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        車載以太網(wǎng)SOME/IP 測試的研究與分析

        2022-07-02 00:49:18李志濤姬志博耿偉峰
        汽車電器 2022年6期
        關(guān)鍵詞:一致性功能服務(wù)

        李志濤, 姬志博, 耿偉峰

        (長城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北 保定 071000)

        隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展與智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)大變革,汽車硬件體系逐漸趨于一致, 軟件定義汽車的趨勢逐步被行業(yè)認(rèn)可, 軟件成為汽車開發(fā)的關(guān)鍵。 汽車高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、 高性能車載娛樂系統(tǒng)、 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及云服務(wù)等新技術(shù)已在車輛上應(yīng)用, 使得車輛上的軟件變得越來越復(fù)雜。 而傳統(tǒng)汽車采用的分布式E/E架構(gòu)因計算能力不足、 通信帶寬不足、 不便于軟件升級等瓶頸, 已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段汽車發(fā)展的需求, 需要一種新的軟件開發(fā)方法來打破僵局, 于是, SOA設(shè)計理念應(yīng)用于軟件開發(fā)中, 新型的車載通信架構(gòu)由傳統(tǒng)的CAN/LIN 總線向車載以太網(wǎng)總線方向發(fā)展, 以滿足車輛高速、 低延遲等性能需求。 同時,汽車行業(yè)對可靠性和安全性要求越來越高, 車載以太網(wǎng)在應(yīng)用的過程中, 為了保證其可靠性與安全性, 就迫切需要對其開展測試工作。

        1 SOME/IP協(xié)議概述

        在IT行業(yè), SOA軟件開發(fā)方式已經(jīng)很普及, 用來滿足用戶的多樣化需求及敏捷開發(fā)的要求。 在汽車行業(yè), 隨著車輛功能的持續(xù)增加, 功能開發(fā)需更加高效, 功能集成需更加便捷, 功能增加及升級更加靈活, 因此引入SOA軟件開發(fā)方式, 來滿足日益復(fù)雜的功能增長的需求。

        SOA即面向服務(wù)的架構(gòu), 是一種軟件架構(gòu)設(shè)計的模型和方法論, 它將應(yīng)用程序的不同功能單元 (服務(wù), 包含各種控制算法和應(yīng)用程序), 通過服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來, 通過服務(wù)訂閱與推送的方式建立動態(tài)的通信關(guān)系。 在汽車軟件開發(fā)中, 通過基于軟件的模塊化和以太網(wǎng)的通信, 提供標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)組件, 使軟件與硬件解耦,從而可以靈活地設(shè)計和擴(kuò)展上層的應(yīng)用。 總之, 通過構(gòu)建靈活可變的平臺系統(tǒng), 實現(xiàn)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。 從中可看到服務(wù)通信標(biāo)準(zhǔn)化是SOA實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié), 而SOME/IP是實現(xiàn)服務(wù)通信標(biāo)準(zhǔn)化的一個中間件協(xié)議, 也是車載以太網(wǎng)技術(shù)中的核心內(nèi)容。

        SOME/IP 全稱為Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP, 是一種面向服務(wù)的可伸縮的協(xié)議。 寶馬公司開發(fā)了SOME/IP協(xié)議并在AutoSar標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了車載應(yīng)用的相關(guān)規(guī)范定義, 該通信協(xié)議是面向服務(wù)的通信協(xié)議, 不同ECU之間通過Client/Server的方式進(jìn)行通信, 數(shù)據(jù)只在有需要的時候進(jìn)行傳輸, 有效降低了總線負(fù)載, 其適配不同規(guī)模的操作系統(tǒng)且具備輕量化特性, 在車載以太網(wǎng)協(xié)議中得到廣泛應(yīng)用。

        2 SOME/IP協(xié)議解析

        車載以太網(wǎng)協(xié)議架構(gòu)對應(yīng)OSI參考模型, 主要分為物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層、 網(wǎng)絡(luò)層、 傳輸層、 應(yīng)用層, 每一層都有各自的功能, 車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術(shù)架構(gòu)見圖1。

        圖1 車載以太網(wǎng)協(xié)議技術(shù)架構(gòu)

        SOME/IP協(xié)議位于OSI 7層模型的應(yīng)用層。 該協(xié)議存在于操作系統(tǒng)和用戶軟件之間, 將操作系統(tǒng)提供的接口重新封裝, 并添加一些實用功能, 可用于控制消息及應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸, 提供給用戶軟件更好的服務(wù), 是SOA架構(gòu)的重要支撐。

        基于SOME/IP協(xié)議通信的電氣架構(gòu), ECU根據(jù)功能需求的 不 同, 劃 分 為Client (客 戶 端) 和Server (服 務(wù) 器)。Server 通過SOME/IP 的服務(wù)接口Service Interface 向Client提供服務(wù), Client也通過服務(wù)接口向Server請求服務(wù)。 SOME/IP通信機(jī)制大致可以劃分為服務(wù)發(fā)現(xiàn)、 遠(yuǎn)程過程調(diào)用、 訪問進(jìn)程數(shù)據(jù)。

        2.1 服務(wù)發(fā)現(xiàn)

        服務(wù)發(fā)現(xiàn)的通信機(jī)制是通過SOME/IP-SD來實現(xiàn)的, 主要是為了在車載通信中告知服務(wù)實例的可用性及其訪問方式, 通過Find Service和Offer Service 消息實現(xiàn),見圖2。 服務(wù)發(fā)現(xiàn)通信機(jī)制的主要作用, 用于客戶端尋找、 了解可訂閱或調(diào)用的服務(wù)實例狀態(tài)、 服務(wù)實例訪問信息等內(nèi)容; 同時服務(wù)器端, 可告知其它節(jié)點(diǎn)它可以提供的服務(wù), 以及檢測到提供的服務(wù)出現(xiàn)問題時, 告知接收方做出相應(yīng)的處理。

        圖2 Find與Offer Service

        2.2 遠(yuǎn)程過程調(diào)用

        遠(yuǎn)程過程調(diào)用機(jī)制分為Method、 Event, 見圖3。 Request/Response通信是最常見的通信模式之一, 通過SOMEI/IP協(xié)議實現(xiàn), 主要用于實現(xiàn)客戶端發(fā)送請求消息, 服務(wù)器端收到請求, 處理后進(jìn)行響應(yīng); Fire&Forget通信是一種請求但不需要回復(fù)的機(jī)制, 也是通過SOME/IP協(xié)議實現(xiàn), 實現(xiàn)客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求, 服務(wù)端接收請求并進(jìn)行處理, 不返回響應(yīng)消息。 Notification Events通信主要描述了發(fā)布/訂閱消息內(nèi)容, 用于實現(xiàn)客戶端向服務(wù)端訂閱需要的事件組,當(dāng)事件發(fā)生或值更新時, 服務(wù)器端需要向客戶端發(fā)送更新的內(nèi)容。

        圖3 Method與Event

        2.3 訪問進(jìn)程通信

        訪問進(jìn)程通信機(jī)制主要是對應(yīng)用程序數(shù)據(jù) (Field) 的配置, 見圖4。 客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取和設(shè)置, 客戶端可以遠(yuǎn)程訪問的服務(wù)端中的變量, 通過SOME/IP協(xié)議實現(xiàn), 實現(xiàn)客戶端通過Getter方法獲取值, 通過Setter方法設(shè)置值。Getter/Setter使用的是請求/響應(yīng)機(jī)制調(diào)用。 使用Getter時, 請求消息中是空的有效載荷, 響應(yīng)消息中的有效載荷是獲取的值, 使用Setter時, 請求消息中的有效載荷是需要設(shè)置的值, 響應(yīng)消息中的有效載荷是設(shè)置成功的值。 與Event相比而言, Field是一個持續(xù)存在的變量, 而Event指的是一個事件, 事件沒有發(fā)生就不存在。

        圖4 Field配置

        SOME/IP通信機(jī)制主要定義了車載ECU信息交互的收發(fā)邏輯、 數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則, 在測試階段需依據(jù)通信協(xié)議、 功能規(guī)范等內(nèi)容來確定消息的收發(fā)邏輯, 數(shù)據(jù)交互行為是否正確, 故熟悉SOME/IP的通信過程與通信機(jī)制對車載以太網(wǎng)測試至關(guān)重要。

        3 SOME/IP協(xié)議測試

        對于整車測試來說, 最常采用的是V模型的驗證方式。參 考V 模 型, SOME/IP 協(xié) 議 測 試 劃 分 為3 個 層 級, 分 別 為ECU級測試、 系統(tǒng)級測試與實車級測試。 在ECU級測試,主要開展SOME/IP協(xié)議一致性測試, 驗證ECU協(xié)議的符合性; 系統(tǒng)及實車級測試, 主要開展SOME/IP系統(tǒng)通信測試, 驗證SOME/IP系統(tǒng)配置需求的正確性及自定義需求的符合性。

        3.1 SOME/IP協(xié)議一致性測試

        車載以太網(wǎng)控制器的SOME/IP協(xié)議一致性測試, 主要基于OPEN Alliance中的TC8規(guī)范開展。 測試內(nèi)容分為兩大部分: SOME/IP Server測試和SOME/IP ETS 測試, 協(xié)議一致性測試示意見圖5。

        圖5 協(xié)議一致性測試

        SOME/IP Server 測試依賴于被測DUT的SOME/IP應(yīng)用功能, 從中選取一些典型的服務(wù)、 方法, 在測試中, 應(yīng)用測試系統(tǒng)仿真客戶端發(fā)送請求, 接收DUT的響應(yīng)。 除此之外, 在觸發(fā)應(yīng)用產(chǎn)生特定行為時, 部分測試可能需要某些特殊手段, 如觸發(fā)DUT發(fā)送Event報文時, 需要I/O仿真輸入等。 SOME/IP Server主要測試內(nèi)容為驗證被測控制器是否具備最基本的offer報文發(fā)送和響應(yīng)請求的能力, 服務(wù)發(fā)現(xiàn)報文的報頭格式、 服務(wù)報文載荷中的選項排列格式、 各種服務(wù)報文及其功能、 控制器建立連接后的各階段的通信行為, SOME/IP的基本功能定義與線性格式、 遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)議機(jī)制等。

        SOME/IP本身只是中間件, 它提供了若干接口, 運(yùn)行在其上的應(yīng)用可以使用這些接口來完成通信, 為驗證SOME/IP協(xié)議的一致性, 需要依賴應(yīng)用觸發(fā)SOME/IP產(chǎn)生特定的行為。 SOME/IP ETS這部分測試需要借助TC8定義的ETS (Enhanced Testability Service) 服 務(wù), 補(bǔ) 充SOME/IP Service 測試中的未覆蓋的測試需求。 在ETS 中包含各種Method、 Event、 Field等, 覆蓋了SOME/IP所支持的全部數(shù)據(jù)類型, 被測控制器集成了ETS 后, 能夠?qū)OME/IP 及SOME/IP-SD進(jìn)行充分而且全面的的驗證, 對SOME/IP服務(wù)發(fā)現(xiàn)、 序列化等進(jìn)行測試, 驗證不同類型數(shù)據(jù)長度異常處理、 字節(jié)順序與位域的發(fā)送接收、 不同類型數(shù)據(jù)相應(yīng)參數(shù)的發(fā)送和接收、 通信行為的處理機(jī)制等。

        SOME/IP協(xié)議的一致性測試, 是SOME/IP通信測試的基礎(chǔ), 各種數(shù)據(jù)類型及通信行為的符合性及一致性, 利于后續(xù)服務(wù)功能的擴(kuò)展及配置, 是實現(xiàn)功能服務(wù)通信及系統(tǒng)交互的關(guān)鍵。

        3.2 SOME/IP通信測試

        SOME/IP 通信測試迥異于SOME/IP 協(xié)議一致性測試。SOME/IP通信測試, 基于應(yīng)用SOME/IP協(xié)議通信的功能系統(tǒng)開展測試, 側(cè)重于通信接口、 信息交互行為等方面的測試。SOME/IP通信測試對應(yīng)用SOME/IP通信的功能服務(wù)開展測試驗證, 依據(jù)OEM定義的SOME/IP接口矩陣與服務(wù)功能的流程圖, 在系統(tǒng)或?qū)嵻嚟h(huán)境下, 采用Vector公司的VN5640工具監(jiān)測系統(tǒng)中各個以太網(wǎng)鏈路的通信數(shù)據(jù), 進(jìn)行測試數(shù)據(jù)分析與測試結(jié)果的判定。 SOME/IP通信測試連接示意見圖6。

        圖6 SOME/IP通信測試連接示意圖

        SOME/IP系統(tǒng)測試時, 通過人工操作用戶功能, 觸發(fā)被測ECU發(fā)送SOME/IP通信信息, 驗證SOME/IP協(xié)議通信服務(wù)的接口、 發(fā)送時序、 發(fā)送數(shù)據(jù)值、 時間參數(shù)的正確性,系統(tǒng)交互時的SOME/IP通信交互邏輯、 性能要求等。

        SOME/IP協(xié)議測試, 各層級測試內(nèi)容與測試目標(biāo)不同,同時與傳統(tǒng)總線測試方面也有一定的差異。 SOME/IP協(xié)議一致性測試在測試條件和方法上與傳統(tǒng)車載通信測試迥然,而且TC8測試規(guī)范以及測試工具鏈都處于迭代和完善中, 測試過程中的問題需要結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 需不斷積累實踐經(jīng)驗。 SOME/IP系統(tǒng)通信測試, 重在服務(wù)功能應(yīng)用的測試,測試過程中需要從功能使用的角度, 觸發(fā)SOME/IP通信報文, 驗證SOME/IP信息交互行為、 機(jī)制, 對于功能邏輯,觸發(fā)方式需要熟悉, 同時需掌握SOME/IP報文數(shù)據(jù)類型及理解參數(shù)含義。

        4 SOME/IP通信測試實例

        SOME/IP協(xié)議一致性測試, 參照TC8規(guī)范, 同時可添加OEM自定義測試項開展測試, 在此不再贅述。 SOME/IP通信測試, 該部分測試與功能應(yīng)用緊密相關(guān), 將各種功能以服務(wù)的形式提供給最終用戶或者其他服務(wù), 將相關(guān)聯(lián)的一組信號或者功能執(zhí)行所需要的參數(shù)合集, 整體定義為一個服務(wù)。 通過以太網(wǎng)將所有功能執(zhí)行需要的信息全部封裝在一個服務(wù)中。 上層應(yīng)用只要調(diào)用此服務(wù)接口, 即可實現(xiàn)對功能控制。

        以T_BOX緊急救援電話功能為例, T_BOX為服務(wù)提供方 (Server), HUT為服務(wù)訂閱方 (Client)。 系統(tǒng)啟動后,HUT訂閱T_BOX緊急救援電話功能服務(wù), 實現(xiàn)服務(wù)的注冊。當(dāng)緊急救援開關(guān)按鍵觸發(fā)緊急救援服務(wù)后, T_BOX發(fā)送緊急救援電話信息 至HUT, 按2s 周期持續(xù)發(fā)送 給HUT, 在HUT 屏幕上顯示緊急救援電話信息界面,直至緊急救援事件退出或電話掛斷, 取消屏幕上的信息顯示, 緊急救援功能信息交互示意見圖7。

        圖7 緊急救援功能信息交互示意圖

        通過使用Vector公司的VN5640測試工具, 測試HUT和T_BOX的通信機(jī)制及在緊急救援激活的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上電運(yùn)行后,T_BOX發(fā)送MessageId為0xFFFF 8100的SOME/IP-SD(Offer) 報文, 提供了ServiceID=0x0201的服務(wù), 從此報文的IPv4 Endoption字段描述可以看出, 該服務(wù)位于IP 地址為172.16.12.97, 傳輸協(xié)議采用UDP, 端口號為55000, 該消息清楚地描述了T_BOX可以提供的服務(wù)ID和該服務(wù)的位置。HUT收到此消息后, 立刻發(fā)送Subscribe的SOME/IP-SD報文,請求在T_BOX的注冊中心實現(xiàn)訂閱注冊, T_BOX收到此消息 后, 通 過Subscribe Acknowledge 回 復(fù)HUT, 成 功 完 成 訂閱。 服務(wù)發(fā)布訂閱測試結(jié)果見圖8。

        圖8 服務(wù)發(fā)布訂閱測試結(jié)果

        激活緊急救援電話功能, 觸發(fā)緊急救援按鍵開關(guān),T_BOX 發(fā)出緊急救援電 話信息 (T_BoxCallState) 至HUT,T_BoxCallState以2s周期持續(xù)向HUT發(fā)送該信息, 直至救援電話掛斷或再次按鍵退出。 該消息的ServiceID=0x0201,Method ID=0x8001, 相關(guān)參數(shù)與設(shè)計要求相同, SOME/IP通信測試結(jié)果見圖9。

        圖9 SOME/IP通信測試結(jié)果

        車載以太網(wǎng)通過SOME/IP的通信方式, 將功能轉(zhuǎn)化為服務(wù), 以服務(wù)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞, 通過訂閱和發(fā)布的方式或者請求/響應(yīng)的方式, 實現(xiàn)靈活的調(diào)度。 因此, SOME/IP通信測試, 既要測試人員掌握SOME/IP協(xié)議通信機(jī)制、 交互行為, 還要熟悉車輛功能邏輯, 同時具備相應(yīng)的功能感知、 評價等綜合能力。

        5 結(jié)束語

        車載以太網(wǎng)推進(jìn)了車輛智能化的發(fā)展。 未來, SOME/IP在車載以太網(wǎng)方面的應(yīng)用將越來越廣泛。 車載以太網(wǎng)SOME/IP測試, 涵蓋總線協(xié)議、 系統(tǒng)通信, 關(guān)聯(lián)車輛電器性能、 功能等多個方面, 其測試工作是一個系統(tǒng)、 龐大的工程, 需要測試工程師具備多種專業(yè)知識、 測試?yán)碚撆c技能。 因此, 需對車載以太網(wǎng)SOME/IP協(xié)議的測試進(jìn)行深入研究, 構(gòu)建相應(yīng)的測試能力與測試體系。

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