車載DDS協(xié)議測試的研究與分析

李志濤，耿偉峰

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，車輛向智能化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化和自動化發(fā)展，汽車將面臨大量功能的增加與科技化的挑戰(zhàn)，如龐大的計算能力、高效的通信帶寬、靈活的兼容性、強大的擴展升級能力及安全特性等。面對日益增長的需求與挑戰(zhàn)，采用車載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)的電器架構(gòu)與SOA開發(fā)理念，來滿足車輛高帶寬、低延遲通信特性與敏捷開發(fā)要求。尤其在自動駕駛領(lǐng)域，基于車載以太網(wǎng)應(yīng)用DDS協(xié)議，傳輸多種異構(gòu)傳感器（視覺、雷達、GPS、導(dǎo)航、控制等）采集的信息，實現(xiàn)高速和數(shù)據(jù)頻繁地交換，滿足面向高速、實時傳輸特性的場景。

1 DDS概述

DDS全稱Data Distribution Service（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)），是一個中間件協(xié)議，該協(xié)議以數(shù)據(jù)為中心，采用發(fā)布/訂閱方式，并匹配豐富的服務(wù)品質(zhì)策略，進行數(shù)據(jù)實時高效的分發(fā)，滿足各種分布式實時通信應(yīng)用需求。DDS在航空、工業(yè)、醫(yī)療、交通、能源、國防領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，目前在汽車行業(yè)中也得到了應(yīng)用，國外主機廠，如豐田、通用、大眾、奧迪、奔馳，國內(nèi)相關(guān)新勢力主機廠等已實現(xiàn)車載DDS協(xié)議應(yīng)用車型量產(chǎn)，諸多傳統(tǒng)主機廠也陸續(xù)開展了DDS的規(guī)劃與研發(fā)。

DDS位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間，支持多種編程語言以及多種底層協(xié)議，AUTOSAR組織于2018年將DDS正式采納到Adaptive Platform（AP）標(biāo)準(zhǔn)中，作為通信中間件之一，如圖1所示。

圖1 Adaptive Platform

通過AP AUTOSAR架構(gòu)，使軟件功能之間的通信不再以循環(huán)突發(fā)的形式進行，實現(xiàn)應(yīng)用程序之間松散耦合并通過DDS作為中間件進行面向服務(wù)的通信，底層使用車載以太網(wǎng)進行通信。DDS引入“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”概念，滿足多種用戶需求，系統(tǒng)解耦合。其通信方式是完全端到端的，不需要代理，每一個節(jié)點包括數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機制，基于主題實現(xiàn)信息傳遞，通過發(fā)布/訂閱方式使應(yīng)用加入數(shù)據(jù)總線，發(fā)布或者訂閱信息。

2 DDS協(xié)議解析

DDS通信協(xié)議規(guī)范，由技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟組織——對象管理組（OMG）發(fā)布和維護，OMG工作組針對各種技術(shù)和行業(yè)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，OMG制定的DDS技術(shù)規(guī)范包括一系列標(biāo)準(zhǔn)，其中核心標(biāo)準(zhǔn)包括4部分。第1部分：DDS標(biāo)準(zhǔn)主體[以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱DCPS（Data-CentricPublish-Subscribe）模型]；第2部分：DDSI-RTPS[DDS實時發(fā)布訂閱RTPS（Realtime Publish-Subscribe）協(xié) 議]；第3部 分：DDS-XTypes（DDS類型和數(shù)據(jù)序列化方法）；第4部分：DDS-Security（DDS安全模型）。DDS核心標(biāo)準(zhǔn)在OSI模型架構(gòu)中的分布見圖2。

圖2 DDS核心標(biāo)準(zhǔn)在OSI模型架構(gòu)中的分布

DDS作為中間件協(xié)議，為上層的車載應(yīng)用程序提供平臺化的運行環(huán)境，屏蔽底層通信之間的接口差異，實現(xiàn)互操作，滿足實時通信需求，其核心標(biāo)準(zhǔn)中的DCPS模型與RTPS協(xié)議為核心中的基礎(chǔ)。

2.1 DCPS模型

DCPS全稱為Data-Centric Publish-Subscribe（以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱模型），DCPS層中主要包含域、參與者、發(fā)布者、訂閱者、數(shù)據(jù)寫入者、數(shù)據(jù)讀取者、主題、監(jiān)聽器等通信實體。DDS基本結(jié)構(gòu)是域（Domain），域表示一個通信平面，由域標(biāo)識符唯一標(biāo)識。網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個實體通信都必須在同一個域內(nèi)進行交互，而且只有在同一個域內(nèi)的實體才可以通信。域內(nèi)的參與者是服務(wù)的入口點，負責(zé)創(chuàng)建、刪除和管理實體（如發(fā)布者、訂閱者、主題等），主題（Topic）具有確定的數(shù)據(jù)類型，是實體相互通信時傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

DDS應(yīng)用之間的通信，需先獲取參與者，然后通過參與者獲取其他服務(wù)，如發(fā)布者（publisher）、訂閱者（subscriber）、主題（topic）等。發(fā)布者作為發(fā)布方，至少包含一個DataWriter；訂閱者作為訂閱方，至少與一個DataReader關(guān)聯(lián)。主題是DataWriter和DataReader相互通信時約定的數(shù)據(jù)信息，每個DataWriter/DataReader必須與一個主題綁定。DDS通信時，數(shù)據(jù)發(fā)布者通過DataWriter把數(shù)據(jù)發(fā)送至綁定的主題，數(shù)據(jù)訂閱者通過DataReader從綁定的主題中獲取期望的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱的同時匹配相應(yīng)的QoS，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的預(yù)期交互。DDS通信模型示意如圖3所示。

圖3 DDS通信模型

DCPS為通信節(jié)點之間創(chuàng)建了一個虛擬共享的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。在全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中，分布式節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)上以發(fā)布或訂閱的方式傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點之間通信方式可以靈活地實現(xiàn)一對一、一對多、多對多，并在QoS策略的控制下建立連接、數(shù)據(jù)交互等。

2.2 RTPS協(xié)議

DDSI-RTPS全稱Real-time Publish Subscribe Protocol DDS Interoperability Wire Protocol（實時發(fā)布訂閱協(xié)議DDS互操作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范），是DDS實施互操作性（標(biāo)準(zhǔn)化）協(xié)議。其中，RTPS建立在傳輸層之上，包含平臺獨立模型PIM（Platform Independent Model）和平臺特定模型PSM（Platform-Specific Model）。

PIM包含4個模塊：結(jié)構(gòu)、消息、行為和發(fā)現(xiàn)。①結(jié)構(gòu)（Structure）模塊定義通信的實體如何表示；②消息（Messages）模 塊 定 義了通信實體之間的消息；③行為（Behavior）模塊定義實體之間的消息的交互及如何進行交互；④發(fā) 現(xiàn)（Discovery）模塊定義了端點間的自動發(fā)現(xiàn)和配置實體。PIM模型如圖4所示。

圖4 PIM模型

PSM負責(zé)提供PIM與UDP（若采用以太網(wǎng)）之間的映射，主要包括各種消息格式等。RTPS采用UDP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的封裝傳輸，有效結(jié)合了二者的特性優(yōu)勢，使RTPS具有良好的性能和服務(wù)品質(zhì)，以及相應(yīng)的容錯和快速連接能力，其模塊化與可配置的屬性，使可擴展性和可伸縮性進一步提升，為車輛中的實時應(yīng)用功能通信場景提供了best-effort和reliable的發(fā)布-訂閱通信，同時使得車輛網(wǎng)絡(luò)的兼容性和互操作性也更加靈活。

2.3 QoS服務(wù)品質(zhì)

QoS全稱為Quality of Service（服務(wù)品質(zhì)），是網(wǎng)絡(luò)通信的一種安全機制，用來解決通信過程中的網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題，提供良好可靠的通信能力。DDS協(xié)議支持豐富的服務(wù)品質(zhì)策略，對保證實時通信至關(guān)重要。其依據(jù)應(yīng)用場景需求，選擇相應(yīng)的QoS應(yīng)用在數(shù)據(jù)發(fā)送方或數(shù)據(jù)訂閱方，而針對數(shù)據(jù)發(fā)送方或訂閱方，可單獨使用一種QoS，也可以組合使用多種QoS，來滿足通信要求。

DDS定義了靈活的QoS規(guī)則，包括數(shù)據(jù)可用性控制、數(shù)據(jù)的交付方式控制、數(shù)據(jù)的時效性控制、定義和分發(fā)用戶信息、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)資源的控制等。用戶可以通過設(shè)置QoS策略來控制數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序之間共享的方式，以滿足不同場景下應(yīng)用程序?qū)δ芎托阅艿男枨?，能更好適用于車輛功能和性能需求場景的多樣性。DDS支持的服務(wù)品質(zhì)策略見表1。

表1 QoS列表

DDS在進行數(shù)據(jù)信息傳輸時，可靈活匹配相應(yīng)的服務(wù)品質(zhì)策略，若數(shù)據(jù)信息不能確保到達預(yù)期的目的地，那么將在數(shù)據(jù)傳輸時實現(xiàn)可靠性策略。若當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生變化時，DDS將動態(tài)地計算出發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地及發(fā)送的數(shù)據(jù)，并預(yù)先通知參與者。如果總數(shù)據(jù)量很大，DDS會將發(fā)送的數(shù)據(jù)進行過濾，并只發(fā)送訂閱方需要的數(shù)據(jù)信息。同時，對于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用程序，DDS會控制訪問，強制數(shù)據(jù)流路徑并實時加密數(shù)據(jù)。總之，DDS豐富的QoS策略為車輛功能需求場景的實現(xiàn)提供了無限的空間。

3 DDS協(xié)議測試

車載以太網(wǎng)是一種交換網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的汽車CAN/LIN總線相比，采用交換機形式的局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可分為星型網(wǎng)絡(luò)拓撲、菊花鏈型網(wǎng)絡(luò)拓撲和樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲3種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面具有很大的靈活性，同時對車載以太網(wǎng)測試也提出了更高的要求，目前車載以太網(wǎng)測試主要包括驗證車載以太網(wǎng)的物理性能、交換機性能、TCP/IP協(xié)議一致性、應(yīng)用層通信協(xié)議一致性以及以太網(wǎng)通信功能等。DDS協(xié)議對于汽車行業(yè)來說，是一種新型中間件協(xié)議的應(yīng)用，因此進行專業(yè)、全面的測試至關(guān)重要。

3.1 測試范圍

在汽車電子電氣領(lǐng)域，典型的V模型在OEM電子電器產(chǎn)品開發(fā)中廣泛應(yīng)用。車載以太網(wǎng)的開發(fā)依據(jù)此V模型，左側(cè)為需求的開發(fā)設(shè)計工作，右側(cè)對應(yīng)各階段的測試工作。

對于DDS協(xié)議測試，OEM在系統(tǒng)或整車集成階段，應(yīng)側(cè)重于系統(tǒng)集成的正確性、性能指標(biāo)及穩(wěn)定性等方面的測試。目前行業(yè)內(nèi)尚未發(fā)布相應(yīng)的DDS協(xié)議測試標(biāo)準(zhǔn)，OEM主要結(jié)合DDS協(xié)議需求規(guī)范、通信模型、傳輸機制，并圍繞DDS在車載應(yīng)用中的場景、關(guān)注點等制定相應(yīng)的測試內(nèi)容。因此，DDS主要測試內(nèi)容可分為協(xié)議一致性測試、系統(tǒng)通信正確性測試、協(xié)議應(yīng)用測試等。DDS測試內(nèi)容概述列表見表2。

表2 DDS協(xié)議測試內(nèi)容

協(xié)議一致性測試對RTPS協(xié)議進行測試，重點對DDS通信實體之間傳遞的消息、交互行為及機制策略的驗證，驗證DDS產(chǎn)品的互通性；系統(tǒng)通信正確性測試對DDS系統(tǒng)時序與通信矩陣要求的一致性，故障處理策略、協(xié)議配置、通信邏輯性能的測試，驗證系統(tǒng)層級通信的正確性與穩(wěn)定性；協(xié)議應(yīng)用測試主要圍繞DDS在不同的應(yīng)用場景中所對應(yīng)的功能或性能配置測試，此階段與所實現(xiàn)的相應(yīng)車輛電器功能，用戶應(yīng)用場景密切耦合，驗證協(xié)議應(yīng)用的有效性、穩(wěn)定性。

綜上，系統(tǒng)通信正確性測試與協(xié)議應(yīng)用測試，是OEM的核心關(guān)注點之一，不僅要依據(jù)需求規(guī)范的要求，同樣要源自對網(wǎng)絡(luò)特性、對車輛使用場景的理解、與整車功能特性耦合度等方面考慮，開展充分有效的協(xié)議測試工作。另外，針對DDS-Security測試，可統(tǒng)籌歸納至車輛信息安全測試范疇，此處不再贅述。

3.2 測試環(huán)境

參照傳統(tǒng)總線測試流程，車載DDS協(xié)議測試首先依據(jù)協(xié)議開發(fā)需求和測試經(jīng)驗，完成測試規(guī)范的開發(fā)。然后，結(jié)合需求規(guī)范、通信矩陣及功能需求等開發(fā)仿真模型，同時參照測試規(guī)范進行自動化測試用例設(shè)計，測試工程的開發(fā)、集成調(diào)試，實現(xiàn)自動化/半自動化測試。

針對DDS測試開發(fā)執(zhí)行工具，可采用Vector工具鏈，如：CANoe、vTeststudio、VT等，同時匹配第三方編程語言實現(xiàn)DDS測試環(huán)境的搭建、測試工程設(shè)計、測試執(zhí)行，滿足ECU級、系統(tǒng)集成級測試。測試環(huán)境架構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 測試環(huán)境示意圖

在整車電子電器開發(fā)中，由于各種因素影響，部分被測ECU難以在計劃時間內(nèi)提交至OEM。結(jié)合ECU產(chǎn)品到達情況，開展增量式集成，未開發(fā)完成的ECU進行虛擬仿真，虛擬ECU匹配真實ECU，實現(xiàn)分布式測試環(huán)境搭建，以持續(xù)集成持續(xù)測試方式，滿足測試需求。

同時，為了保證被測ECU正常運行，需觸發(fā)ECU的某些行為，達到測試開展條件?？山柚鶹ector提供的IO激勵和測量板卡、總線接口卡，仿真相關(guān)ECU的外圍IO信號或者總線信號，在半實物半虛擬測試環(huán)境中，虛擬ECU節(jié)點需要仿真DDS Writer或者Reader，來發(fā)布或訂閱ECU的DDS數(shù)據(jù)，以此來驗證真實被測ECU節(jié)點的變量范圍、非法值的錯誤處理機制等。CI/CT測試方式可貫穿于整個研發(fā)過程中，滿足了產(chǎn)品迭代開發(fā)的測試環(huán)境。

4 結(jié)束語

DDS協(xié)議作為通信中間件協(xié)議，在車輛電子電器通信系統(tǒng)中起著不可或缺的支撐作用，其向下支持多種傳輸層的通信協(xié)議，向上為應(yīng)用層提供簡單、高效的發(fā)布/訂閱接口。建立全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，根據(jù)主題進行點對點數(shù)據(jù)傳送，有效地減少了不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，通過提供應(yīng)用級QoS，使用戶對發(fā)布／訂閱行為可控、可見，增加系統(tǒng)的靈活性、可靠性與可擴展性，滿足車輛功能場景需求。目前在汽車行業(yè)，DDS協(xié)議的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范并不完善，因此對于DDS協(xié)議的車載應(yīng)用、測試驗證，存在許多值得后續(xù)深入研究的問題。