汽車電子電氣架構SOA如何實現？

本文主要講解了針對汽車電子電氣架構領域掀起的這股SOA風潮是由什么導致的？SOA是什么？SOA帶來什么好處？又應怎樣實施SOA呢？

身處汽車行業(yè)的我們，一定深知新技術的應用或者新概念的提出絕不會事出無因，通常是為了搶奪新技術高地，讓汽車更好滿足現在和未來的需求。那么，針對汽車電子電氣架構領域掀起的這股SOA風潮是由什么導致的？SOA是什么？SOA帶來什么好處？又應怎樣實施SOA呢？

一、為什么汽車要上SOA？

老車新體驗，快速滿足市場需求

必須打破車內靜態(tài)交互模型

車輛內部控制器通過傳統(tǒng)總線連接，從而實現通信交互，但是信號的收發(fā)關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，改矩陣和路由表？再如果車輛上市后想新增一個功能到某個控制器，OTA可以將軟件包本身下載到該控制器，但這個新“朋友”怎樣從其他節(jié)點獲得所需信息呢？

必須建立功能靈活治理的系統(tǒng)架構

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，一個功能一個盒子的時代已經過去了，但…OTA僅僅是途徑，車輛的電子電氣架構和軟件設計架構能否支持得起功能更新呢？如果一個新增功能的實現，與車輛原有的系統(tǒng)架構、驅動方式甚至通信方式不匹配，甚至相沖突，肯定是不可行的。那么應該怎樣解決呢？

萬物互聯，汽車要進物聯網

汽車在不久的將來會在互聯網、物聯網、能源物聯網中都占有重要的地位，那么汽車必須具備開放性、網聯性甚至自主性和自進化性，自動駕駛、V2X、邊緣計算都是目之可見的應用場景，電子電氣架構和軟件平臺架構在面對這樣需求的時候，應如何處理？

已有的電子電氣架構及相應的解決方案，很難對應并且解決目前汽車所遇到的挑戰(zhàn)，需要新的方法論來打破僵局，于是SOA的車載運用作為解決方案被提了出來。

二、為什么說SOA=SOME/IP的話，就低估了整件事？

先說說，什么是SOA(Service-Oriented Architecture)呢？

BEA資深SOA架構師Jeff Davies在其《SOA權威指南》中說到， SOA不是一種具體的技術，而是一種架構策略層面的指導思想。

OASIS（結構化信息標準促進組織）給予出的SOA定義“SOA是一個范式，以達到組織利用處于不同所有權范圍控制下的分布式系統(tǒng)?！?/p>

百度百科告訴我們，面向服務的架構（SOA）是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（稱為服務）進行拆分，并通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口是采用中立的方式進行定義的，它應該獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。

SOA的概念出自IT界，然而也還沒有大家公認的定義，但是SOA的目標及其應具有的特性卻是清晰明了的：

目的：

構建靈活可變的平臺系統(tǒng)

特性：

服務間 松耦合，無狀態(tài)、無依賴

服務內 高內聚且完整，可復用、可靈活重組

服務通信標準化

從中我們看到SOA實現重點在于：

服務通信標準化，即面向服務的通信（SOC，Service-Oriented Communication）

以服務重用、靈活重組為目的的服務劃分，即基于服務的復用共享式設計（SORS，Service-Oriented Reuse-shared Design）

還有一個隱形的重點，就是用于承載和適配SOC和SORS的軟件實現，即基于服務的軟件架構（SOS，Service-Oriented Software Architecture）

在車載環(huán)境中，SOME/IP基本解決了SOC，但SORS呢？SOS呢？僅有SOC的SOA是沒有靈魂的，是不完整，也不可能實現SOA的目標，故而，若認為SOA=SOME/IP的話，你真的低估了SOA。

圖1 SOA示意圖

三、v-SOA怎么實現呢？

v-SOA：vehicle SOA，即應用在車輛上的SOA 。SOA在IT領域基本是基于以太網實現的，車載環(huán)境下最優(yōu)的實現方式應該是繼承成熟的技術和實現思路，好在車載以太網發(fā)展至今也有了幾年的積累，國內自主研發(fā)應用以太網技術的新一代車型，已經陸續(xù)量產發(fā)售了，站在車載以太網的肩膀上去實現SOA，無疑是一種不錯的選擇。聚焦于汽車電子來說，可以從SOC（Service Oriented Communication）、SORS（Service-Oriented Reuse-shared Design）和SOS（Service-Oriented Software Architecture）的介紹v-SOA的實現。

SOC(Service Oriented Communication)

SOC主要為了實現通信標準化，動態(tài)建立通信關系，連接信息孤島。車載以太網協議架構中的SOME/IP就是基于SOA思想定義的通信中間件，熟悉SOME/IP（Service-Oriented MiddleWare over IP）的小伙伴會知道，SOME/IP是針對車載環(huán)境定義一套通信協議，出自AUTOSAR，可以達到屏蔽系統(tǒng)異構性，實現互操作的目的，所以，就實現SOC而言，我們完全能夠通過SOME/IP來完成（當然SOC并非僅能通過SOME/IP來實現，在滿足一些前提條件時，其他傳輸協議也可以使用，例如DDS等）。

通信行為：SOME/IP吸收了RPC機制，順利地繼承了Server-Client的模型，SOME/IP Service Discovery可以讓Client靈活可靠的找到Server，并訂閱感興趣的服務內容，Client可以用Request-Response、Fire&Forget的模型訪問Server所提供的Services；Server可以利用Notification推送給Client已經訂閱的服務內容。由于以太網采用交換機的組網方式，拓撲內以太網節(jié)點的交互能夠二層轉發(fā)，網內節(jié)點可以動態(tài)的建立服務提供與消費的關系，不依賴于其他額外的機制和組件。例如，訂閱機制，高精地圖Server向外提供高精地圖數據（Offer Service），ADAS控制單元想要訂閱其車道線相關信息（Subscribe EventGroup），高精地圖Server同意其訂閱請求（Subscribe EventGroup Ack），而后Server開始發(fā)布高精地圖的車道線數據給ADAS控制單元。再如，請求與響應機制，HU想要獲取DVR內存信息，此時DVR是Server，HU是client，由HU向DVR發(fā)出request，DVR收到請求后，根據自身當前狀態(tài)，回復response。

圖2 SOME/IP通信示例

服務接口描述：統(tǒng)一的服務接口描述是跨系統(tǒng)通信的重要組成，SOME/IP有自己的一套序列化原則，系統(tǒng)設計階段要基于SOME/IP提供的數據類型，統(tǒng)一設計服務接口描述，例如下表，還要進一步定義尋址信息等。

SORS(Service-Oriented Reuse-shared Design)

當前整車架構多處于分布式階段（如下圖1所示），車內所有具備以太網通信能力的節(jié)點離散的掛在網關上，沒有域控制器、中央型處理器或者高性能處理節(jié)點等概念。如此實現SOC是沒有問題的，但是以此實現SOA是有困難的，原因是功能太分散，每個節(jié)點的資源由于初期規(guī)劃功能簡單而不可能預留豐富的資源供量產后新增功能使用和消耗，故很難在此基礎上實現功能重構，這也是為什么會有下一代電子電氣架構（e.g Domain、Zone，如下圖2所示）的原因之一，即需要新的架構來適配新的發(fā)展需求，本著邏輯上移的原則，可以將更多的實現邏輯置于高性能、多資源的中央類節(jié)點之中。

圖一 分布式EE架構示意

圖二 下一代EE架構示意

SORS是基于下一代智能網聯架構來實現的，主要是完成服務實現，并且體現服務復用性而進行的設計工作，使服務本身具備高內聚，服務之間能夠低耦合，提高服務的可重用性，明確邊界概念。

那…這個事情在什么階段做？誰來做呢？

在整車功能概念設計階段，OEM整車電子電氣架構部門來做。這樣的答案并不出乎意料，畢竟車輛本身的功能還有誰會比架構部門更加如數家珍呢~正如大家所熟知的，伴隨著整車功能邏輯的定義和梳理，架構會主導或者參與需求開發(fā)、功能定義、功能實現、子系統(tǒng)設計、零部件設計等過程中去，SORS的實現最好能夠貫穿始終，并最終會在功能實現的環(huán)節(jié)體現出來。

那…具體怎樣做呢？

SORS沒有技術標準更沒有國際規(guī)范，最多有未經全部驗證的車載領域的SORS實現方法論。目前來看有兩種思路，一是自下而上，二是自上而下。

自下而上：由整車末端硬件開始向中心硬件進行梳理和盤點，特定的硬件可以提供相同或者而類似的服務，例如，陽光雨量傳感器就可以提供光照強度和雨量的信息，這樣我們就可以抽象出來一個陽光雨量的服務，只要這個硬件在，我們的服務就會在，不受任何約束。之后可以繼續(xù)向中心探索，挖掘硬件對應的功能、所提供的數據等，進行服務抽取。

自上而下：由車輛既有功能和業(yè)務流程入手，例如整車防盜認證，會有各級防盜認證流程，期間會調用到很多的模塊或者算法，比如隨機化算法、防盜認證算法等，可以將這些算法抽取出來形成不同的算法服務。從一個個的功能業(yè)務鏈入手，分化抽離出服務庫，最后可以逆向重建，即從服務庫中挑選出一個個服務模塊，通過排列組合的調用就將原始的功能業(yè)務場景無差的還原出來。

SORS的設計方法對將來功能新增的影響是巨大的。在傳統(tǒng)開發(fā)模式下，新增功能只能由OEM規(guī)劃并部署，甚至需要重新開發(fā)車型，創(chuàng)意受限，周期長且投入大。在SORS開發(fā)模式下，OEM在平臺/車型研發(fā)階段將分析車輛本身擁有的一切軟硬件資源，并提供重復利用的可能。OEM或授權的第三方可以基于服務庫輕松開發(fā)新功能，快速完成迭代，并通過OTA技術部署到車端，持續(xù)提高用戶體驗。

SOS(Service Oriented Software Architecture)

針對面向服務的架構體系，ECU相關的軟件架構，即SOS，也在努力適配。AUTOSAR Adaptive platform，簡稱AP，一個基于服務理念的中間件，就是個很好的例子。其體現了基于服務的架構思想：運行環(huán)境（ara）分成了Foundation和Service兩部分

圖三 AP軟件架構示意

Foundation：

CM（Communication Management）包攬了節(jié)點間&進程間通信

EM（Execution Management）負責進程控制執(zhí)行

REST（RESTful）體現外溝通的連通性

PHM（Platform Health Management）系統(tǒng)平臺健康管理

TimeSyn（Time Synchronization）時間同步模塊等；

Service：

SM（State Management）監(jiān)管了AP上運行的所有功能組和進程的狀態(tài)轉換

DM（Diagnostic Management）能夠以AAP的粒度進行刷寫和診斷

NM（Network Management）網絡管理模塊

UCM（Update and Config Management）主導的應用程序更新、AP自更新以及OS更新的整套更新理念等；

AP作為中間件，需要配合支持POSIX標準的操作系統(tǒng)使用，上層的應用（AAP）會通過ARA運行環(huán)境由AP來統(tǒng)一配置、管理、調度和分配資源。

那…AP也是AUTOSAR推出的，和CP有什么關系呢？為什么要引入AP的概念呢？現有的操作系統(tǒng)和架構，比如Android，不能滿足SOA基于服務的實現嗎？

AP和CP都屬于AUTOSAR家族，是親兄弟的關系。CP推出的時間比較早，AP則是2017年才正式出現并有了初版AP規(guī)范集。正如大家所知道的，目前CP在各類車載ECU的開發(fā)實現中占有很大的使用比例，主要是應對嵌入式ECU的開發(fā)，這很符合之前我們聊到的一個盒子一個功能的整車分布式EE架構的需求，明確具體功能后可以精準的控制ECU本身的軟硬件開發(fā)，并且CP軟件架構的模塊化方式配合AUTOSAR OS也可以充分滿足一些特定功能對ECU本身運行時實時性要求。

隨著下一代架構的智能網聯化發(fā)展，要求一些節(jié)點具備處理海量數據和執(zhí)行大規(guī)模高頻次算例的能力，這就必然會要求此類節(jié)點具備豐富的軟硬件資源，同時滿足車載環(huán)境下安全性的要求。該背景下，擅長用于嵌入式ECU的CP就顯得心有余而力不足了。

當然普通的OS同樣也滿足不了這一需求，例如Android，某些場景下它不能滿足車載功能安全需求。此時AP登上歷史舞臺，作為HPC（High Performance Controller）類型ECU的重要組成部分，AP所做就是統(tǒng)一管理下屬OS以及周邊資源，使得系統(tǒng)運行時的一切調度、狀態(tài)和資源消耗都處在一個可控的范圍內，以滿足車載安全性、確定性的要求。當資源豐富時，可選擇的余地就大些，比如可以充分利用多核異構架構來處理復雜場景，使用Hypervisor等虛擬機技術，使CP、AP和非AUTOSAR系統(tǒng)共同存在于HPC中，也算是一種典型的實現方法，當然一切從需求出發(fā)。

審核編輯：黃飛

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