DDS與Autosar融合實現汽車架構松耦合

目前，由于受消費者對自動化和持續連接需求的推動，以及現在通信帶寬和數據計算能力飛躍，汽車行業正迎來前所未有的變革。變革的主要方法是針對現有的架構進行改變，鑒于傳統的電氣/電子架構無法為新的以數據為中心的通信方式提供必要的可伸縮性，未來的汽車將會走向軟件定義汽車的時代。

 AUTOSAR?和DDS?是兩個能夠適應上述架構轉變并為其提供可拓展性的標準。AUTOSAR是為汽車ECU設計的標準化汽車開放系統架構。AUTOSAR的AP和CP為不同的的場景提供軟件的相應分層架構，尤其是AUTOSAR-AP主要為了解決下一代汽車的需要高性能和持續連接和集成的問題，目前有大量供應商采用了AUTOSAR的架構。

DDS標準是一種中間件協議和以數據為中心的連接框架，它可以將分布式系統的組件集成在一起.DDS能夠實現低延遲、高可靠、高實時性的數據融合服務，能夠從根本上降低軟件的耦合性、復雜性提高軟件的模塊化特性，融合了DDS的汽車軟件能夠更好的運行在下一代汽車的體系架構中，更能降低開發的成本、縮短研發的時間，更快的將產品推向市場。

為了解決現在汽車軟件架構的問題，DDS和AUTOSAR被越來越多的采用，將兩者融合能夠充分發揮兩者的優勢所在。針對于AUTOSAR的AP平臺，DDS能夠優化端到端的數據傳輸而無需再進行集成，并且為了實現數據的生產-準備對于DDS進行了網絡的綁定，因此對于復雜的軟件系統，顯著的增加了軟件的可靠性、伸縮性，提高的性能。AUTOSAR和DDS為汽車廠商設計和運營并提升下一代汽車的性能提供了一種行之有效的方法。

由于消費者對持續連接和數據驅動技術的需求，汽車行業正處于顛覆性變革之中。這些技術推動了聯網汽車、自動駕駛、共享和數字服務以及電動汽車的進步。面對這種形勢，制造商和供應商在打造聯網數字汽車時必須應對各種挑戰，包括但不限于一下幾點：

1. 以后的汽車必須能夠在多種實時環境下運行；

2. 能夠與車內其他系統互操作；

3. 能夠與非車輛系統連接；

4. 并提供內置的汽車級網絡安全和功能安全；

汽車制造商現在使用新的硬件組件，如相機、激光雷達、雷達和高性能計算機硬件來觀察和處理高度自動化駕駛所需的汽車環境數據，同樣的，為了將這些系統與汽車的控制單元連接起來并處理其數據，需要以太網等高帶寬鏈路和越來越多的軟件，此外，隨著汽車與外部的互動增多，連接量甚至會進一步增加，客戶可以使用聯網傳感器、設備和機器提供的數字服務，也就是所謂的物聯網(IoT)。例如，客戶可以通過手機收到關于附近服務和更換汽車零件的建議，或者，汽車可以從附近的停車場接收數據來定位、預訂和支付車位。

又比如，汽車可以學習如何在停車場內找到車位并停車，也可以通過按下司機手機上的一個按鈕倒車出此車位。汽車正在變成一個系統中的系統，因為幾乎所有的汽車都會附近的系統相連接，并成為萬物互聯的一部分，因此需要更加安全的連接，以可周期性的進行更新和升級，但是如此就需要改變傳統汽車的架構設計。面向域的電氣/電子(E/E)體系結構在連接的數字汽車的整個生命周期內是無法進行更新和升級，因為通信網絡使用的是在汽車設計時定義的預定義消息。因此，它不允許動態訂閱數字服務。此外，E/E汽車軟件體系結構沒有針對新的應用程序的靈活更新機制，也沒有對外部的訪問機制，因為這種架構就是針對于ECU的整個軟件，不可以動態伸縮。

比如，嵌入式智能傳感器可用于一個ECU或者多個ECU來進行數據的傳輸，它們可以對其定義的網絡域內的通信網絡進行控制。智能傳感器是汽車基本功能的一部分，但如果有一個通信協議，允許將智能傳感器集成到數字服務中，它們將在聯網的數字汽車中發揮更重要的作用。好的的通信協議可以提高直接與傳感器連接的控制單元的功能，使其通過新的動態數據交換成為一種數字服務。這為新的數字服務提供了新的應用場景，如使用駕駛員進行預測性維護和調整保險費，使用人工智能檢測司機疲勞或前方路況的變化，亦或是可以空中軟件更新。

汽車制造商正在向更加集中和靈活的方向發展E/E架構，比如使用連接靈活可靠的通信協議以及采用新的汽車級軟件架構框架，一種方法是創建一個具有自己操作系統功能的全集成軟件平臺，用戶可以從汽車外部升級和擴展這些功能。大量的軟件代碼是由軟件供應商和制造商的軟件團隊專門進行開發。

由于聯網的數字汽車是與外部數字服務相連接的，因此需要比以往靈活的E/E架構，而這又需要一種通信協議，能夠與汽車內外的聯網系統和新的數字服務進行協同工作，這種體系架構可以參考圖1所示。

在傳統汽車架構中已經成熟可靠的基本功能，同樣適用于聯網的數字汽車，傳統車輛的系統傳感器和執行器完全可以移植到另一個域內，傳感器和執行器通過模擬線或總線接口(LIN、CAN、FlexRay)直接連接到區域網關,通過分區網關之ECU或所謂的智能傳感器單元以安全、可靠和實時的方式處理傳感器和執行器的值。

用于處理數據之ECU扮演著車輛“大腦”的角色，因為它們可以將自動駕駛的復雜應用邏輯和汽車內外通信節點的數字服務結合起來，外部數字服務將通過5G等移動通信網絡連接至以下基礎設施節點：

1. 云計算基礎設施:提供實時停車地圖，以找到一個免費的停車位;

2. V2X: 傳輸其他車輛在前方道路上識別到的數據;

3. 手機與汽車互聯：用于通過應用程序商店等升級汽車功能；

鑒于大量的內部和外部連接服務，數字互聯的E/E架構需要支持不同的通信方式，包括以下方面：

1. 基于服務的通信，其中節點訂閱服務，數據可以通過事件、字段和方法進行交換。比如以太網；

2. 以數據為中心的通信，其中節點訂閱和交換包含主題名稱、數據有效負載和質量的主題服務(QoS)類型。以太網也是通信行為配置的一種策略；

AUTOSAR(AUTomotive Open System ARchitecture)是為汽車ECU設計的標準化汽車開放系統架構，AUTOSAR聯盟成員規定了汽車制造商和供應商之間的基本系統功能、功能接口和開發方法，有兩種AUTOSAR平臺:AUTOSAR經典（CP）平臺和AUTOSAR自適應（AP）平臺，這兩個平臺都需要滿足現代汽車的要求。

AUTOSAR Classic Platform（CP）

AUTOSAR經典平臺是分層軟件體系結構，軟件需求在設計時通過其層的靜態配置來實現。因此，對于運行時的更改，它的靈活性較低，但是這點還是可以接受的，因為這個平臺通常在車輛的生命周期內保持穩定，因為被控制的傳感器和促動器的應用邏輯不會改變，傳感器和執行器仍然履行它們本身的功能。例如，窗戶的執行器仍然會開關窗，其實時操作系統是采用專用于嵌入式單片機作為硬件主控（MCU）。CP通過將微控制器的外設提取為信號，直接與傳感器和執行器交互，這種面向信號的方法被應用程序用于處理傳感器/執行器的輸入/輸出值以及發送和接收總線數據,CP大量連接車輛網絡通信接口，如LIN, CAN, FlexRay和以太網。該結構還支持發送和接收面向服務的資源，如事件、字段和方法等，運行時環境中的協議轉換器將面向服務的協議轉換為標準化接口。

AUTOSAR Adaptive Platform（AP）

AUTOSAR自適應平臺（AP）解決了新一代汽車高性能需求、連接性和持續軟件無線(OTA)更新帶來的新市場需求，它作為多個供應商的軟件集成平臺，解決了AUTOSAR經典架構的局限性，其為靈活性而設計的，以便在運行時支持軟件更改。AP構建在POSIX操作系統之上，由不同的功能模塊組成，這些模塊被劃分在服務模塊和基礎模塊上,它的的通信是面向服務類型的，會將網絡綁定到DDS或者SOME/IP使用以太來與其它ECU通信。

在這樣的系統中AP和CP并不互相取代，相反的他們之間是相互補充完善體現各自的優勢，如圖4所，汽車的核心仍然需要CP，比如車的發動機控制。汽車制造商對硬件成本控制要求往往比較高，同時，可靠的軟件解決方案、提供核心的車輛功能兩方面也有很大的需求。當軟件變化率和供應商數量有限時，CP作為一個可靠的架構其工作效能尤其高，對于車輛來說汽車制造商和供應商選擇低成本的微控制器，RAM, ROM和CPU資源

可以預先配置和優化一些小資源資源的片子。CP控制單元與車載網絡中的智能傳感器和執行器之間的通信通過中低帶寬的總線接口，如LIN、CAN和以太網。冗余數據的話由FlexRay接口保護，如剎車線數據。數字相關數據(例如，統計和診斷信息，核心車輛控制數據)在AP和CP控制單元之間流動。它們目前使用以太網上的SOME/IP協議相互兼容，但它們并不依賴于SOME/IP。

AP扮演了車輛大腦的角色，因為它具有使用雷達和激光雷達傳感器的高帶寬數據來控制汽車環境的應用邏輯，可以執行駕駛策略，并為汽車外的其他連接服務提供入口點。例如，它可以通過5G等移動通信網絡接入云計算環境，作為一個集成平臺，AP使通過云更新軟件變得更容易。

互聯數字汽車的E/E架構允許它與汽車網絡和外部網絡的AUTOSAR平臺交互，反之亦然，由于CP在設計時的靜態配置，外部網絡的用戶顯然更多地局限于預定義的數字服務，在AP平臺上使用預定義的和新的數字服務的限制較少，因為該平臺支持軟件更新。

數據分發服務(DDS)是對象管理集團(OMG)提供的用于以數據為中心的連接的中間件協議、連接框架和API標準。它集成了分布式系統的組件，提供了低延遲的數據連接、極高的可靠性和可擴展的體系結構，滿足業務和任務關鍵型應用程序的需求。

在分布式系統中，中間件是位于操作系統和應用程序之間的軟件層，它使系統的各個組件能夠更容易地通信和共享數據。這一層通過解決應用程序和系統之間傳遞信息的機制，簡化了分布式系統的開發，從而讓軟件開發人員專注于他們應用程序的特定目的。

DDS是以數據為中心的，它的設計和構建是為了容納來自不同來源的動態數據，使用DDS，應用程序可以直接與共享全局數據空間中的數據交互。這通過路由實現可伸縮性，提供質量服務(QoS)策略影響所有參與者如何傳輸和管理數據，支持動態發現，并提供了幾種數據安全(面向數據和面向傳輸)的方法。

設計自動駕駛汽車需要結合革命性的架構和技術的快速迭代，該體系結構必須無縫集成來自多個供應商的軟件和硬件，要能夠支持不斷發展的標準，并支持持續的特性和性能改進，出于這些原因，OEM正在選擇基于標準的DDS數據總線作為其體系結構和平臺的連接中間件框架，DDS提供了系統設計人員所需的全面功能，以實現最大的靈活性和可伸縮性(要能夠經得住時間的考驗)，同時，它提供了一個簡化的環境，保持設計流線型，低維護和成本效益。

自成立以來，AUTOSAR Adaptive平臺一直致力于實現一種獨立于特定網絡通信，以及基于面向服務體系結構（SOA）的通信管理體系結構。可擴展的面向服務的IP中間件（SOME/IP）是第一個納入通信管理的技術，隨后在2018年3月發布的18-03版AUTOSAR Adaptive平臺標準材料中加入了DDS技術。

相較于SOME/IP，DDS帶來了相當大的改變，引入了大量的標準內置特性，例如基于內容和時間的過濾、與傳輸無關的可靠性、持久性、存活性、延遲/截至時間監視、可擴展類型等。當AUTOSAR Adaptive與DDS一起構建一個通信框架時，它不僅可以與現有ara::com api及應用程序兼容，而且在可靠性、性能、靈活性和可伸縮性方面提供了重要的好處。

 從體系結構的角度來看，DDS的網絡鏈接在ara::com功能集群下共享一個公共概念空間，其中每個網絡鏈接將ara::com API和元模型SOA語義轉換為自己的一組特定于中間件的API調用，最終提供給ECU本地或遠程進程間通信。

值得注意的是，SOME/IP只標準化了低級別的互操作性有線協議（如圖6中的綠色框所示），但DDS標準化了面向平臺的API（深藍色框），這不僅提供了有線級別的跨行業供應商的互操作性，而且還提供了源代碼級別的互操作性。

由于AUTOSAR Classic平臺的現狀和總體設計目標的歷史，在其本文檔發布時，DDS不是其標準材料的一部分。然而，DDS在AUTOSAR Classic替代或補充平臺的通信功能的設計中非常有用。集成車輛電子架構中的葉節點（如智能傳感器）可以從無縫集成到DDS數據總線中。

OSEK是AUTOSAR Classic的操作系統接口。涉及微控制器和資源受限的微處理器系統的DDS的實現已經存在了很長時間。這使得AUTOSAR Classic應用程序級的軟件組件通過Classic 平臺的通訊服務，將DDS作為靜態鏈接庫以獲得支持，因此，利用DDS通過其標準API進行ECU內部和ECU之間的通信，而RTE（運行時環境）所抽象的其他技術是不夠的。

與AUTOSAR自適應平臺一樣，DDS可以在服務層進行更深入的集成，對于在服務層已經存在其他技術，如SOME/IP或J1939，提供RTE級DDS專用轉換器，并將DDS核心中間件實現遠離應用層。盡管這個解決方案對AUTOSAR堆棧和工具供應商的要求更高，但它允許應用程序針對單個通信api集（RTE）工作。

AUTOSAR和DDS都是為靈活、可擴展的體系結構而設計的。現在，現代化的交通工具對高性能互聯系統產生了更大的需求。因此，現在AUTOSAR Adaptive和DDS協同工作，為行業提供互操作性和高級功能。

汽車技術和客戶期望正推動行業在不斷推出新的功能從而帶來大量的數據交換。分布式體系結構演變為域體系結構，域體系結構已經進一步演變為集中式或區域性體系結構，這給OEM和供應鏈公司帶來了更大的挑戰，因為他們的系統需要以下非功能性需求：

• 可擴展性，因為現代汽車已不再是一個產品，而是一個平臺，客戶在這里購買和自動安裝OEM授權的更新和新功能；

• 互操作性，即OEM內外的供應鏈上的互相競爭的廠商須提供無縫集成的組件（包括硬件和軟件）；

• 功能安全和網絡安全，在一個不斷增長的攻擊面，不僅隱私，而且直接的人身傷害都是利是非關鍵的；

• 性能，以及在車輛內外循環的越來越多更豐富的數據流；

下面讓我們更詳細的看看這些需求。

自汽車電子產品問世以來，汽車零部件的數量已經大幅增長。為了適應這一點，隨后進行了一個集成過程，該過程不一定減少元素的概念數量，而是將它們合并為通用或多功能集成部分。

AUTOSAR Classic從靜態的角度來處理規模問題，在設計和部署時，具有無限復雜性的系統變得易于管理。AUTOSAR Adaptive將信號和請求-響應通信演化為面向服務的通信，其中服務接口被設計為動態發現和互操作性.。

DDS支持AUTOSAR通信體系結構的可擴展性功能，包括動態發現、以數據為中心的路由和內容過濾、冗余、持久性和多播，其功能遠遠超過任何其他標準化的ara::com網絡鏈接。

AUTOSAR的主要好處之一是可以立即訪問由產品、組件和服務組成的健康生態系統，這些產品、組件和服務可以在它們之間進行互操作。這方面的例子包括OEMs設計并輕松地集成到行業Tier-1公司的實現中，這些公司甚至可能不使用同一供應商的工具。AUTOSAR不僅通過標準化有線協議，而且通過標準化軟件api和元模型來促進這種交互.

利用DDS進行通信的應用程序共享一組通用的有線協議、api、QoS策略和文件格式，在這些協議、api、QoS策略和文件格式上定義了它們的業務邏輯。在實踐中，這將轉化為更快、更強大的開發，在成本可控的情況下高效地發展和擴展。

將DDS與AUTOSAR結合使用，不僅可以保證和擴展AUTOSAR系統內部互操作性的功能，而且還可以將其開放給來自不同生態系統（即ROS 2）甚至能源（用于充電站）、媒體（用于車內信息娛樂）或云服務（用于交通和導航）等行業的外部系統。

從AUTOSAR開發的最初階段開始，人們就清楚地認識到，車輛和人類都有巨大的潛力，不僅可以服務于對方，而且可以互相傷害。提供自動或半自動功能可以極大地提高操作員錯誤的安全性，然而車輛故障會導致經濟和健康損害，而惡意代理可以篡改汽車系統，竊取信息，甚至超越駕駛員的意圖控制汽車。AUTOSAR分別依賴于和參考ISO-26262和ISO-21434國際標準的要求。

DDS廣泛應用于航空航天、國防、能源和醫療等關鍵行業，為這一領域帶來了時間證明過的內置功能和公認的標準。DDS標準API和協議在保護措施方面已經與ISO-26262保持一致，避免了信息重復、損壞、無序交付等。DDS安全標準在此基礎上進行了擴展，提供了一個額外的安全層，包括保密性、身份驗證、訪問控制、不可否認性和日志記錄。

隨著汽車功能的擴展，大部分子系統的計算需求也隨之增加。過去十年的媒體革命，車內通信從最小的信號分發躍升到富媒體（音頻和視頻）流媒體，但是與輔助和自動駕駛系統的出現相比，其數據量相形見絀。現在，豐富的二維和三維感知數據不斷地被傳輸和處理，隨著高細節的地圖在互聯網上按需流動。

高效分發大量數據的機制一直存在，但是將它們集成到靈活、可伸縮的系統中是一個更大的挑戰。AUTOSAR面向服務的通信體系結構設計為在所有先前特性（可伸縮性、互操作性和安全性）和性能之間不做任何妥協。用于事件/通知程序發布的零拷貝API和網絡綁定選擇的靈活性是DDS如何實現必要性能的兩個示例，以提供汽車（及其車主）所需的多媒體體驗。

高效分發大量數據的機制一直存在，但是將它們集成到靈活、可伸縮的系統中是一個更大的挑戰。AUTOSAR面向服務的通信體系結構設計在所有先前特性（可伸縮性、互操作性和安全性）和性能之間不做任何妥協。用于事件/通知程序發布的零拷貝API和網絡綁定選擇的靈活性是DDS如何實現必要性能的兩個示例，以提供汽車（及其車主）所需的多媒體體驗。

可以在設計、部署甚至運行時選擇高度專業化的網絡鏈接，以利用高速進程間通信通道或硬件互連。DDS本身是一種分層體系結構，它提供了獨特的功能，可以通過多種不同傳輸（UDP、TCP、DTLS、TLS、SharedMemory等）。DDS使用一組以數據為中心的協議，無縫地跨越平臺邊界，并提供獨特的功能，如監視、調試、持久性、路由等。

在了解了DDS和AUTOSAR的基本原理和優點之后，現在是時候看看它們如何參與現代車輛體系結構并進行交互的實際示例了。作為第一步，我們將汽車劃分為經典的電子/電氣領域：

• 動力系統

• 地盤

• 車身

• 車載信息娛樂（IVI）

• 高級駕駛員輔助系統（ADAS）

• 車對X(V2X)

長期以來，這些域決定了車內的網絡拓撲結構，不同的硬件既充當域特定設備（傳感器、執行器）的控制器，又充當通向其他域的網關（“域體系結構”）。同樣重要的是要理解，盡管這些領域的組件在概念上是緊密耦合的（即油門踏板和發動機），但在物理世界中情況并非如此，在物理世界中，與單一功能相關的組件在整個車輛中分布很廣，因此需要廣泛的布線。

最近的趨勢是通過在開放系統互連（OSI）模型（從物理層到應用層）將車內布線減少到最小。減少布線的好處包括：

• 降低生產成本

• 更簡單的維護

• 減輕車輛重量

• 跨市場適應性

• 售后擴展性

撇開商業利益不談，從工程角度來看，將AUTOSAR和DDS結合起來的最大優勢是功能域和網絡拓撲不再是對手，而是車輛中的盟友。網絡拓撲結構能夠更好地適應車輛的物理約束，功能域在物理車輛的頂部提供了一個靈活的覆蓋層，這就是所謂的分區體系結構。

如本文前面所示，白框或“處理ecu”代表運行AUTOSAR Adaptive（OS+運行時堆棧）的強大多核系統，甚至在獨立硬件或VM核上運行AUTOSAR Classic，以及GPGPU或VPU等專用硬件。AUTOSAR Adaptive是這些設備的理想選擇，因為它帶來了一定程度的功能性、高性能計算和AUTOSAR Classic所不具備的靈活性，包括（但不限于）：

• 超越通用的異構計算

• 微處理器體系結構

• 安全的大規模存儲

• 面向服務的通信

• 高級加密服務

• V2x和云服務

• 執行和平臺健康管理

盡管它們使用同構的通用網絡，但這些功能強大的ECU系統可以快速（通常為1Gbps或更高）訪問其他ECU和區域網關。

分區網關在外圍I/O和可編程性方面表現出色，這使得它們能夠自主地運行高度特定和時間敏感的任務，而無需訪問中央處理ECU。它們還充當任何性質的傳感器和執行器的“攝取點”，將處理ecu從協議轉換或數據預處理等常規任務中卸載。它們甚至可以根據車輛狀態在行駛中重新調整用途（即，停車時出于安全目的的低頻運動傳感，或運動時的高頻ADAS傳感器攝取）。

分區網關可以運行AUTOSAR Classic、AUTOSAR Adaptive，甚至兩者的組合，這取決于它們提供的特定功能集，盡管考慮到這些單元完成的許多任務的安全關鍵性質，比例通常會傾向于AUTOSAR Classic一側。

安全的假設是80-20%的處理ECU（80%的功能在AUTOSAR Adaptive上運行，20%在AUTOSAR Classic上運行）和20-80%的分區網關ECU，20%的AUTOSAR Adaptive功能在以后的ECU上用于車輛網絡級的AUTOSAR自適應互操作性。

在所有這些場景（處理ecu和區域網關ecu）中，由于其獨特的分布式、以數據為中心的特性，DDS作為應用層（根據OSI模型）或框架層（根據IIC模型）的通信主干在AUTOSAR內部和旁邊都大放異彩。它通過與傳輸無關的可靠性、動態和靜態發現、類型擴展性、冗余、類型描述、安全性、定時、內容感知過濾和持久性等特性提供了優異的性能。DDS還能夠通過一組標準化的有線協議、API和文件格式，在多個生態系統（甚至超越AUTOSAR）上安全與高性能通信，從而應對未來車輛體系結構的巨大挑戰。

互聯汽車需要高性能、可擴展和以數據為中心的體系結構。在本文中，ITK Engineering和RTI描述了構成體系結構以適應這些需求的兩個標準AUTOSAR和DDS。它們共同為汽車原始設備制造商提供了設計和運行未來汽車的靈活性。AUTOSAR Adaptive/DDS方法的商業優勢包括更低的生產成本、跨市場的適應性、簡化的維護和售后擴展性。對于工程團隊來說，這提供了一個網絡拓撲結構，該拓撲結構能夠適應車輛的物理約束和在物理車輛上提供靈活覆蓋（分區體系結構）的公共功能域。

盡管這種架構可能具有挑戰性，但互聯汽車只是不斷發展的未來交通系統的一部分。隨著工程團隊為這個未知世界做準備，靈活性和經得起未來考驗的體系結構將變得越來越重要。因此，AUTOSAR/DDS體系結構以開放數據為中心的特性可以為聯網車輛提供穩定性和靈活性，以無縫地適應日益智能化和互聯的交通系統。