從Adaptive AUTOSAR的角度看SOA

汽車電子與軟件 2021-10-04 21:09

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前言

身處汽車行業(yè)的我們深知，新技術(shù)的應(yīng)用或者新概念的提出，一定是事出有因的。通常是為了搶奪新技術(shù)高地，讓汽車更好地滿足未來的需求。那么，汽車電子電氣架構(gòu)領(lǐng)域掀起的這股SOA熱潮是由什么導(dǎo)致的？什么是SOA？SOA能帶來什么好處？怎樣實(shí)施SOA呢？Adaptive AUTOSAR與SOA是什么關(guān)系？

為什么汽車要上SOA

① 老車新體驗(yàn)，快速滿足市場(chǎng)需求

必須打破車內(nèi)靜態(tài)交互模型

車輛內(nèi)部控制器通過傳統(tǒng)總線連接，從而實(shí)現(xiàn)通信交互，但是信號(hào)的收發(fā)關(guān)系和路由信息通常是靜態(tài)的、不可更改的。如果后期突然新增節(jié)點(diǎn)，改矩陣和路由表？再如果，車輛上市后想新增一個(gè)功能到某個(gè)控制器，OTA可以將軟件包本身下載到該控制器，但這個(gè)“新朋友”怎樣從其他節(jié)點(diǎn)獲得所需信息呢？

必須建立功能靈活治理的系統(tǒng)架構(gòu)

OTA是目前解決車輛在線升級(jí)、持續(xù)提升用戶用車體驗(yàn)的好方法。一個(gè)功能一個(gè)盒子的時(shí)代已經(jīng)過去了。但OTA僅僅是途徑，車輛的電子電氣架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)能否支持功能更新呢？如果一個(gè)新增功能的實(shí)現(xiàn)，與車輛原有的系統(tǒng)架構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、通信方式不匹配，甚至相沖突，這肯定是不可行的。那么應(yīng)該怎樣解決呢？

② 萬物互聯(lián)，汽車接入物聯(lián)網(wǎng)

汽車在不久的將來會(huì)在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、能源物聯(lián)網(wǎng)中都占有重要的地位。所以汽車必須具備開放性、網(wǎng)聯(lián)性甚至自主性和自進(jìn)化性。自動(dòng)駕駛、V2X、邊緣計(jì)算都是目之可見的應(yīng)用場(chǎng)景，電子電氣架構(gòu)和軟件平臺(tái)架構(gòu)在面對(duì)這些需求的時(shí)候，應(yīng)如何處理？已有的電子電氣架構(gòu)及相應(yīng)的解決方案，很難解決目前汽車所遇到的挑戰(zhàn)，需要新的方法論來打破僵局，于是車載SOA作為解決方案被提了出來。

SOA詳解

① 先說說什么是SOA

? SOA是Service-Oriented Architecture的縮寫，面向服務(wù)的架構(gòu)。

? BEA資深SOA架構(gòu)師Jeff Davies在其《SOA權(quán)威指南》中說到：SOA不是一種具體的技術(shù)，而是一種架構(gòu)策略層面的指導(dǎo)思想。

? OASIS（結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織）對(duì)SOA的定義是：SOA是一個(gè)范式，以達(dá)到組織利用處于不同所有權(quán)范圍控制下的分布式系統(tǒng)。

? 百度百科對(duì)SOA的定義是：面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）是一個(gè)組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）進(jìn)行拆分，并通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和協(xié)議聯(lián)系起來。接口是采用中立的方式進(jìn)行定義的，它應(yīng)該獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得構(gòu)建在各種各樣的系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。

SOA的概念出自IT界，到現(xiàn)在都沒有一個(gè)公認(rèn)的定義，但是SOA的目標(biāo)及其應(yīng)具有的特性卻是清晰明了的：

目標(biāo)：

構(gòu)建靈活可變的平臺(tái)系統(tǒng)

特性：

服務(wù)間——松耦合、無狀態(tài)、無依賴

服務(wù)內(nèi)——高內(nèi)聚且完整、可復(fù)用、可靈活重組

服務(wù)通信——標(biāo)準(zhǔn)化

② 從中我們看到SOA實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于：

? 服務(wù)通信標(biāo)準(zhǔn)化，即面向服務(wù)的通信（SOC，Service-Oriented Communication）

? 以服務(wù)重用、靈活重組為目的的服務(wù)劃分，即面向服務(wù)的重用共享設(shè)計(jì)（SORS，Service-Oriented Reuse-shared Design）

? 還有一個(gè)隱形的重點(diǎn)，就是用于承載和適配SOC和SORS的軟件實(shí)現(xiàn)，即基于服務(wù)的軟件架構(gòu)（SOSA，Service-Oriented Software Architecture）

在車載環(huán)境中，SOME/IP基本解決了SOC，但SORS呢？SOSA呢？僅有SOC的SOA是沒有靈魂的，是不完整，也不可能實(shí)現(xiàn)SOA的目標(biāo)。

汽車SOA(v-SOA)怎么實(shí)現(xiàn)呢

v-SOA：vehicle SOA，即應(yīng)用在車輛上的SOA 。SOA在IT領(lǐng)域基本是基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，車載環(huán)境下最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)該是繼承成熟的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)思路。好在車載以太網(wǎng)發(fā)展至今也有了幾年的積累，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)的新一代車型，已經(jīng)陸續(xù)量產(chǎn)發(fā)售了。站在車載以太網(wǎng)的肩膀上去實(shí)現(xiàn)SOA，無疑是一種不錯(cuò)的選擇。

聚焦于汽車電子，接下來從SOC、SORS和SOSA這三點(diǎn)來介紹v-SOA的實(shí)現(xiàn)。

① SOC面向服務(wù)的通信(Service Oriented Communication)

SOC主要為了實(shí)現(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)化，動(dòng)態(tài)建立通信關(guān)系，連接信息孤島。車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)中的SOME/IP（Service-Oriented MiddleWare over IP）就是基于SOA思想定義的通信中間件。熟悉SOME/IP的朋友都知道，SOME/IP是針對(duì)車載環(huán)境定義一套通信協(xié)議，出自AUTOSAR。可以達(dá)到屏蔽系統(tǒng)異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)互操作的目的。所以，就實(shí)現(xiàn)SOC而言，我們完全能夠通過SOME/IP來完成（當(dāng)然SOC并非僅能通過SOME/IP來實(shí)現(xiàn)，在滿足一些前提條件時(shí)，其他傳輸協(xié)議也可以使用，比如DDS等）。

通信行為

SOME/IP吸收了RPC機(jī)制，順利地繼承了Server-Client的模型。SOME/IP Service Discovery可以讓Client靈活可靠地找到Server，并訂閱感興趣的服務(wù)內(nèi)容。Client可以用Request-Response、Fire&Forget的模型訪問Server所提供的Services；Server可以利用Notification推送給Client已經(jīng)訂閱的服務(wù)內(nèi)容。由于以太網(wǎng)采用交換機(jī)的組網(wǎng)方式，拓?fù)鋬?nèi)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的交互能夠二層轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)地建立服務(wù)提供與消費(fèi)的關(guān)系，不依賴于其他額外的機(jī)制和組件。

SOME/IP通信示例

例如，訂閱機(jī)制，高精地圖Server向外提供高精地圖數(shù)據(jù)（Offer Service），ADAS控制單元想要訂閱其車道線相關(guān)信息（Subscribe EventGroup），高精地圖Server同意其訂閱請(qǐng)求（Subscribe EventGroup Ack），而后Server開始發(fā)布高精地圖的車道線數(shù)據(jù)給ADAS控制單元。

再如，請(qǐng)求與響應(yīng)機(jī)制，HU想要獲取DVR內(nèi)存信息，此時(shí)DVR是Server，HU是client，由HU向DVR發(fā)出request，DVR收到請(qǐng)求后，根據(jù)自身當(dāng)前狀態(tài)，回復(fù)response。

服務(wù)接口描述

統(tǒng)一的服務(wù)接口描述是跨系統(tǒng)通信的重要組成，SOME/IP有自己的一套序列化原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段要基于SOME/IP提供的數(shù)據(jù)類型，統(tǒng)一設(shè)計(jì)服務(wù)接口描述，例如下表，還要進(jìn)一步定義尋址信息等。

② SORS面向服務(wù)的重用共享設(shè)計(jì)(Service-Oriented Reuse-shared Design)

汽車電子電氣架構(gòu)(EEA)的演進(jìn)如下圖所示：

當(dāng)前整車架構(gòu)多處于分布式階段（下圖），車內(nèi)所有具備以太網(wǎng)通信能力的節(jié)點(diǎn)離散地掛在網(wǎng)關(guān)上，沒有域控制器、中央處理器或者高性能處理節(jié)點(diǎn)等概念。如此實(shí)現(xiàn)SOC是沒有問題的，但是以此實(shí)現(xiàn)SOA是有困難的。原因是功能太分散，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的資源由于初期規(guī)劃功能簡(jiǎn)單，而不可能預(yù)留豐富的資源供量產(chǎn)后新增功能使用和消耗，因此很難在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)。

這也是下一代電子電氣架構(gòu)（下圖）產(chǎn)生的原因之一，即需要新的架構(gòu)來適配新的發(fā)展需求，本著邏輯上移的原則，可以將更多的實(shí)現(xiàn)邏輯置于高性能、多資源的中央類節(jié)點(diǎn)之中。

SORS是基于下一代智能網(wǎng)聯(lián)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，主要是完成服務(wù)實(shí)現(xiàn)，并且體現(xiàn)服務(wù)復(fù)用性而進(jìn)行的設(shè)計(jì)工作。使服務(wù)本身高內(nèi)聚，服務(wù)之間能夠低耦合，提高服務(wù)的可重用性，明確邊界概念。

這個(gè)事情在什么階段做？誰來做呢？

在整車功能概念設(shè)計(jì)階段，OEM整車電子電氣架構(gòu)部門來做。這樣的答案并不出乎意料，畢竟車輛本身的功能還有誰會(huì)比架構(gòu)部門更加如數(shù)家珍呢？正如大家所熟知的，伴隨著整車功能邏輯的定義和梳理，架構(gòu)會(huì)主導(dǎo)或者參與到需求開發(fā)、功能定義、功能實(shí)現(xiàn)、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)等過程中去，SORS的實(shí)現(xiàn)最好能夠貫穿始終，并最終在功能實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)體現(xiàn)出來。

具體怎樣做呢？

SORS沒有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更沒有國(guó)際規(guī)范，只有一些未經(jīng)全部驗(yàn)證的車載領(lǐng)域的SORS實(shí)現(xiàn)方法論。目前來看有兩種思路，一是自下而上，二是自上而下。

? 自下而上：由整車末端硬件開始向中心硬件進(jìn)行梳理和盤點(diǎn)，特定的硬件可以提供相同或者相似的服務(wù)。例如，陽(yáng)光雨量傳感器可以提供光照強(qiáng)度和雨量的信息。這樣我們就可以抽象出來一個(gè)陽(yáng)光雨量的服務(wù)。只要這個(gè)硬件在，我們的服務(wù)就會(huì)在，不受任何約束。之后可以繼續(xù)向中心探索，挖掘硬件對(duì)應(yīng)的功能、提供的數(shù)據(jù)等，進(jìn)行服務(wù)抽取。

? 自上而下：由車輛既有功能和業(yè)務(wù)流程入手。例如整車防盜認(rèn)證，會(huì)有各級(jí)防盜認(rèn)證流程，期間會(huì)調(diào)用到很多的模塊或者算法，比如隨機(jī)化算法、防盜認(rèn)證算法等。可以將這些算法抽取出來形成不同的算法服務(wù)，從一個(gè)個(gè)的功能業(yè)務(wù)鏈入手，分化抽離出服務(wù)庫(kù)。最后可以逆向重建，即從服務(wù)庫(kù)中挑選出一個(gè)個(gè)服務(wù)模塊，通過排列組合的調(diào)用就可以將原始的功能業(yè)務(wù)場(chǎng)景還原出來。

SORS的設(shè)計(jì)方法對(duì)將來功能新增的影響是巨大的。在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，新增功能只能由OEM規(guī)劃并部署，甚至需要重新開發(fā)車型，創(chuàng)意受限，周期長(zhǎng)且投入大。在SORS開發(fā)模式下，OEM在平臺(tái)/車型研發(fā)階段將分析車輛本身?yè)碛械囊磺熊浻布Y源，并提供重復(fù)利用的可能。OEM或授權(quán)的第三方可以基于服務(wù)庫(kù)輕松開發(fā)新功能，快速完成迭代，并通過OTA技術(shù)部署到車端，持續(xù)提高用戶體驗(yàn)。

③ SOSA面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(Service Oriented Software Architecture)

Adaptive AUTOSAR這個(gè)基于服務(wù)理念的中間件，就是一種SOSA。它體現(xiàn)了基于服務(wù)的架構(gòu)思想：運(yùn)行環(huán)境（ara）分成了Foundation和Service兩部分。

Adaptive AUTOSAR架構(gòu)邏輯視圖（R20-11）

Foundation：

CM（Communication Management）包攬了節(jié)點(diǎn)間&進(jìn)程間通信

EM（Execution Management）負(fù)責(zé)進(jìn)程控制執(zhí)行

REST（RESTful）體現(xiàn)外溝通的連通性

PHM（Platform Health Management）系統(tǒng)平臺(tái)健康管理

TimeSyn（Time Synchronization）時(shí)間同步模塊

. . . . . .

Service：

SM（State Management）監(jiān)管了AP上運(yùn)行的所有功能組和進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

UCM（Update and Config Management）主導(dǎo)的應(yīng)用程序更新、AP自更新以及OS更新的整套更新理念

NM（Network Management）網(wǎng)絡(luò)管理模塊

Adaptive AUTOSAR作為中間件，需要配合支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)使用，上層的自適應(yīng)應(yīng)用（AA）會(huì)通過ARA運(yùn)行環(huán)境由AP來統(tǒng)一配置、管理、調(diào)度和分配資源。

Adaptive AUTOSAR與SOA

現(xiàn)有的操作系統(tǒng)和架構(gòu)，比如Android，不能滿足SOA基于服務(wù)的實(shí)現(xiàn)嗎？AP也是AUTOSAR推出的，和CP有什么關(guān)系呢？為什么要引入AP呢？

? Non-AUTOSAR（信息娛樂）的控制器：占用較大的硬件資源、不具有實(shí)時(shí)性、運(yùn)行非車規(guī)級(jí)的操作系統(tǒng)上（比如Linux、Android）。

? CP AUTOSAR開發(fā)出來的控制器：實(shí)時(shí)性強(qiáng)、消耗資源少、軟件資源固定。

? Adaptive AUTOSAR是一種異構(gòu)的軟件平臺(tái)，可以成為連接Classic AUTOSAR和非實(shí)時(shí)OS的橋梁。它的特點(diǎn)是：軟實(shí)時(shí)（毫秒級(jí)別），滿足功能安全要求（ASIL-B以上）、更適合于多核的高資源消耗環(huán)境、支持動(dòng)態(tài)部署。

AP和CP都屬于AUTOSAR家族，是親兄弟的關(guān)系。CP推出的時(shí)間比較早，AP則是2017年才正式出現(xiàn)并有了初版AP規(guī)范集。正如大家所知道的，目前CP在各類車載ECU的開發(fā)實(shí)現(xiàn)中占有很大的使用比例，主要是應(yīng)對(duì)嵌入式ECU的開發(fā)。這很符合上文所說的一個(gè)盒子一個(gè)功能的整車分布式E/E架構(gòu)的需求，明確具體功能后可以精準(zhǔn)地控制ECU本身的軟硬件開發(fā)，并且CP軟件架構(gòu)的模塊化方式配合AUTOSAR OS也可以充分滿足一些特定功能對(duì)ECU本身運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)性要求。

普通的OS例如Android，在某些場(chǎng)景下不能滿足汽車的功能安全需求。此時(shí)AP登上歷史舞臺(tái)，作為HPC（High Performance Controller）類型ECU的重要組成部分，AP所做就是統(tǒng)一管理下屬OS以及周邊資源，使得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的一切調(diào)度、狀態(tài)和資源消耗都處在一個(gè)可控的范圍內(nèi)，以滿足車載安全性、確定性的要求。當(dāng)資源豐富時(shí)，可選擇的余地就會(huì)大一些，比如可以充分利用多核異構(gòu)架構(gòu)來處理復(fù)雜場(chǎng)景，使用Hypervisor等虛擬化技術(shù)，使CP、AP和非AUTOSAR系統(tǒng)共同存在于HPC中。

基于信號(hào)和基于服務(wù)這兩種通信方式如何結(jié)合起來，是對(duì)新一代E/E架構(gòu)提出的挑戰(zhàn)。Adaptive AUTOSAR這個(gè)基于服務(wù)理念的中間件，是我們實(shí)現(xiàn)SOA的一種不錯(cuò)的選擇。

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