李志濤，耿偉峰

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，車(chē)輛向智能化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化和自動(dòng)化發(fā)展，汽車(chē)將面臨大量功能的增加與科技化的挑戰(zhàn)，如龐大的計(jì)算能力、高效的通信帶寬、靈活的兼容性、強(qiáng)大的擴(kuò)展升級(jí)能力及安全特性等。面對(duì)日益增長(zhǎng)的需求與挑戰(zhàn)，采用車(chē)載以太網(wǎng)為骨干網(wǎng)的電器架構(gòu)與SOA開(kāi)發(fā)理念，來(lái)滿(mǎn)足車(chē)輛高帶寬、低延遲通信特性與敏捷開(kāi)發(fā)要求。尤其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，基于車(chē)載以太網(wǎng)應(yīng)用DDS協(xié)議，傳輸多種異構(gòu)傳感器（視覺(jué)、雷達(dá)、GPS、導(dǎo)航、控制等）采集的信息，實(shí)現(xiàn)高速和數(shù)據(jù)頻繁地交換，滿(mǎn)足面向高速、實(shí)時(shí)傳輸特性的場(chǎng)景。

1 DDS概述

DDS全稱(chēng)Data Distribution Service（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)），是一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效的分發(fā)，滿(mǎn)足各種分布式實(shí)時(shí)通信應(yīng)用需求。DDS在航空、工業(yè)、醫(yī)療、交通、能源、國(guó)防領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，目前在汽車(chē)行業(yè)中也得到了應(yīng)用，國(guó)外主機(jī)廠，如豐田、通用、大眾、奧迪、奔馳，國(guó)內(nèi)相關(guān)新勢(shì)力主機(jī)廠等已實(shí)現(xiàn)車(chē)載DDS協(xié)議應(yīng)用車(chē)型量產(chǎn)，諸多傳統(tǒng)主機(jī)廠也陸續(xù)開(kāi)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(yǔ)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(guò)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(jìn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間松散耦合并通過(guò)DDS作為中間件進(jìn)行面向服務(wù)的通信，底層使用車(chē)載以太網(wǎng)進(jìn)行通信。DDS引入“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”概念，滿(mǎn)足多種用戶(hù)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(gè)節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，基于主題實(shí)現(xiàn)信息傳遞，通過(guò)發(fā)布/訂閱方式使應(yīng)用加入數(shù)據(jù)總線(xiàn)，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(duì)象管理組（OMG）發(fā)布和維護(hù)，OMG工作組針對(duì)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(shí)時(shí)發(fā)布訂閱RTPS（Realtime Publish-Subscribe）協(xié) 議]；第3部 分：DDS-XTypes（DDS類(lèi)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(jiàn)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(chē)載應(yīng)用程序提供平臺(tái)化的運(yùn)行環(huán)境，屏蔽底層通信之間的接口差異，實(shí)現(xiàn)互操作，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)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(chēng)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(xiě)入者、數(shù)據(jù)讀取者、主題、監(jiān)聽(tīng)器等通信實(shí)體。DDS基本結(jié)構(gòu)是域（Domain），域表示一個(gè)通信平面，由域標(biāo)識(shí)符唯一標(biāo)識(shí)。網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)實(shí)體通信都必須在同一個(gè)域內(nèi)進(jìn)行交互，而且只有在同一個(gè)域內(nèi)的實(shí)體才可以通信。域內(nèi)的參與者是服務(wù)的入口點(diǎn)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建、刪除和管理實(shí)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(lèi)型，是實(shí)體相互通信時(shí)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(guò)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(gè)DataWriter；訂閱者作為訂閱方，至少與一個(gè)DataReader關(guān)聯(lián)。主題是DataWriter和DataReader相互通信時(shí)約定的數(shù)據(jù)信息，每個(gè)DataWriter/DataReader必須與一個(gè)主題綁定。DDS通信時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)布者通過(guò)DataWriter把數(shù)據(jù)發(fā)送至綁定的主題，數(shù)據(jù)訂閱者通過(guò)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(shí)匹配相應(yīng)的QoS，從而實(shí)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(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)之間通信方式可以靈活地實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)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(chēng)Real-time Publish Subscribe Protocol DDS Interoperability Wire Protocol（實(shí)時(shí)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(shí)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(tái)獨(dú)立模型PIM（Platform Independent Model）和平臺(tái)特定模型PSM（Platform-Specific Model）。

PIM包含4個(gè)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(shí)體如何表示；②消息（Messages）模 塊 定 義了通信實(shí)體之間的消息；③行為（Behavior）模塊定義實(shí)體之間的消息的交互及如何進(jìn)行交互；④發(fā) 現(xiàn)（Discovery）模塊定義了端點(diǎn)間的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和配置實(shí)體。PIM模型如圖4所示。

圖4 PIM模型

PSM負(fù)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(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝傳輸，有效結(jié)合了二者的特性?xún)?yōu)勢(shì)，使RTPS具有良好的性能和服務(wù)品質(zhì)，以及相應(yīng)的容錯(cuò)和快速連接能力，其模塊化與可配置的屬性，使可擴(kuò)展性和可伸縮性進(jìn)一步提升，為車(chē)輛中的實(shí)時(shí)應(yīng)用功能通信場(chǎng)景提供了best-effort和reliable的發(fā)布-訂閱通信，同時(shí)使得車(chē)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(chēng)為Quality of Service（服務(wù)品質(zhì)），是網(wǎng)絡(luò)通信的一種安全機(jī)制，用來(lái)解決通信過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問(wèn)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(duì)保證實(shí)時(shí)通信至關(guān)重要。其依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送方或訂閱方，可單獨(dú)使用一種QoS，也可以組合使用多種QoS，來(lái)滿(mǎn)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(shí)效性控制、定義和分發(fā)用戶(hù)信息、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)資源的控制等。用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)置QoS策略來(lái)控制數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序之間共享的方式，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)景下應(yīng)用程序?qū)δ芎托阅艿男枨?，能更好適用于車(chē)輛功能和性能需求場(chǎng)景的多樣性。DDS支持的服務(wù)品質(zhì)策略見(jiàn)表1。

表1 QoS列表

DDS在進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)，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(dá)預(yù)期的目的地，那么將在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠性策略。若當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，DDS將動(dòng)態(tài)地計(jì)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(huì)將發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，并只發(fā)送訂閱方需要的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，對(duì)于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用程序，DDS會(huì)控制訪(fǎng)問(wèn)，強(qiáng)制數(shù)據(jù)流路徑并實(shí)時(shí)加密數(shù)據(jù)?？傊?，DDS豐富的QoS策略為車(chē)輛功能需求場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)提供了無(wú)限的空間。

3 DDS協(xié)議測(cè)試

車(chē)載以太網(wǎng)是一種交換網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的汽車(chē)CAN/LIN總線(xiàn)相比，采用交換機(jī)形式的局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可分為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、菊花鏈型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆?shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面具有很大的靈活性，同時(shí)對(duì)車(chē)載以太網(wǎng)測(cè)試也提出了更高的要求，目前車(chē)載以太網(wǎng)測(cè)試主要包括驗(yàn)證車(chē)載以太網(wǎng)的物理性能、交換機(jī)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(duì)于汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，是一種新型中間件協(xié)議的應(yīng)用，因此進(jìn)行專(zhuān)業(yè)、全面的測(cè)試至關(guān)重要。

3.1 測(cè)試范圍

在汽車(chē)電子電氣領(lǐng)域，典型的V模型在OEM電子電器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用。車(chē)載以太網(wǎng)的開(kāi)發(fā)依據(jù)此V模型，左側(cè)為需求的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作，右側(cè)對(duì)應(yīng)各階段的測(cè)試工作。

對(duì)于DDS協(xié)議測(cè)試，OEM在系統(tǒng)或整車(chē)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(cè)試。目前行業(yè)內(nèi)尚未發(fā)布相應(yīng)的DDS協(xié)議測(cè)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(jī)制，并圍繞DDS在車(chē)載應(yīng)用中的場(chǎng)景、關(guān)注點(diǎn)等制定相應(yīng)的測(cè)試內(nèi)容。因此，DDS主要測(cè)試內(nèi)容可分為協(xié)議一致性測(cè)試、系統(tǒng)通信正確性測(cè)試、協(xié)議應(yīng)用測(cè)試等。DDS測(cè)試內(nèi)容概述列表見(jiàn)表2。

表2 DDS協(xié)議測(cè)試內(nèi)容

協(xié)議一致性測(cè)試對(duì)RTPS協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)對(duì)DDS通信實(shí)體之間傳遞的消息、交互行為及機(jī)制策略的驗(yàn)證，驗(yàn)證DDS產(chǎn)品的互通性；系統(tǒng)通信正確性測(cè)試對(duì)DDS系統(tǒng)時(shí)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(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)層級(jí)通信的正確性與穩(wěn)定性；協(xié)議應(yīng)用測(cè)試主要圍繞DDS在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中所對(duì)應(yīng)的功能或性能配置測(cè)試，此階段與所實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)車(chē)輛電器功能，用戶(hù)應(yīng)用場(chǎng)景密切耦合，驗(yàn)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(cè)試與協(xié)議應(yīng)用測(cè)試，是OEM的核心關(guān)注點(diǎn)之一，不僅要依據(jù)需求規(guī)范的要求，同樣要源自對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性、對(duì)車(chē)輛使用場(chǎng)景的理解、與整車(chē)功能特性耦合度等方面考慮，開(kāi)展充分有效的協(xié)議測(cè)試工作。另外，針對(duì)DDS-Security測(cè)試，可統(tǒng)籌歸納至車(chē)輛信息安全測(cè)試范疇，此處不再贅述。

3.2 測(cè)試環(huán)境

參照傳統(tǒng)總線(xiàn)測(cè)試流程，車(chē)載DDS協(xié)議測(cè)試首先依據(jù)協(xié)議開(kāi)發(fā)需求和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，完成測(cè)試規(guī)范的開(kāi)發(fā)。然后，結(jié)合需求規(guī)范、通信矩陣及功能需求等開(kāi)發(fā)仿真模型，同時(shí)參照測(cè)試規(guī)范進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試用例設(shè)計(jì)，測(cè)試工程的開(kāi)發(fā)、集成調(diào)試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化/半自動(dòng)化測(cè)試。

針對(duì)DDS測(cè)試開(kāi)發(fā)執(zhí)行工具，可采用Vector工具鏈，如：CANoe、vTeststudio、VT等，同時(shí)匹配第三方編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)DDS測(cè)試環(huán)境的搭建、測(cè)試工程設(shè)計(jì)、測(cè)試執(zhí)行，滿(mǎn)足ECU級(jí)、系統(tǒng)集成級(jí)測(cè)試。測(cè)試環(huán)境架構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 測(cè)試環(huán)境示意圖

在整車(chē)電子電器開(kāi)發(fā)中，由于各種因素影響，部分被測(cè)ECU難以在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)提交至OEM。結(jié)合ECU產(chǎn)品到達(dá)情況，開(kāi)展增量式集成，未開(kāi)發(fā)完成的ECU進(jìn)行虛擬仿真，虛擬ECU匹配真實(shí)ECU，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)試環(huán)境搭建，以持續(xù)集成持續(xù)測(cè)試方式，滿(mǎn)足測(cè)試需求。

同時(shí)，為了保證被測(cè)ECU正常運(yùn)行，需觸發(fā)ECU的某些行為，達(dá)到測(cè)試開(kāi)展條件?？山柚鶹ector提供的IO激勵(lì)和測(cè)量板卡、總線(xiàn)接口卡，仿真相關(guān)ECU的外圍IO信號(hào)或者總線(xiàn)信號(hào)，在半實(shí)物半虛擬測(cè)試環(huán)境中，虛擬ECU節(jié)點(diǎn)需要仿真DDS Writer或者Reader，來(lái)發(fā)布或訂閱ECU的DDS數(shù)據(jù)，以此來(lái)驗(yàn)證真實(shí)被測(cè)ECU節(jié)點(diǎn)的變量范圍、非法值的錯(cuò)誤處理機(jī)制等。CI/CT測(cè)試方式可貫穿于整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，滿(mǎn)足了產(chǎn)品迭代開(kāi)發(fā)的測(cè)試環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)

DDS協(xié)議作為通信中間件協(xié)議，在車(chē)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(jiǎn)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(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送，有效地減少了不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，通過(guò)提供應(yīng)用級(jí)QoS，使用戶(hù)對(duì)發(fā)布／訂閱行為可控、可見(jiàn)，增加系統(tǒng)的靈活性、可靠性與可擴(kuò)展性，滿(mǎn)足車(chē)輛功能場(chǎng)景需求。目前在汽車(chē)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(duì)于DDS協(xié)議的車(chē)載應(yīng)用、測(cè)試驗(yàn)證，存在許多值得后續(xù)深入研究的問(wèn)題。