剖析SOA對整車E/E架構(gòu)的挑戰(zhàn)

前言：

隨著汽車朝著“新四化”的趨勢發(fā)展，客戶對車輛功能的心里預(yù)期也悄然發(fā)生著改變。汽車在邁向更高等級自動駕駛的同時，也更加注重提升用戶體驗，例如快速的功能更新和軟件迭代升級，提供個性化、人性化、差異化的功能與服務(wù)等。

而這一切都是傳統(tǒng)汽車電子架構(gòu)所不能實現(xiàn)的。面向服務(wù)的軟件架構(gòu)SOA以其標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口、松耦合的服務(wù)機制以及可組合擴展的服務(wù)特性，為實現(xiàn)“軟件定義汽車”夯實了框架基礎(chǔ)。

01

SOA是什么？

在IT行業(yè)，如果要建立一個中文社區(qū)平臺，這個社區(qū)平臺既有PC網(wǎng)頁版，也有Android或者IOS版，獲取熱榜列表，那么程序員絕不會為這三個平臺分別寫三種Api，而是以服務(wù)的形式，用同樣一個接口為三個平臺提供同樣的內(nèi)容，至于以什么樣的UI展示，是各自平臺要考慮的事情。這就是SOA架構(gòu)思想的一種應(yīng)用。

SOA：Service Oriented Architecture面向服務(wù)的架構(gòu)，是1996年Gartner提出SOA概念，SOA被提出來以后，迅速成為IT行業(yè)的一種軟件開發(fā)方法論。許多組織從不同角度對SOA進(jìn)行了描述：

Gartner對SOA的定義：SOA是一種C/S架構(gòu)的軟件設(shè)計方法，應(yīng)用由服務(wù)和服務(wù)使用者組成，SOA與大多數(shù)通用的C/S架構(gòu)模型不同之處在于它著重強調(diào)家構(gòu)建的松散耦合，并使用獨立的標(biāo)準(zhǔn)接口；-

W3C對SOA的定義：SOA是一種應(yīng)用程序架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，所有功能都定義為獨立的服務(wù)，這些服務(wù)帶有定義明確的可調(diào)用接口，能夠以定義好的順序調(diào)用這些服務(wù)來形成業(yè)務(wù)流程；

Wikipedia對SOA的定義：SOA是一種軟件的設(shè)計風(fēng)格，應(yīng)用程序組件通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將服務(wù)提供給其他組件；SOA的基本原則是獨立于供應(yīng)商，產(chǎn)品和技術(shù)；

由上可以看出，SOA并沒有一個大家公認(rèn)的定義！但是SOA的目標(biāo)及其特性卻是清晰明了的。SOA的目的是一種以構(gòu)建靈活可變的平臺系統(tǒng)，SOA具有服務(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)化等特點。

SOA里面涉及服務(wù)，接口、相關(guān)角色等概念。

服務(wù)指的是實現(xiàn)某種功能的函數(shù)或方法，是一個可遠(yuǎn)程訪問并獨立執(zhí)行和更新的離散功能單元；

接口：能夠被其他模塊調(diào)用的函數(shù)名稱或一個封裝的API；

在SOA中分為服務(wù)提供者（實現(xiàn)服務(wù)功能（包含控制算法、功能邏輯）的那一方）、服務(wù)消費者（使用服務(wù)接口，調(diào)用服務(wù)的那一方）、服務(wù)注冊方/代理方（實現(xiàn)服務(wù)的注冊/訂閱/發(fā)布等）三種不同的角色。

在SOA實際應(yīng)用中，首先會將業(yè)務(wù)拆分成不同的業(yè)務(wù)模塊，每個模塊可以理解成一個服務(wù)，服務(wù)之間通過標(biāo)準(zhǔn)的接口交互，通過服務(wù)和服務(wù)接口，簡化了對系統(tǒng)的描述，降低復(fù)雜性，若服務(wù)接口不變，一個服務(wù)發(fā)生變化，不影響其他服務(wù)，若服務(wù)接口變化，可以通過版本管理向后兼容，提高軟件的重用性和擴展性；

02

整車SOA的優(yōu)勢

2.1 為什么要在汽車上實施SOA架構(gòu)？

車輛內(nèi)部控制器通過傳統(tǒng)總線連接，從而實現(xiàn)通信交互，但是信號的收發(fā)關(guān)系和路由信息通常是靜態(tài)的、不可再更改的，如果后期突然新增節(jié)點，這個新“朋友”怎樣從其他節(jié)點獲得所需信息呢？

OTA是目前解決車輛在線升級，持續(xù)提高用戶用車體驗的好方法，但OTA僅僅是途徑，車輛的電子電氣架構(gòu)和軟件設(shè)計架構(gòu)能否支持得起功能更新呢？

如果一個新增功能的實現(xiàn)，與車輛原有的系統(tǒng)架構(gòu)、驅(qū)動方式甚至通信方式不匹配，甚至相沖突，那么應(yīng)該怎樣解決呢？

汽車在不久的將來會在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、能源物聯(lián)網(wǎng)中都占有重要的地位，那么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，自動駕駛、V2X、邊緣計算都是目之可見的應(yīng)用場景，電子電氣架構(gòu)和軟件平臺架構(gòu)在面對這樣需求的時候，應(yīng)如何處理？

為了解決上面的問題，我們需要一個功能可擴展性強，軟硬件松散耦合，標(biāo)準(zhǔn)化接口，支持異構(gòu)系統(tǒng)集成的電子架構(gòu)，SOA正好符合上面的要求！

2.2 如何實現(xiàn)整車SOA

汽車EEA的發(fā)展使SOA具備了初步的應(yīng)用條件。所謂分布式EEA，可以理解為汽車電氣系統(tǒng)的軟硬件資源和能力是分散的，分散在不同的供應(yīng)商手中。ECU的軟硬件開發(fā)全部由供應(yīng)商完成，整車廠主要負(fù)責(zé)提出設(shè)計需求和測試驗證。分布式EEA導(dǎo)致的ECU軟硬件資源和能力的浪費是顯而易見的。不同的供應(yīng)商負(fù)責(zé)不同的ECU開發(fā)，整車數(shù)十個ECU分別負(fù)責(zé)實現(xiàn)特定的軟硬件功能，然后通過硬線信號或者網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行交互，這種信息交互方式也被稱為面向信號的通信。

集中式EEA引入域控制器DCU概念，其芯片算力、操作系統(tǒng)以及軟件架構(gòu)可以滿足業(yè)務(wù)需求與硬件資源解耦的需求，即有能力通過一套基礎(chǔ)軟件框架去實現(xiàn)SOA的設(shè)計思想，從而將底層的硬件資源具備的能力抽象為一種服務(wù)供外部使用，并能夠支持一系列的服務(wù)管理功能（服務(wù)定位、服務(wù)發(fā)現(xiàn)，服務(wù)調(diào)用等）。

2.3 整車SOA優(yōu)勢

應(yīng)用服務(wù)化：各個域?qū)⒆约核艿奶峁┓?wù)公開化后，才能實現(xiàn)不同域之間的開發(fā)與融合，使智能汽車成為可能；

服務(wù)部署靈活：SOA的一個基礎(chǔ)，就是“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”機制，即給每個服務(wù)分配一個“全局名稱”，通過這個名稱就可以直接找到對應(yīng)的服務(wù)，就好比我們上網(wǎng)時用的“網(wǎng)址” 。基于這個特性，在整車生命周期內(nèi)，不同的車型配置可做不同的服務(wù)部署，對代碼幾乎可以不用改動；

軟件更新靈活：SOA的松耦合特性，可以將功能更新與變更限制在更小的范圍內(nèi)。當(dāng)硬件架構(gòu)需要調(diào)整，減少復(fù)雜功能涉及的ECU數(shù)量，當(dāng)軟件架構(gòu)需要更新，一個功能改變只需要更新/升級部分軟件；

通信帶寬優(yōu)勢明顯：SOA基于以太網(wǎng)通訊，在傳輸速度上相對CAN等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)占據(jù)絕對優(yōu)勢；

信息更安全：CAN采用MAC和SecOC等明文傳輸，加密等級不高，而SOA通信可以借助強大的以太網(wǎng)加密方案，還可以不斷迭代擴展的；

與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)融合更方便：SOA的發(fā)布-訂閱機制以及服務(wù)功能獨立不重疊，是和互聯(lián)網(wǎng)SOA及微服務(wù)高度契合的，為后續(xù)開發(fā)更多運用提供無限可能。

03

SOA對E/E挑戰(zhàn)

3.1從功能定義到服務(wù)的拆分

相對于功能分解采用的面向過程開發(fā)方法，SOA軟件架構(gòu)開發(fā)使用“用例驅(qū)動的開發(fā)方法”和“面向服務(wù)的分析方法”。用例驅(qū)動的開發(fā)方法是指從用戶的角度而非開發(fā)人員的角度考慮功能需求和系統(tǒng)實現(xiàn)，由用例的開發(fā)活動，可以建立需求和系統(tǒng)功能之間清晰的追溯關(guān)系，更好的應(yīng)對快速迭代更新。

面向服務(wù)的分析方法則是以業(yè)務(wù)為中心，在由用例分析得到的系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)之上，對于業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行抽象和封裝，從業(yè)務(wù)角度尋找候選服務(wù)（Service Candidate），從架構(gòu)角度強調(diào)服務(wù)的重用性（Resuable）、自主性（Autonomous）以及組合擴展性（Composable）特點，充分發(fā)揮SOA設(shè)計理念的優(yōu)勢。

3.2從面向信號設(shè)計到面向服務(wù)設(shè)計

面向信號的設(shè)計主要關(guān)注點為通信矩陣（包含信號、報文、節(jié)點等信息），主要目的是將某節(jié)點的某信息通過總線傳輸給需要改信息的其他節(jié)點，信息主要為一些物理狀態(tài)值及一些控制指令，觸發(fā)方式分為周期、事件或混合式。

面向信號的設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計階段就預(yù)先定義好交互行為。SOA的中間件負(fù)責(zé)控制提供者和消費者之間的通信。中間件分離了應(yīng)用層與底層通信協(xié)議，支持請求/響應(yīng)模式，有需求才有通信，有效提高帶寬利用率。支持在服務(wù)接口中定義復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。

3.3從CAN通訊到ETHERNET通訊

傳統(tǒng)的E/E架構(gòu)是基于CAN通訊，CAN是一種CSMA/CD的現(xiàn)場總線，而SOA架構(gòu)的主流中間件例如，SOME/IP等都是基于IP協(xié)議通信的。Ethernet具有更高的通信速率、更開放的協(xié)議、更好的支持功能增加，所以其更適應(yīng)下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

04

整車SOA發(fā)展現(xiàn)狀

大眾在MEB架構(gòu)上率先采用面向服務(wù)的架構(gòu)，主要由獨立域操作系統(tǒng)，編程語言和軟件框架組成，將軟件劃分為單獨的軟件組件，用以最小化組件之間的功能依賴性，提高軟件的可擴展性和可重用性。

大眾使用CP和AP服務(wù)中間件來實現(xiàn)SOA通信，其中CP連接傳感器、執(zhí)行器和嵌入式ECU，收集信號，通過服務(wù)或者信號發(fā)給AP，AP封裝服務(wù)和云端后臺或者其他AP節(jié)點進(jìn)行服務(wù)交互。

豐田提出了中央集中+區(qū)域控制器（Central&Zone）架構(gòu)方案，此方案中按照區(qū)域分配區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將本區(qū)域內(nèi)的傳感器信號發(fā)送給中央集中控制器，中央集中控制器將控制指令再返回區(qū)域控制器，區(qū)域控制器收到指令后驅(qū)動執(zhí)行器動作。這種架構(gòu)方案較域控制器具有空間布置合理、擴展性強等特點。

在現(xiàn)代的通信架構(gòu)設(shè)計中，CAN等其他網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)共存相當(dāng)長一段時間，但SOA并不直接和這些網(wǎng)絡(luò)通信，而是采用了SOA Adaptor模塊來轉(zhuǎn)換其他網(wǎng)絡(luò)的功能和信息，在車內(nèi)系統(tǒng)中，同時設(shè)計了SOA Gateway節(jié)點用于升級安全等級，使用SD Proxy處理服務(wù)相關(guān)信息、更新和新增服務(wù)、通過Service Router來訪問安全或者強相關(guān)的服務(wù)。

國內(nèi)現(xiàn)狀：上汽零束已經(jīng)與首批開發(fā)者一起，開發(fā)了幾十個智能車專屬應(yīng)用場景，幾百個用戶“千人千面”模式，以及部分典型的汽車智能化應(yīng)用，目前平臺的軟件將搭載在上汽旗下R汽車和智己汽車上。

威馬汽車在威馬W6汽車中應(yīng)用SOA平臺，上線了自定義編程功能，自定義場景超100個，手機端與車機端同步。

合眾新能源宣稱哪吒S將基于SOA架構(gòu)開發(fā)整個系統(tǒng)，產(chǎn)品正式上市時間可能在2022年下半年。

華人運通首款H-SOA架構(gòu)的智能汽車高合HiPhi X已量產(chǎn)落地，將于2021年5月正式交付用戶。最近，其與中科創(chuàng)達(dá)達(dá)成協(xié)議成立一家專注汽車智能系統(tǒng)及軟件開發(fā)的合資公司，打造面向下一代智能汽車的計算平臺和工具鏈，以及新一代智能汽車操作系統(tǒng)。

編輯：jq