通信效率。

在軟件定義汽車時代，車內(nèi)的所有可調(diào)用功能都被視為服務，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，使應用程序能夠調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部的功能實現(xiàn)函數(shù)。應用程序可以通過調(diào)用相關(guān)的API接口來提供和使用功能服務。

2、文件方式：以配置文件或設備文件的形式提供系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)用能力。這些文件可以通過配置自動生成，包含有效的配置信息，并且可以在運行環(huán)境中被特定的程序讀取和識別，實現(xiàn)特定的服務。

3、系統(tǒng)原生服務：操作系統(tǒng)和基礎類庫提供的可操作能力，包括對系統(tǒng)CPU和內(nèi)存的監(jiān)測、應用程序的監(jiān)控、系統(tǒng)資源的劃分等。此外，還可以調(diào)用C++、boost等基礎類庫。

4、IPC接口：各種IPC機制提供系統(tǒng)內(nèi)進程間的調(diào)用能力，包括使用套接字（socket）、共享內(nèi)存等進程間通信方式，以及使用特定的跨核通信方式如IPCF。

5、協(xié)議棧接口：通過網(wǎng)絡協(xié)議棧提供跨平臺的調(diào)用能力，包括SOME/IP、DDS、MQTT、HTTP等網(wǎng)絡協(xié)議的調(diào)度服務、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（面向服務的架構(gòu)）已經(jīng)被應用了很長時間，但在汽車行業(yè)中，它算是相對較新的概念。在Adaptive AutoSAR框架中，通信管理模塊包括進程間通信和網(wǎng)絡協(xié)議棧。

鑒于汽車應用場景和通信需求的特殊性，許多互聯(lián)網(wǎng)的SOA技術(shù)并不能直接應用于汽車領(lǐng)域。一般來說，SOA通信中間件系統(tǒng)的各個層面需要滿足以下要求：

1、本地服務和遠程服務之間的通信應該使用統(tǒng)一的接口描述語言（IDL）定義的文件作為契約。IDL是一種中立的接口描述語言，與具體的操作系統(tǒng)和編程語言無關(guān)。

2、SOA框架的底層核心功能應具備以下特點：服務發(fā)現(xiàn)、消息序列化、內(nèi)部事件/消息處理和傳輸功能。應用程序、服務和操作系統(tǒng)之間可以通過標準的通信協(xié)議或服務接口相互通信或訪問，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。服務發(fā)現(xiàn)功能應具備訪問控制功能，以防止未經(jīng)授權(quán)的用戶進行竊聽和侵入；傳輸功能應具備數(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，汽車將與更多的基礎設施進行連接，為了實現(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)議都用于實現(xiàn)SOA架構(gòu)中的通信，只是在不同的場景下承擔不同的責任。例如，SOME/IP協(xié)議用于車內(nèi)節(jié)點之間的服務通信，而HTTP和MQTT用于與互聯(lián)網(wǎng)模塊進行通信。盡管它們在實現(xiàn)機制上有些許差異，但它們可以相互切換使用。

MQTT、DDS、AMQP、REST和CoAP等協(xié)議都已被廣泛應用，并且每種協(xié)議都至少有10種不同的代碼實現(xiàn)。它們都宣稱支持實時的發(fā)布/訂閱物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。然而，在具體的系統(tǒng)架構(gòu)設計中，需要考慮實際場景中的通信需求，并選擇適合的協(xié)議。各種協(xié)議的特點如表所示。

二、SOME/IP 介紹

2011年，寶馬設計并提出了SOME/IP（Scalable Service-oriented Middleware over IP）協(xié)議。SOME/IP采用服務器-客戶端的服務通信模式，并且具備高度可擴展性。SOME/IP協(xié)議是一種應用層協(xié)議，運行在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，實現(xiàn)應用層與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。因此，SOME/IP可以獨立于硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。

SOME/IP 協(xié)議架構(gòu)

SOME/IP具備滿足車用需求的特性，主要包括以下幾個方面：基于服務的通信方式，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），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平臺之間的通信交互。寶馬設計SOME/IP協(xié)議后，它被AUTOSAR納入正式標準，并隨著CP規(guī)范的發(fā)布而被廣泛應用于車載以太網(wǎng)，因此可以說是AUTOSAR CP推動了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求和服務請求之間的連接，而SoAd模塊處理以太網(wǎng)堆棧和SD模塊之間的服務請求。通過配置SoAd中的Socket Connection表，可以接收其他ECU的SD模塊發(fā)送的單播和多播報文。

借助SOME/IP協(xié)議的高度平臺擴展性，可以實現(xiàn)不同平臺之間的數(shù)據(jù)交互，而統(tǒng)一的SOME/IP通信機制是不同平臺通信的前提。為了在不同軟件平臺上運行SOME/IP，實現(xiàn)整車以太網(wǎng)上的SOA架構(gòu)通信機制，AP規(guī)范中也同步引入了SOME/IP，因此在AUTOSAR系統(tǒng)中，CP和AP之間實現(xiàn)SOME/IP通信相對容易。

為了促進非AUTOSAR軟件平臺與車內(nèi)CP和APECU之間的交互，GENIVI系統(tǒng)同樣開發(fā)了一套開源的vSOME/IP軟件源碼，以便與CP/AP進行交互。然而，由于vSOME/IP是開源的，性能可能略有差異，因此需要統(tǒng)一的規(guī)范進行約束，以進行深度的二次開發(fā)。目前，全球最大的商用SOME/IP產(chǎn)品供應商是Vector，而開源版的vSOME/IP由GENIVI協(xié)會維護。

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，是一個國際性、開放性、非營利性的技術(shù)標準聯(lián)盟，由供應商、終端用戶、學術(shù)機構(gòu)和政府機構(gòu)推動。OMG工作組致力于制定企業(yè)集成標準和開發(fā)可為數(shù)千個垂直行業(yè)提供現(xiàn)實價值的技術(shù)標準，其中包括統(tǒng)一建模語言SYSML、UML，以及中間件標準CORBA、DDS等。

DDS最早應用于美國海軍系統(tǒng)，用于解決在軍艦系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡環(huán)境中進行大量軟件升級時的兼容性問題。隨著DDS被ROS2和AUTOSAR引入，目前它已經(jīng)廣泛應用于航空、航天、船舶、國防、金融、通信、汽車等領(lǐng)域。

DDS的特點：

1、數(shù)據(jù)中心（Data Centricity）

DDS最重要的特性是以數(shù)據(jù)為中心，這與其他許多通信中間件不同。DDS的數(shù)據(jù)共享以Topic為單元，應用程序能夠通過Topic判斷包含的數(shù)據(jù)類型，而不必依賴其他上下文信息。同時，DDS能夠按照用戶定義的方式自動地存儲、發(fā)布或訂閱數(shù)據(jù)，使應用程序能夠像訪問本地數(shù)據(jù)一樣進行數(shù)據(jù)的寫入或讀取。

DDS 數(shù)據(jù)中心

2、全局數(shù)據(jù)空間（Global Data space）

DDS實現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享可以被理解為一個抽象的全局數(shù)據(jù)空間，無論應用程序是用哪種開發(fā)語言編寫，或者在哪種操作系統(tǒng)上運行，都可以以相同的方式訪問這個全局數(shù)據(jù)空間，就像訪問本地存儲空間一樣。當然，全局數(shù)據(jù)空間只是一個抽象概念，在實際實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)仍然被分別存儲在每個應用程序的本地空間中。在系統(tǒng)運行時，數(shù)據(jù)是按需傳輸或存儲的，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本地應用程序當前所需的數(shù)據(jù)。

全局數(shù)據(jù)空間

3、服務質(zhì)量（Quality of service）

DDS還提供了高度靈活的QoS（Quality of Service）策略，以滿足用戶對數(shù)據(jù)共享方式的不同需求，例如可靠性和故障處理等。對于對數(shù)據(jù)安全性要求較高的系統(tǒng)，DDS還提供了精細的數(shù)據(jù)安全控制，包括應用程序身份認證、權(quán)限控制和數(shù)據(jù)加密等。

4、動態(tài)發(fā)現(xiàn)（Dynamic Discovery）

類似于SOME/IP-SD，DDS提供了數(shù)據(jù)發(fā)布者和訂閱者的動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制，這意味著用戶無需手動配置通信節(jié)點的地址或其他屬性信息，因為它們在運行過程中會自動發(fā)現(xiàn)對方并自動完成相關(guān)配置，實現(xiàn)了即插即用的功能。

5、可擴展架構(gòu)（Scalable Architecture）

DDS可應用于邊緣計算、霧計算和云計算領(lǐng)域。在邊緣計算中，DDS可以實現(xiàn)高速實時的設備間通信。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提供可擴展的信息訪問和數(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，涵蓋了從小型設備到云計算系統(tǒng)等超大型系統(tǒng)。DDS能夠以超高速傳輸數(shù)據(jù)并同時管理數(shù)千個數(shù)據(jù)對象，提供極高的可用性和安全性，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)。通過提供一個標準的通信層，DDS屏蔽了底層復雜性，簡化了分布式系統(tǒng)的開發(fā)。

可擴展架構(gòu)

6、安全（Security）

DDS為關(guān)鍵任務的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境提供了全面的安全保護機制，跨系統(tǒng)、跨供應商，覆蓋從邊緣設備到云端的安全性需求。

DDS提供了身份驗證、訪問控制、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)完整性等安全機制，以確保數(shù)據(jù)分發(fā)的安全性。這些安全機制是在點對點對等架構(gòu)上實現(xiàn)的，不會影響實時通信的性能。

目前，DDS已被多個車載中間件平臺引入。AUTOSAR AP已完整地集成了DDS標準的網(wǎng)絡綁定。另外，雖然AUTOSAR CP的標準規(guī)范本身不支持DDS，但通過一些變通方法也可以在CP上集成DDS。ROS2和CyberRT的底層都使用了開源的DDS作為最重要的通信機制。針對自動駕駛領(lǐng)域的SOC芯片，如Xavier和Orin，也都預留了DDS接口。RTI作為OMG組織董事會的成員，領(lǐng)導了DDS標準的制定，并開發(fā)了名為Connext的DDS品牌，因此也被稱為Connext DDS。

開源DDS相對于商用的RTI DDS等來說，是根據(jù)OMG官方標準開發(fā)的，但源代碼是開放的，主要包括Fast DDS和Open DDS等。

在自動駕駛領(lǐng)域，由RTI原核心團隊成員在歐洲創(chuàng)辦的eProsima公司推出了影響力較大的開源DDS，名為Fast DDS。在eProsima將Fast DDS的源代碼開放后，用戶可以直接在GitHub上免費下載。使用Fast DDS需要向eProsima支付費用以獲得支持。

Open DDS由位于圣路易斯和鳳凰城的Object Computing的ACE/TAO團隊開發(fā)，與Fast DDS有一定的相似性，兩者都基于RTPS實現(xiàn)，都是面向數(shù)據(jù)的通信框架，并遵循同一標準。這類框架的典型特征是去中心化、支持QoS機制和實時通信，并通常與序列化工具如protobuf進行綁定。

盡管開源DDS對RTI的商用DDS形成一定的競爭，但開源DDS也存在一些不足之處：開源DDS的使用門檻較高，例如RTI DDS的服務策略有50多個，而開源DDS只有23個，完整性遠不及前者；RTI的DDS已通過了ASIL-D認證，而開源DDS尚未達到這一認證水平。

四、SOME/IP 與 DDS 對比

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、主要應用領(lǐng)域不同：SOME/IP專為汽車領(lǐng)域開發(fā)，針對汽車領(lǐng)域的需求定義了一套通信標準，并在汽車領(lǐng)域深耕已久；而DDS是一個工業(yè)級別的強實時通信標準，適應性較強，但在應用于汽車/自動駕駛領(lǐng)域時需要進行專門的裁剪。

2、靈活性和可伸縮性不同：相比SOME/IP，DDS引入了許多標準內(nèi)置特性，如基于內(nèi)容和時間的過濾、與傳輸無關(guān)的可靠性、持久性、存活性、延遲/截止時間監(jiān)視、可擴展類型等。當AUTOSAR AP與DDS一起構(gòu)建通信框架時，該框架不僅與現(xiàn)有API和應用程序兼容，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)絡連接并詢問發(fā)布方是否提供所需服務，從這個角度看，節(jié)點之間仍然存在一定的耦合性。而在DDS標準下，每個訂閱方或發(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)，無需關(guān)心任何連接。因此，在DDS中，服務的訂閱方和發(fā)布方更加徹底地解耦。

4、服務策略不同：良好的服務質(zhì)量（QoS）是DDS標準相對于SOME/IP最重要的特征。SOME/IP只有一個QoS，而RTI DDS和開源DDS分別提供了50多個和20多個QoS，這些QoS基本上涵蓋了大多數(shù)可預見的智能駕駛場景。

5、應用場景不同：從應用場景的角度來看，SOME/IP更適用于車載網(wǎng)絡，并且只能在基于IP類型的網(wǎng)絡環(huán)境中使用；而DDS在傳輸方式上沒有特別的限制，可以支持基于非IP類型的網(wǎng)絡，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，其獨有的DDS Security和DDS Web功能為用戶提供了一站式的“車-云-移動端”解決方案。

在商業(yè)落地中，SOME/IP和DDS之間存在直接的競爭關(guān)系，但由于它們在應用領(lǐng)域、靈活性和服務策略等方面存在差異，整車廠可以根據(jù)需求選擇適合的通信中間件，甚至可以同時使用二者。這也是為什么AUTOSAR AP既支持SOME/IP也支持DDS的原因。

來源：智能汽車開發(fā)者平臺

審核編輯：湯梓紅