測試開發(fā)實踐：網(wǎng)關(guān)路由功能及測試

1.前言

當前，車內(nèi)通信技術(shù)越來越復雜，協(xié)議類型更加多樣，不同總線及協(xié)議間的轉(zhuǎn)換和路由等也更為復雜，網(wǎng)關(guān)作為通信樞紐的載體，其測試的復雜程度和重要性也越來越高。本文將分享網(wǎng)關(guān)路由測試開發(fā)過程中的經(jīng)驗和遇到的問題。

2.網(wǎng)關(guān)功能簡介

網(wǎng)關(guān)主要功能是通過報文路由轉(zhuǎn)發(fā)、報文過濾與信號重組等工作實現(xiàn)信息的交換，包括不同通信協(xié)議間的交互，如Ethernet、FlexRay、CAN、CAN FD、LIN。傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)按照實現(xiàn)方式可分為獨立網(wǎng)關(guān)和集成網(wǎng)關(guān)， 集成網(wǎng)關(guān)指集成路由功能的儀表或車身控制器，使用集成網(wǎng)關(guān)時，其網(wǎng)絡(luò)拓撲相對簡單；獨立網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)路由功能，網(wǎng)絡(luò)拓撲相對復雜。近幾年E/E架構(gòu)逐漸向域控方向發(fā)展，新的域控制器，通常也具備網(wǎng)關(guān)路由的功能。

目前，典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲主要有以下三種：

1）傳統(tǒng)的EE架構(gòu)，Central Gateway與所有ECU直連，獨立完成整車所有的信息交互任務。

圖1傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)關(guān)

2）基于Domain的EE架構(gòu)，整車拓撲中除了Central Gateway還存在Domain Gateway，Domain Gateway參與下屬節(jié)點間的信息交互，也承載了網(wǎng)關(guān)的功能。

圖2基于域控制器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)關(guān)

3）混合的E/E架構(gòu)，在從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到基于域控制器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的過渡階段存在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，兼具兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點。

圖3混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)關(guān)

以上基于域節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的Central Gateway和Domain Gateway直接通過以太網(wǎng)點對點連接，域節(jié)點間的信息交互通過L2的Switch和L3的IP Router實現(xiàn)。

除了基本的路由功能，網(wǎng)關(guān)通常還具有以下屬性和功能：

1）各功能域物理隔離：網(wǎng)關(guān)區(qū)分各個功能域，將不同的功能域區(qū)分開

2）外部溝通媒介與網(wǎng)絡(luò)安全防護：網(wǎng)關(guān)是整車與外部信息交互的媒介，因此網(wǎng)關(guān)需要過濾外部信息，避免整車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)被攻擊

3）網(wǎng)絡(luò)休眠喚醒管理：網(wǎng)關(guān)依據(jù)整車休眠喚醒條件，協(xié)調(diào)各個網(wǎng)段間的休眠喚醒

4）OTA Master功能：實現(xiàn)整車遠程刷寫功能，獲取ECU升級數(shù)據(jù)包并存儲在本地，當滿足刷寫條件時，網(wǎng)關(guān)可作為刷寫機，以既定的刷寫流程將刷寫數(shù)據(jù)傳輸給待升級ECU

5）整車狀態(tài)管理和能量管理：管理整車模式和用戶使用模式

由于網(wǎng)關(guān)功能多樣和復雜，且部分功能具有功能安全要求，需要通過測試來保證最終軟件的成熟度。針對網(wǎng)關(guān)的不同功能需要做相應的測試，本文重點探討基本的路由功能測試。

3.網(wǎng)關(guān)路由類型介紹

網(wǎng)關(guān)路由的類型可以分為3種：信號路由、報文路由、TP路由（診斷路由）。以下針對這三種路由類型分別做介紹。

1）信號路由：從源網(wǎng)段接收到的一條或多條報文中的部分信號（或信號組）打包在新報文中，然后在目標網(wǎng)段上按照定義的方式發(fā)送出來。 信號從源網(wǎng)段到目標網(wǎng)段的路由過程中，信號所在報文的發(fā)送方式、信號在報文中的位置、信號所在報文的ID和信號所在報文的周期都可以改變，另外源網(wǎng)段和目標網(wǎng)段的通信協(xié)議也可以不一致。

AUTOSAR架構(gòu)下定義了信號和信號組的Update bit，對于有Update bit的信號和信號組，只有在其Update bit置位的情況下網(wǎng)關(guān)才對其進行轉(zhuǎn)發(fā)，并在目標網(wǎng)段更新Update bit，當源網(wǎng)段信號丟失時網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信號的Update bit持續(xù)不置位，指示接受該信號的控制器信號超時。而針對非AUTOSAR架構(gòu) ，部分OEM定義了Timeout flag，指示源網(wǎng)段信號超時。

圖4信號路由

2）報文路由：從源網(wǎng)段接收到報文后轉(zhuǎn)發(fā)到目標網(wǎng)段。根據(jù)目標網(wǎng)段的發(fā)送形式，報文路由又可以分為事件型報文路由和周期型報文路由。事件型報文路由在源網(wǎng)段收到報文后立即觸發(fā)目標網(wǎng)段的發(fā)送；周期型報文路由在源網(wǎng)段和目標網(wǎng)段都有固定的周期，源網(wǎng)段接收到報文的周期和目標網(wǎng)段發(fā)送的報文周期沒有必然關(guān)系。

圖5報文路由

3）TP路由：帶有傳輸協(xié)議報文的路由稱為TP路由。TP路由又可分為兩種：不帶協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由（一般稱為報文透傳）和帶有協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由。前者在部分OEM的定義中和事件型報文路由未作區(qū)分，但實際兩種路由的應用場景是不同的，事件型報文路由針對應用報文，要求轉(zhuǎn)發(fā)延時低且最新的信號值最具重要性（latest value is the most important）；報文透傳對速率的要求不高，但要求先入先出（first in first out）和不丟幀。帶有協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由主要特點是：可以實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換（源網(wǎng)段和目標網(wǎng)段的協(xié)議可以不一致），且網(wǎng)關(guān)作為傳輸連接的一部分，在源網(wǎng)段的接收和轉(zhuǎn)發(fā)均須符合傳輸層協(xié)議，不符合傳輸協(xié)議的不轉(zhuǎn)發(fā)。

圖6 TP路由

下圖以CAN-LIN的TP路由為例介紹帶協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由，由于CAN和LIN的傳輸協(xié)議不一致，網(wǎng)關(guān)在源網(wǎng)段以CAN的傳輸層協(xié)議接收數(shù)據(jù)后，在LIN的網(wǎng)段按照LIN傳輸層協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN和LIN的報文雖然都是8字節(jié)，但由于傳輸層協(xié)議不同， CAN和LIN網(wǎng)段的每幀報文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容都是不一致的。此外，由于CAN和LIN的傳輸速率不一樣，CAN網(wǎng)段接收數(shù)據(jù)后存儲在緩存中，在LIN網(wǎng)段按順序發(fā)出。

圖7 CAN-LIN2.1 TP路由

由于帶協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由需要在源網(wǎng)段接收到數(shù)據(jù)后先存儲到緩存中，因此需要占用較多的內(nèi)存資源，但同時這也是并行刷寫的實現(xiàn)基礎(chǔ)，網(wǎng)關(guān)在高帶寬的網(wǎng)段接收到診斷數(shù)據(jù)后先行存儲，然后按照低帶寬網(wǎng)段的傳輸協(xié)議，并行分發(fā)到各個低帶寬網(wǎng)段，在此過程中最大效率的利用了高帶寬網(wǎng)段的帶寬，提高整車的刷寫效率。

4.網(wǎng)關(guān)路由測試實踐

對于具備多種路由形式的網(wǎng)關(guān)，為了驗證是否滿足設(shè)計需求，應該根據(jù)每種路由類型設(shè)計測試規(guī)范和測試場景，本節(jié)將探討路由測試的痛點與積累的經(jīng)驗。

信號路由測試

信號路由測試的難點在于信號路由的數(shù)量眾多并且路由信息的提取困難。根據(jù)北匯過往項目經(jīng)驗來看，基于非域控架構(gòu)（所有控制器都和中央網(wǎng)關(guān)直連）的信號路由數(shù)量大約有800+；基于域控的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則更加復雜，每個域控制器都具有網(wǎng)關(guān)行為。在信號路由數(shù)量如此龐大的情況下手動驗證已幾乎不可能。此外，基于AUTOSAR架構(gòu)的信號路由和信號組路由，通過人工方式更難獲取相關(guān)的信息。

為了實現(xiàn)信號路由自動化測試，北匯通過定制開發(fā)，實現(xiàn)了從ARXML文件中提取信號路由信息并將信號路由和信號組路由加以區(qū)分，定義了標準的路由表模板，也可基于OEM給定的通信矩陣或路由模板進行定制適配。下圖為支持Update bit的信號路由的自動化測試報告。

圖8信號路由自動化測試報告

報文路由測試

報文路由測試與信號路由測試一樣，都面臨路由條目眾多的問題，此外針對于事件型報文路由和周期型報文路由，由于路由機制不同，對應的測試策略需要分別制定。

圖9路由自動化測試工

TP路由測試

針對報文透傳，除了測試路由一致性外，還需要考慮在各種應用場景（EOL、刷寫、標定等）下，網(wǎng)關(guān)需保證不丟幀不亂序。

針對帶有協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由測試，測試難點在于針對各個通信協(xié)議其傳輸層機制不同，測試中需要按照各網(wǎng)段對應的傳輸層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在支持并行刷寫的TP路由測試中，需要考慮多個傳輸連接同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這種路由方式需同步關(guān)注緩存數(shù)量、緩存大小以及Upper_Link和Lower_Link網(wǎng)段傳輸層機制和參數(shù)。

圖10帶有協(xié)議轉(zhuǎn)換的TP路由測試

5.總結(jié)

隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的應用、OTA的推廣以及電子電器架構(gòu)的更新?lián)Q代，網(wǎng)關(guān)的“形態(tài)”和功能都呈現(xiàn)了新的變化。

北匯信息緊跟網(wǎng)關(guān)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，專注于汽車電子測試，通過與各OEM的合作，從源頭掌握了各類型網(wǎng)關(guān)路由的策略和設(shè)計需求，積累了豐富的測試實踐經(jīng)驗，覆蓋了第一代和第二代架構(gòu)下的網(wǎng)關(guān)。后續(xù)文章我們將針對新一代“網(wǎng)關(guān)”，其新的功能特點、構(gòu)成形態(tài)以及測試方案與大家繼續(xù)探討和分享。

參考文獻

[1] AUTOSAR_SRS_Gateway