基于SOMEIP协议的SOA设计.pdf

第17 期AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY设i计研究10.16638/ki.1671-7988.2023.017.012基于 SOMEIP协议的SOA设计高越，高健，周焕宇（沈阳东信创智科技有限公司，辽宁沈阳110 0 0 0）摘要：为了推进车载以太网和基于服务的架构（SOA）在车内的快速应用，论文结合实例介绍了基于模型的SOA功能架构开发流程及方法，同时绑定可伸缩的基于IP的中间件（SO M EI P）协议，进行基于服务以太网通信设计，对汽车SOA功能架构和以太网网络架构开发具有一定指导意义。关键词：SOMEIP；基于服务的架构；以太网；架构；用例；服务接口中图分类号：U462.1(Shenyang Dotrust Technologies Company Limited,Shenyang 110000,China)Abstract:In order to promote the rapid application of on-board ethernet and service orientedarchitecture(SOA)in the vehicle,this paper introduces the development method and process of SOAfunctional architecture based on model combined with examples,and also,the design of service-oriented ethernet communication based on scalable service oriented middleware over IP(SOEMIP)protocol is bound,which has certain guiding significance for the development of automotive SOAfunctional architecture and ethernet network architecture.Keywords:SOMEIP;Service oriented architecture;Ethernet;Architecture;Use case;Serviceinterface随着智能互联、自动驾驶、电动汽车及共享出行的发展，分布式模块化架构正在向区域和中央计算平台的架构方向演进，软件定义汽车是实现汽车新四化的推动力，软件开发必须快速、敏捷，以实现功能更新迭代，面向服务的架构（Se r v i c e O r i e n t e d A r c h i t e c t u r e,SO A）开发可以满足以上所有需求，又因为SOA开发需要交互大量的结构化数据，百兆、千兆甚至是多G以太网又被引入到车内，二者结合使用，相辅相成，在国作者简介：高越（19 8 2 一），女，硕士，工程师，研究方向为汽车电子电气架构、汽车以太网、SOA，E-ma i l:0 1y u e.g a 。文献标识码：A文章编号：16 7 1-7 9 8 8(2 0 2 3)17-7 1-0 5SOA Design Based on SOMEIP ProtocolGAO Yue,GAO Jian,ZHOU Huanyu1SOA设计SOA是一种软件架构开发方法，服务可以是黑盒形式，通过标准的服务接口向外提供服务；服务也是无状态的，可以被重复调用，可以被多次部署。SOA设计主要包括用例设计、交互时序设计、接口设计。内外各大整车厂得到逐步落地。721.1用例设计功能设计通常采用“自上而下（Top-Down）”的正向开发思路，首先通过用户场景分析定义用例（UseCase），通过用例描述系统面向用户提供主要功能或服务 。本文以汽车远程控制功能为例进行用例设计，用例设计遵循的原则为参与者（Actor）通过什么方法可以达到什么目标。如图1所示，参与者为用户，用户可以通过手机App远程控制座椅加热、控制空调、控制车窗、控制门锁等多个用例，而远程控制车窗又包含（Include）以下四个子用例：汽车实用技术1）用例1：一键开启车窗，用户通过手机App远程一键开启车窗，开合度至10 0%。2）用例2：一键关闭车窗，用户通过手机App远程一键关闭车窗，开合度至0%，车窗关闭过程中，可能触发使能防夹，一旦防夹功能使能，需要提示用户，这里防夹功能使能用例是一键关闭用例的扩展。3）用例3：车窗换气控制，用户通过手机App远程控制车窗，开合度可至任意位置。4）用例4：车窗状态查询，用户通过手机App远程查询车窗状态及位置。汽车远程控制1远程控制座椅12023年一键开启防夹功能使能Kextend)远程控制空调i n c l u d e 11用户一键关闭in c lu d e 远程控制车窗i n c l u d e 11远程控制门锁车窗换气控制i n c l u d e.车窗状态查询图1汽车远程控制用例图1.2交互时序设计功能实现通过时序图描述，主要包括参与者（p a t i c i p a t e）和每一步需要交互的信息，一个时序图可包括一个或者多个用例。图2 为远程一键关闭车窗时序图，对图分析可知，车身域控为车窗控制服务的提供者，手机手机App1.一键关闭车窗请求11.远程控制结果，车窗位置及防夹状态反馈1图2 远程一键关闭车窗时序图App为车窗服务的消费者，而网关作为服务代理，将信号转换成服务，提供整车状态服务，其中包括车窗控制（WindowControl）、服务依赖（Depen-dency）、整车状态（Vehicle State）服务。图3为使用PRREEvision工具定义的服务调用关系。TSP平台网联TBOX2.一键关闭车窗请求10.远程控制结果，车窗位置及防夹状悉反馈防夹状态反馈11111车身域控3.一键关闭车窗请求19.远程控制结果，车窗位置及网关14.提供车速信息5.提供挡位信息6.提供电源信息7.判断是否满足前提条件18.车窗位置调节11111第17 期高越，等：基于SOMEIP协议的SOA设计73一键关闭车窗windowControl手机ApP车身域控一键关闭车窗网关手机App:L/;-(Ser.车身域控:windowCont.vehicleState手机域控：/-;-(Servic.)GW:vehicleState_SI.图3一键关闭车窗功能服务调用关系1.3服务接口定义前面已经定义完服务角色及服务的调用关系，下面定义接口类型及相关数据类型，接口类型包括请求响应方法R&RMethod，一般用于需要执行一段时间才会有效执行反馈的控制类指令；单方向通信方法F&FMethod；域（Get，Se t,Notify），其中通知（Notify）指令必须涵盖控制指令中所涵盖的所有状态 2 ，事件（Event）类型接口使用同上面的通知（Notify）指令。按照之前的功能分析，WindowControl服务需要定义一个R&RMethod，输入参数为电动窗控制命令（WindowCtrolCmd），输出参数为电动窗控制结果（WindowCtrolRst），也需要定义一个通知（notify），参数内容为电动窗的位置和防夹状态（WindowState）；Ve h i c l e St a t e 服务需要定义三个通知（notify），分别为Vehicle Speed、G e a r Le v e l和 Ignition State。以太网数据大多为结构化数据，数据定义必须层层分解到原始数据类型BaseType，图4以WindowState数据为例说明数据类型定义。WindowState为结构体数据类型，包含两个数据成员winPosition和winStatus，这两个数据成员也为结构体，分别包含前左、前右、后左和后右四个电动窗的位置和状态信息，基本数据类型都为uint8。Structure windowControl图4结构体数据WindowControl定义2SOMEIP协议设计可伸缩的基于IP的中间件（Scalable ServiceOriented Middleware over IP,SOMEIP）协议是欧洲主机厂宝马公司专门针对以太网及SOA的车内应用而开发的中间件协议，通过此中间件进行应用层和IP层的数据交互，实现了应用程序和操作系统之间的解耦。SOMEIP协议主要包括远程过程调用（Remote Process Call,RPC)、数据序列化、服务发现（ServiceDiscovery,SD）、SO M EIP传输协议（Transport Protocol,TP）等四部分内容 3。2.1 RPC协议定义RPC协议定义主要是SOMEIP协议头(Header)Structure windowPositionUnit8FLwindowPositionunit8FRwindowPositionUnit8RLwindowPositionunit8RRwindowPositionStructurewinStatusUnit8FLwindowStatusunit8FRwindowStatusUnit8RLwindowStatusunit8RRwindowStatus74的相关参数，如服务ID、方法/事件ID、协议版本、客户端ID，事件组（Event Group）及其ID等。这些数据定义原则是为不同域的服务划分范围，且确保唯一性。2.2数据序列化定义数据序列化是指发送方将应用层的结构化的并行数据转化成串行数据发送到总线上的过程，接收方再将从总线上接收到的串行数据反序列化成并行数据交给应用层。汽车开放系统架构（AUTomotiveOpen SystemARchitecture，A U T O SA R）组织定义了转换器（T r a n s f o r m e r）作为SOMEIP序列化的软件模块。关键设置参数如下：1）对齐（Alignment）应用于变长数据，如变长数组和变长字符串，为了方便读取内存数据，通过填充的方式使数据处于字节起始位置。对齐参数的定义主要和域控处理器系统相关，本文中车身域控和网关均为4byte对齐。2）字节序（ByteOrder），为了和车外网兼容，字节序定义为Motorola Big Endian类型。3）结构体、数组和变长字符串的数据长度域长度，本文全部定义为4byte。图5为结构体数据类型序列化示例，数据长度域长度为 4 bytel4。Structure1Unit32AUnit16 BStructure 2图5丝结构体数据序列化2.3 服务发现软件定义（Software Defined，SD）是一种特殊的服务，定义了服务的寻址信息和状态信息。服务端发布提供服务，客户端查找、订阅服务。通过此服务发现机制，可动态地建立通信链接，同时可开启、关闭服务，有效降低了总线带宽及算力资源。服务器端和客户端的SOMEIP SD通信行为是不同的，但都包括四个阶段，每个阶段都需要定义相应的参数，图6 为服务器端通信行为定义，汽车实用技术初始化阶段（InitialWait Phase）需要配置的时间参数为INITIAL_DELAY时间（最大和最小值之间的随机值）；重复阶段（RepetitionPhase）中参数REPETITIONS_BASE_DELAY为服务端发送offer service 的基本时间，随着发送次数的增加，发送间隔时间倍增，最多发送次数为REPETIT-IONS_MAX；主阶段（Main Phase）中OfferCyclicDelay为服务端发送offer service 的发布周期 5。ClientDown PhaseNo ServiceInitialWaitPhaseInitial_delay-Min-Max1*repetition_base_time2*repetition_base_timeRepetition Phase4*repetition_base_timeCycle_delay=1sMain phaseCycele_delay=1s图6 服务端状态转换及时间参数SOMEIPSD相关参数定义可以参照表1，客户端和服务端的参数定义一致 6 。表1SOMEIP SD参数定义Unit32 1f1参数Unit32AInitial_Delay_MinUnit16BSerializationUnit321f2Unit8 CStructure 2Unit16 DUnit321f3Unit8CUnit16 DArray 22023年Serveroffer#1offer#2offer#3offer#4offer#5offer#6数值/ms0Initial_Delay_Max3001f1Repetition_Base_DelayRepetition_Max1f2Cyclic_Offer_DelayTTLRequest_Response_Delay_MinRequest_Response_Delay_Max2.4 SOMEIP TP 定义SOMETP协议可以绑定用户数据报协议（UserData Protocol,UDP）传输数据。如果SOMEIP协议绑定UDP，且数据字节长度大于140 0 byte，则必须使用SOMEIPTP，将数据进行分片传输。SOMEIPTP的设计参数主要有两个，发送端发送连续两个数据包的时间间隔（MinimumSeparationTime=1ms）和接收端接收超时时间（RxTimeoutTime=3 ms)。2.5仿真测试最后，定义车载以太网一到四层的通信协议，比如物理层的通信速率和主从节点，数据链路层303100050000500第17 期的虚拟局域网和MAC地址，网络层的IP地址和传输层的端口号等，所有数据及相关参数设计完成后，使用VECTOR公司的架构开发工具PREE-vision进行建模，可导出以太网SOA的ARXML，并将此ARXML导入VECTOR公司的仿真测试工具CANoe中进行仿真测试。在仿真时，可直接在Bus Statistic窗口下查看总线负载率，如图7 所示。喵 Bus statisticLink speed Mbit/sRx Bus 1oad%TxBus load%Rx Peak load%Tx Peak load%Rx Packets total pktIx Packets total pktRxPacketratepkt/sTx Packet rate pkt/sRx Error packets totalIxErrorpacketstotalConnection statusRx Bit rateMbit/sTxBitrateMbit/sRx PeakrateMbit/sIxPeak rateMbit/sRx Byte rate byte/sIxByte ratebyte/sRx Bytes total byteTx Bytes total byteBroadR-Reach SQI3结论本文结合实例介绍了SOA功能架构定义的流高越，等：基于SOMEIP协议的SOA设计口xEth1100.00.000.030.000.10017805000Linkup0.0000.0390.0000.10504850018401Not Available图7 CANoe仿真总线负载75程和方法，以及如何基于SOMEIP协议进行SOA网络架构的相关参数设计。未来的电子电气架构，SOA将作为功能架构的主要开发方式，而以太网将作为整车网络的主干通信网络，国内主机厂正纷纷搭建以太网和SOA电子电气架构平台，提升市场竞争力。参考文献1 袁仲楠.基于PREEvision的电子电气架构开发研究J.电子测试,2 0 2 0(3):55-57,130.2刘聪,陈敏.面向服务的电子电气架构研究与应用 1.北京汽车,2 0 2 1(6):34-36,40.3AUTOSAR Organization.AUTOSAR TR SOMEIPExample R4.2.1:637S.Redmond:AUTOSAR Organ-ization,2014.4AUTOSAR Organization.AUTOSAR PRS SOMEIPProtocol R20-11:696S.Redmond:AUTOSAR Organ-ization,2020.5AUTOSAR Organization.AUTOSAR TPS ManifestSpecification R19-03:713S.Redmond:AUTOSAROrganization,2019.6詹德凯,高越.基于PREEvision的SOA设计 J.汽车实用技术,2 0 2 2,47(2 3):6 2-7 0.